基于BIM建模的壩體結構設計及快速有限元分析

張道法，鞏緒威

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

數值計算輔助設計已成為水工結構設計過程中的重要環節，對于壩體結構設計而言，通常需要進行結構優化設計，對不同方案進行對比，選擇一個最佳設計方案。壩體結構優化分析時需要進行大量結構計算，其中最主要內容之一就是有限元分析。水工結構通常形態各異、體形復雜，難以采用有限個參數表征其形狀信息，即難以采用參數化建模的方式進行快速有限元分析[1]。不同方案進行比選時，計算工況眾多，模型形狀多樣、無規律，有限元數值模型建立過程費時費力，數值分析效率低下。在生成算稿時又需要將大量計算云圖整理成計算報告，工作量巨大。如何快速高效地進行有限元數值計算成為一個現實問題，郭瑞[2]、于彥偉[3]、蔣繪靜[4]、王文進[5]等人對重力壩參數化設計、體形優化及參數化有限元的實現方法進行了大量研究；盧羽平[6]、孫斌[7]對水閘結構的參數化表征方法進行了系統分析，并采用參數化方式快速實現水閘的結構建模及有限元分析；陳艷[8]、伍鶴皋[9]實現了水電站鋼岔管等結構的參數化設計，加快了岔管設計效率；鐘登[10]深入研究了水電站地下廠房三維參數化方法；李松輝[11]對水工結構采用APDL和遺傳算法優化設計進行了初步分析。

以上研究主要是采用參數化設計方式來加快設計或計算效率，對于結構規則構件相對易于實現，而對于復雜水工結構的快速有限元分析的研究相對較少。隨著BIM技術在水利工程領域的快速應用，BIM三維模型的創建過程日趨方便[12]。從挖掘BIM模型應用潛力的角度出發，本文在研究三維BIM模型與有限元數值計算耦合應用時，總結了一套基于BIM模型和ABAQUS計算平臺快速進行有限元分析的一般流程，實現了BIM模型與有限元計算之間的信息共享，有效提升了數值模型創建、數值分析及計算報告整理的工作效率。

1 快速有限元分析流程

a) 采用BIM軟件創建三維實體模型，導入ABAQUS軟件創建三維數值模型。利用BIM軟件創建三維模型是十分方便的，其建模效率比傳統有限元軟件建模高出數倍。本文采用Microstation快速建立三維幾何模型，并將其存儲為sat中間格式，導入ABAQUS軟件中進行數值模型的轉換[13]。劃分有限元網格是建立有限元數值模型、進行有限元計算工作量最大的部分，而水工結構常常由于體型各異、形態復雜很難使用參數化有限元方式進行處理，目前還是以手工劃分網格單元為主，費時費力。本文基于這個問題，采用10節點二次單元代替傳統8節點單元進行網格剖分處理，因10節點四面體二次單元網格劃分可采用自由剖分方法，無需大量切割實體，對實體形狀要求低，單元生成速度快。BIM模型僅需稍加處理，添加地基結構即可快速剖分網格，生成有限元模型。這種方式能夠大量節省網格剖分時間，尤其在多方案比選時，具有良好效果。當然，也應該看出采用四面體二次單元會導致網格畸形概率增大、單元數量增多、計算時間加長的現象[14]。但通過合理設置網格密度，網格單元盡量分區設置，在結構復雜區域單元尺寸設置相對小一些，結構簡單區域單元尺寸設置相對大一些，遠離結構地基單元尺寸可由小尺寸逐漸過渡到較大尺寸。同時應適當修改BIM模型，如結構細小尖角等易引起應力集中部位可作適當簡化處理，網格畸形問題可以較好地解決，而現階段隨著計算機性能的不斷提高，計算時間長的問題也越來越不是限制性問題。

b) 采用inp文件、荷載子程序for文件及py命令流快速進行邊界條件施加、截圖及生成圖表等后處理操作。網格剖分后，需要施加荷載及邊界條件，水工結構有限元計算時，此設置過程基本一致。而針對不規則分布的揚壓力、土壓力等特殊荷載設置過程則較為復雜，公式難以直接在界面中施加在結點或單元上，且各工況難以重復利用。采用ABAQUS命令流與荷載子程序能夠較好地解決公式編寫困難、荷載施加繁瑣等問題，對于不同工程僅需要簡單復制代碼并修改即可。材料參數、位移邊界條件、初始條件等方便修改的參數在inp文件中設置，復雜荷載建議在荷載子程序中設置，荷載子程序在設置復雜荷載時具有較大的優勢，公式在程序中的編寫與實際公式基本一致，采用參數化編制的公式針對不同工況僅需要修改參數值即可，能夠顯著提高施加復雜荷載的效率。ABAQUS一般荷載施加程序接口如下[15]。

SUBROUTINE LOAD(F,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,LAYER, &

KSPT,COORDS, JLTYP,SNAME)

INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'

DIMENSION TIME(2), COORDS(3)

CHARACTER*80 SNAME

REAL X,Y,Z

X=COORDS(1)

Y=COORDS(2)

Z=COORDS(3)

! 編寫荷載公式

RETURN

END

針對有限元后處理復雜繁瑣等問題，本文采用腳本批量處理模式，錄制一個工況下的計算云圖及報表的截取保存過程，生成批量化py腳本文件，其他工況直接載入該腳本文件，可迅速生成命名有規律的云圖及圖表，操作過程詳見參考文獻[16]。

c) 利用宏語言將計算云圖批量導入報告并批量進行格式調整。有限元計算完畢后會產生大量的計算云圖，手工將這些圖片插入word報告中需要耗費大量的時間精力，而且操作過程簡單重復、枯燥乏味、容易出錯。利用宏可以方便地將計算云圖及報表批量導入word計算報告中，且能對導入的圖片自動進行居中對齊、大小調整等格式化處理，操作簡單、方便、高效。主要操作代碼如下。

Sub ImportPicturesInBatch()

FilePath = “D:)〗ProgramData” ‘照片路徑

PicNum = 2′每個工況圖片張數

CaseNum = 7′工況數量

StartIndex=

ActiveDocument.InlineShapes.Count + 1

For kk = 1 To PicNum ′導入圖片

For cc = 1 To CaseNum

Selection.InlineShapes.AddPictureFilePath& cc &"_"& kk &".png"

Selection.TypeParagraph

Selection.TypeParagraph

Selection.ParagraphFormat.Alignment=

wdAlignParagraphCenter

Next cc

Next kk

EndIndex=

ActiveDocument.InlineShapes.Count

For i = StartIndex To EndIndex ′設置圖片大小及格式

With ActiveDocument.InlineShapes(i)

.LockAspectRatio = msoTrue ′鎖定圖片縱橫比

.Width = 250

End With

ActiveDocument.InlineShapes(i).Select

Selection.ParagraphFormat.Alignment=

wdAlignParagraphCenter

Next i

End Sub

2 工程案例

2.1 工程概況

國外某水電站位于嚴寒地區，采用河床式布置，廠房與壩體共同擋水，分為15個壩段，總長度為291.25 m，從左岸向右岸依次為：左岸連接壩段(1—3號)、左岸扶壁擋墻砂礫石混合壩段(4—9號)、安裝間上游擋水重力壩壩段(10號)、廠房壩段(11號)、泄洪深孔壩段(12號)、溢流表孔壩段(13號)、右岸重力壩段(14—15號)。左岸扶壁擋墻砂礫石混合壩段最大壩高30.50 m，壩頂寬度4.50 m。扶壁式擋墻底板厚度2.00～3.00 m，墻身面板厚度2.50 m，扶壁厚1.00～2.00 m，扶壁中心距5.00～7.00 m。擋墻墻身上、下游側采用卵礫石回填，上游側為順岸坡向回填，回填高程571.00～546.27 m，坡比為1.0∶4.5；下游側回填頂高程568.00 m，垂直壩軸線方向坡比1∶2，護坡采用干砌塊石，厚度400 mm。

本文壩體結構設計為左岸9號扶壁擋墻壩段，扶壁擋墻底板順水流方向長24.40 m，垂直水流方向寬18.00 m，擋墻頂高程為571.00 m，建基面高程為540.50～543.00 m，擋墻頂寬4.50 m。壩體墻身及底板采用C30W6F200混凝土，扶壁采用C25W4F200混凝土。右側岸扶壁與中間扶壁之間設置橫向支撐擋墻，由此形成的中間框格內回填砂礫石，梁扶壁頂設置樓梯通向壩頂，右側扶壁及支撐擋墻下游坡比1.0∶0.4，以便與10號壩段平順連接，外形協調美觀。中間扶壁坡比1∶2，下游另設擋墻以便側向支擋壩體填料。左側扶壁坡比1.000∶0.735，9號壩段結構相對復雜，其典型縱斷面見圖1。

2.2 壩體比選方案

對9號壩段右岸扶壁與中間扶壁之間的橫向支撐進行優化比選設計。考慮右岸扶壁與10號重力壩段銜接的功能需要，壩后回填料僅填至中間扶壁處，中間扶壁一側擋土，一側臨空，由此填料對中間扶壁產生了較大的側向土壓力，鑒于中間扶壁結構的安全性，需要在中間扶壁與右岸扶壁之間設置橫向支撐， 共擬定2種支撐方案進行比選。方案一為小擋墻支撐方案，小擋墻頂高程為556.00 m，頂部寬0.8 m，以1.0∶0.4坡與壩底板銜接，橫斷面見圖2。方案二為全斷面支撐墻方案，支撐墻厚度為1 m，形狀與右岸扶壁一致，以便與10號安裝間重力壩段銜接，橫斷面見圖3。由圖2—3可知，2個方案形狀差異較大，難以采用參數化方式提高效率，優化比選時建模、計算、后處理等過程十分繁瑣。

圖1 9號壩段典型縱斷面(mm)

圖3 方案二全斷面支撐墻方案(mm)

2.3 計算條件

采用上述建立的有限元快速計算流程，快速對2個支撐方案建立了三維模型，進行結構網格剖分、荷載及邊界條件施加及有限元分析，壩體結構有限元計算模型見圖4。

計算時以正常蓄水工況為例進行分析，正常蓄水位工況下上游水位為567.50 m，下游無水，壩體及地基材料均采用線彈性本構，采用的材料參數見表1。

因壩后回填料僅在中間扶壁與左岸扶壁間設置，即中間扶壁右岸側為臨空側，左岸側為臨土側，中間扶壁承受較大的不均衡土壓力。

a)方案一

b)方案二

表1 計算參數

扶壁切向傾斜面采用庫倫土壓力理論，作用在某一點處的土壓力為：

pA=γhKA

(1)

式中pA——某一點處的土壓力強度，kN/m；γ——土的重度，對于地下水位以下部分取浮容重γ'；h——填土高；KA——庫倫主動土壓力系數，計算過程見下式。

KA=

(2)

式中φ——土的內摩擦角；θ——墻背與豎直向夾角；δ——填土與墻背摩擦角，取δ=1/3φ；β——填土表面坡角。

其余直立面采用靜止土壓力計算，靜止土壓力系數為：

K0=1-sinφ

(3)

由以上公式可以看出，土壓力公式較為復雜，土壓力作用面較多且傾斜面與直立面采用不同土壓力計算方法，界面施加過程十分復雜。本文采用荷載子程序方式進行施加，根據上述土壓力計算公式編寫荷載子程序，可以方便地為各土壓力作用面施加土壓力，方便高效，且不同工況僅需修改控制參數，代碼可重復使用，效率較高。

2.4 計算結果

以正常蓄水位工況為例，2個方案的計算結果見圖5—7。方案一的最大拉應力為3.426 MPa，方案二的最大拉應力為3.298 MPa，均發生在中間扶壁左岸側下部位置，兩方案的最大拉應力已超出混凝土抗拉強度，需要配置抗拉鋼筋。方案一的最大壓應力-10.230 MPa，方案二的最大壓應力為-8.894 MPa，均發生在中間扶壁右岸側下部位置，未超過混凝土抗壓強度。方案一的最大水平側向位移為7.795 mm，方案二的最大水平側向位移為7.668 mm，均發生在中間扶壁頂部，指向臨空側。2種支撐形式的方案受力與變形規律基本一致，但全斷面支撐墻方案的最大拉應力比方案一小0.128 MPa，最大壓應力小1.336 MPa，最大水平側向位移小0.127 mm。因而，方案二相較方案一在結構安全上更優，全斷面支撐墻方案能夠給中間扶壁提供更好的支撐作用，兩方案在工程量基本相當的情況下，顯然方案二的受力與變形更小一些。同時，內部隔腔內回填砂礫石對上游擋水面墻有很好的保溫作用，因此設計時最終選擇了方案二。

a)方案一

b)方案二

圖5最大拉應力計算結果對比

a)方案一

b)方案二

圖6最大壓應力計算結果對比

a)方案一

b)方案二

圖7最大水平側向位移計算結果對比

3 結論

a) 本文在研究BIM模型與有限元計算耦合應用的基礎上，總結了快速進行有限元分析的一般流程，使用BIM軟件建立三維模型，利用ABAQUS軟件提供的計算及批量化處理功能進行有限元分析，采用自編程序進行計算報告整理，該有限元分析流程可快速進行數值模型建立、有限元分析及計算報告生成，有效提升了復雜結構數值分析的效率。

b) 將建立的快速有限元分析方法應用于某壩體結構支撐擋墻優化設計過程中，針對該壩體結構的多種比選方案，使用本文的有限元快速分析流程準確建立了多種方案的數值計算模型，快速進行壩體復雜荷載的施加，并進行多方案的比選分析。實際應用結果表明，本文的快速有限元分析法可顯著提升不規則壩體結構優化設計的效率。

c) 對壩體結構的優化分析表明，設計中采用的全斷面支撐墻方案相比小擋墻支撐方案能夠將中間扶壁的最大拉應力降低0.128 MPa，最大壓應力降低1.336 MPa，最大側向位移降低0.127 mm，全斷面支撐墻方案中間的受力與變形相對更小一些，能夠給予中間扶壁更好的支撐作用。因此，設計選擇了全斷面支撐墻方案。分析結果論證了結構設計的合理性，為壩體設計方案的選擇提供了依據。