隧道BIM模型基于3DEXPERIENCE SIMULIA的数值分析研究

寂静回声

BIM技术是目前土木行业三维应用最为流行的产品理念，相较于传统二维图纸，信息化的BIM模型为未来土木行业朝着更智能化方向发展提供了无限可能，基于BIM模型的数值分析就是其中一个重要研究方向。

在传统数值分析中，计算模型需要在计算软件中生成，由于计算软件建模功能有限，造成了建模工作量大和模型精度不高的问题。随着BIM技术的出现，软件公司开始尝试通过导入BIM模型进行数值分析，但由于接口问题会不可避免的造成模型数据的损失。软件集成是解决软件间接口问题的有效手段，作为主流BIM软件之一，达索系统3DEXPERIENCE平台数值分析模块SIMULIA集成了传统计算软件ABAQUS，在平台中可以直接由建模模块切换到计算模块，当建模模块中的模型参数变化时计算模块中的计算模型联动，极大提高了计算效率。

目前达索系统3DEXPERIENCE平台中的SIMULIA模块尚处于不断完善中，土木行业某些需求尤其是塑性计算需求无法满足，对于隧道地层结构分析而言最大的障碍就是解决土体塑性参数及本构模型的添加问题，这也是本文研究的重点。

在达索系统3DEXPERIENCE平台SIMULIA模块现有功能中，仅能添加材料弹性参数，无法添加地层结构模型中的地质塑性参数以及相对应的本构模型，如下图所示，这是土木行业应用达索系统3DEXPERIENCE平台进行数值分析需要解决的首要问题。

达索系统3DEXPERIENCE平台中的SIMULIA模块和传统ABAQUS中计算模型文件的数据结构相同，对于一些在3DEXPERIENCE平台中无法实现的功能，可充分参考传统ABAQUS计算模型的数据结构，通过对3DEXPERIENCE平台的计算模型数据结构进行更改来实现。由于BIM模型数据文件地层几何分布繁杂，人工编辑难度非常大，在掌握文件数据结构的基础上可通过应用Python语言非常快速地开发程序实现部分自动化地完成模型数据更改。对于模型塑性参数及本构模型的更改与添加，可通过如下流程实现。

具体步骤为：依托达索系统3DEXPERIENCE平台建模模块CATIA创建BIM模型；将BIM模型切换到计算模块SIMULIA，生成计算模型；将计算模型导出为.inp文件，与此同时在.txt文件中编写包含塑性材料参数及本构模型的地层本构材料库；编写根据实际情况能够完成部分自动化工作的Python程序文件，执行此文件将.inp文件中的材料参数根据地质层关键字名称替换成地层本构模型库中的塑性材料参数及本构模型；生成新的用于模型仿真计算的.inp文件。

以上流程实现的重点是在充分了解.inp文件数据结构的基础上，通过Python编写执行程序.py文件。如下图所示，.py文件执行完成后，新生成的.inp文件中弹性材料参数已经更改为实际塑性材料参数，并添加了M-C塑性本构模型。

在完成上面操作后，需将新生成的.inp文件再次导入达索平台进行计算，计算后如结果不能满足要求一般还会涉及参数的调整，如此反复，操作复杂，因此有必要将此过程流程化，减少操作，提高计算效率。可利用达索系统3DEXPERIENCE平台中的ProcessComposer模块将计算过程中的各分步进行组合，使之成为一个整体，将多个操作转化成一个操作，提高计算效率。此外还可以将计算过程中需要调整的参数提取出来，便于修改。以添加地层结构模型地质塑性参数及本构模型为例，通过ProcessComposer模块将计算过程中各分步整合，图5为整合流程，具体实现步骤为：下载本地文件，包括初始.inp文件、包含有参数信息的.txt文件以及执行材料更新过程的.py文件等，.py文件是主程序文件，.inp和.txt文件是程序执行过程中被调用的文件；设置参数，可将计算过程中的关键参数提取出来便于后期修改；执行.py文件，将初始.inp文件按.txt文件中的材料参数及本构模型进行更新；生成并上传更新后的.inp文件；提交.inp文件到计算器，执行计算；生成并上传计算结果文件（.odb文件）；打开生成的.odb文件，查看计算结果；当结果不满足要求时，更改关键参数重新执行计算。

依托某铁路项目隧道工程BIM模型，开展隧道地层结构模型数值分析，主要实现过程如下：
在达索系统3DEXPERIENCE平台中已建有某铁路项目隧道工程BIM模型，在建模模块中打开此模型并截取待分析段落的隧道主体结构及地质体，如图所示。由于BIM模型体现的是三维真实场景，因此较传统模式下的计算分析其计算精度更高。

将截取后的隧道主体结构及地质体模型切换到计算模块SIMULIA，按照添加材料参数→划分单元网格→定义分析类型→定义接触面→添加荷载→定义边界条件的顺序生成计算模型，由于计算模块中不能添加地质体塑性参数，故此步仅需添加弹性参数，塑性参数及本构关系根据上面方法在后续步骤中添加。生成的计算模型如图所示。

计算过程中需要的基础文件包括三部分：一是通过计算模型导出的.inp文件，二是定义材料参数的.txt文件，三是执行材料更新的.py文件。其中.py文件是通过Python编写的执行文件，通过调用计算模型文件.inp和材料参数文件.txt生成更新材料参数的.inp文件。根据上文提出的计算流程，在达索系统3DEXPERIENCE平台ProcessComposer模块中定义数值分析计算过程，如图所示。

在达索系统3DEXPERIENCE平台ProcessComposer模块中执行定义的计算流程，并生成计算结果，当结果不能满足要求时，更改关键材料参数重新执行计算，操作过程简单。图9为整体模型竖向变形情况，下图为隧道结构竖向变形情况。

通过基于达索系统3DEXPERIENCE平台的隧道地层结构模型数值分析研究，实现了地质体塑性材料参数及本构模型的添加，建立了旨在提高计算效率的整体计算流程，实现了隧道工程从BIM设计到数值分析的无缝衔接，成功解决了依托BIM模型进行数值分析的数据接口问题，相较于传统数值分析方法其优势主要体现在以下几点：
（1）依托BIM模型开展数值分析，提高了计算模型精度，减少了计算过程中的建模工作量；
（2）成功解决了达索系统3DEXPERIENCE平台计算模块SIMULIA中不能添加塑性材料参数及本构模型的问题，扩大了软件的适用范围；
（3）从BIM设计到数值分析计算全部在达索系统3DEXPERIENCE平台上开展，成功解决了传统方法中依托BIM模型进行数值分析的数据接口问题；
（4）本文针对更新模型材料参数形成的研究方法具有普适性，对于模型分析过程中遇到的其它情况如隧道分部开挖同样适用。