达索3DEXPERIENCE平台基于隧道BIM模型的数值分析研究

冯山群

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

BIM技术是目前土木行业三维应用最为流行的产品理念[1-2]，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。

随着三维技术的不断发展以及应用需求的不断提高[3-5]，国内外主流数值分析软件主要经历了以下几个阶段：早期数值分析计算模型在计算软件中建立[6，7]，由于建模功能有限，计算模型精度较低，计算结果误差较大；BIM技术出现之后，为了有效利用精度较高的BIM模型，数值分析软件通过导入BIM模型进行计算[8-9]，但由于软件间的接口问题会不可避免地造成部分数据的损失；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3DEXPERIENCE平台数值分析模块SIMULIA集成了传统计算软件ABAQUS[10-11]，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，然而由于目前SIMULIA模块功能尚不完善，土木行业某些需求尤其是塑性计算需求无法满足。

综上所述，实现软件集成的达索平台其设计理念十分先进，成功解决了模型精度和软件接口问题，然而对于隧道专业而言，应用达索平台进行地层结构模型数值分析的最大障碍就是土体塑性参数及本构模型不能添加，这是本文研究的重点。

1 研究目标

打通基于达索3DEXPERIENCE平台的隧道地层结构模型数值分析流程，实现从BIM模型到计算模型的无缝衔接。具体研究内容包括以下两点：一是实现模型塑性参数及本构模型的添加；二是将计算过程流程化，提高计算效率。

2 研究内容

2.1 添加塑性参数及本构模型

(1)问题提出

隧道结构数值分析经常使用地层结构模型[12-13]，地层结构模型中的土体材料为弹塑性，需要添加弹塑性参数及相对应的本构模型，这是模型能否进行弹塑性计算的关键，图1为传统ABAQUS软件中使用M-C准则时的材料添加界面。

图1 传统ABAQUS中添加塑性材料参数及本构模型

达索3DEXPERIENCE平台SIMULIA模块现有功能仅能添加材料弹性参数，如图2所示，由于缺少塑性参数及本构模型，对于隧道地层结构模型的弹塑性分析无法实现，因此有必要研究达索平台中塑性参数及本构模型的添加方法。

图2 达索3DEXPERIENCE平台SIMULIA模块现有材料参数

(2)解决方案

达索3DEXPERIENCE平台中的SIMULIA模块基于传统ABAQUS开发，因此二者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。

达索平台SIMULIA模块的计算模型文件为.inp文件，此文件基于Python语言，因此工作重点就是应用Python语句，将.inp文件中相关的塑性参数和本构模型进行更改或添加[14-15]。

(3)实现过程

计算模型数据文件内容繁杂，人工编辑难度较大，在掌握文件数据结构的基础上，可通过开发程序实现文件更改。对于模型塑性参数及本构模型的更改与添加，可通过图3流程实现。具体步骤为：依托达索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文件中编写塑性材料参数及本构模型；编写.py程序文件[16-17]，执行此文件将.inp文件中的材料参数根据实际情况替换成.txt文件中的塑性材料参数及本构模型；生成新的.inp文件。

图3 计算模型文件材料参数更新流程

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。如图4、图5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，更改后的数据结构和传统ABAQUS中直接添加塑性参数及本构模型生成的数据结构一致。

图4 初始.inp文件材料参数

图5 更新后.inp文件材料参数

虽然在达索3DEXPERIENCE平台SIMULIA模块中没有相关塑性材料参数及本构模型的添加界面，但通过程序更改计算模型文件数据结构可以达到和传统ABAQUS相同的效果，这就为隧道地层结构模型在达索软件中的应用扫清了障碍。

2.2 定义计算流程

(1)问题提出

传统数值分析软件塑性材料参数及本构模型在操作界面中完成，过程简单明了，而达索平台因为自身的局限性，需要首先更改生成的计算模型文件(见2.1节)，然后再将更改后的文件导回软件进行计算，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。

(2)解决方案

达索3DEXPERIENCE平台中的ProcessComposer模块，可将分散的操作过程进行组合，将逐步实现的功能流程化，减少中间操作。

利用这一功能，可将隧道地层结构模型数值分析中计算模型文件的导出、修改、导入等单独执行的步骤进行整合，使之流程化，当进行数值分析时，只需执行此流程即可，操作简单，计算高效。此外，在此过程中还可以将计算过程中需要调整的参数提取出来，便于修改。

(3)实现过程

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进行整合。

图6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；设置关键参数，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。

图6 将计算过程中各分步整合后的流程

通过以上流程，需要多步完成的操作只需一步即可，极大提高了计算效率。

3 案例分析

依托某铁路项目隧道工程BIM模型及地质BIM模型对以上方法进行验证。分析模型选用隧道地层结构模型，分析过程中的本构模型采用M-C准则，分析内容为隧道结构拱顶沉降，主要实现过程如下。

3.1 选取待分析段落BIM模型

在达索3DEXPERIENCE平台中已建有某铁路项目隧道工程BIM模型以及地质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7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。

图7 需要计算的隧道BIM模型

3.2 转换BIM模型为计算模型

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2.1节方法在后续步骤中添加。生成的计算模型如图8所示。

图8 基于隧道BIM模型生成的计算模型

3.3 基础文件准备

计算过程中需要的基础文件包括3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。

3.4 定义计算流程

根据2.2节中提出的定义计算流程方法，在达索3DEXPERIENCE平台ProcessComposer模块中定义数值分析计算过程，如图9所示，主要流程为：下载本地文件→设置关键参数→执行.py文件→上传更新后的.inp文件→执行计算→上传计算结果文件→查看计算结果。

图9 在ProcessComposer模块中定义计算过程

3.5 执行计算

在达索3DEXPERIENCE平台ProcessComposer模块中执行3.4节中定义的计算流程，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。执行完成后的整体模型竖向变形情况见图10，隧道结构竖向变形情况见图11。

图10 整体模型竖向变形

图11 隧道结构竖向变形

本案例应用本文提出的塑性参数添加方法及将计算过程流程化的方法，顺利完成了隧道地层结构模型数值计算，计算结果与实际情况相符，验证了此方法的可行性。

3.6 与传统计算方法对比分析

基于BIM模型进行数值分析的传统方法如下：将BIM模型从BIM建模软件中以一定的格式导出；将导出后的BIM模型导入传统数值分析软件；在传统数值分析软件中添加弹塑性参数、划分网格以及进行其他边界条件的定义；执行计算。

本案例中的BIM建模软件为达索软件，数值分析软件采用ABAQUS，BIM模型由达索软件的导出格式为.stp。由于BIM建模软件和数值分析软件的接口不同，当BIM模型导入数值分析软件后出现了严重的数据丢失，后续计算无法执行。见图12、图13。

图12 原始BIM模型

图13 BIM模型导入计算软件后数据严重缺失

4 结论

通过基于达索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4个方面。

(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)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他情况如隧道分部开挖同样适用。