大型复杂三维地质模型CAD/CAE数据转化方法研究

王国岗 陈亚鹏 赵文超 杨 光

随着BIM技术的不断推广，完全面向水利水电工程地质的三维地质建模系统应运而生，利用该类系统创建的三维地质模型能够完整表达与展示枢纽工程区的地质条件，但因地质模型的复杂性、数据结构不兼容等原因，无法将其直接转化为CAE计算模型。探索大型复杂三维地质模型转化为数值计算模型的快速实现方法，为边坡、大坝、隧洞等水工建筑物提供精确的三维地质模型，使数值计算的边界条件更符合工程实际，提高其变形分析与稳定分析的可靠性，为工程设计提供参考，对拓宽地质模型的应用深度与广度意义重大。

一、三维地质模型CAD/CAE的关键问题

1.三维地质模型概化

对于三维地质模型而言，寻找适于表达工程地质数据的三维数据结构是地质建模的基础工作。水利水电工程施工区往往地质构造复杂、数据类型多样、分析要求高，选择合适且实用的三维数据极为关键。根据三维数据的几何特征，其数据结构主要分为基于曲面表示的数据结构、体元表示的数据结构及两者的混合数据结构。能为CAD/CAE集成化分析所用的地质模型应为实体模型，且地质体由点、线、面、体通过相应的拓扑关系组合而成，即三维无缝地质模型适用于CAE软件。

水利水电工程所处地区一般在高山峡谷中，地质条件往往异常复杂，所建立的三维地质模型还原了实际的地质条件，不仅包含地形、覆盖层、风化卸荷等信息，还涉及地层尖灭或断层、褶皱、裂隙等不规则结构面。这也导致模型中包含了大量异形体，加之不规则的人工开挖面及水工建筑，地质模型往往难以导入CAE软件中进行网格剖分及数值计算，需在其基础上做相应的概化处理。

为了保证所建三维地质计算模型最大限度地与工程实际条件相符，在明确工程区主要工程地质条件与研究对象之间关系的基础上，对建在复杂地质条件上的三维地质模型简化为数值计算模型时应遵循以下几个基本原则：一是真实性原则，在模型建立时，充分反映工程区的地质实际，尽最大努力保证所建地质物理模型与地质原型一致；二是突出性原则，对工程区所关注的突出问题和重要因素进行有针对性的详细模拟；三是保证精度原则，为保证计算精度，应保证所简化的地质模型满足计算所要求的精度；四是经济适用性原则，建模过程中，综合考虑模型精度、规模、复杂度和人员与经济投入等因素，选用实际可行的模型；五是概化原则，为了避免追求所有地质结构面面俱到的模拟可能带来的计算精度问题，在保证分析结果真实反映实际情况的基础上对次要的结构面进行适当的概化。

2.软件及数据格式解析

（1）软件功能概述

为实现大型复杂地质模型能够快速转化为CAE计算模型，在模型构建的不同阶段及数据转化、网格剖分等方面使用了不同的软件，并利用计算机语言做了相应需求的二次开发。

GeoStation是华东勘测设计研究院数字工程中心依托美国Bentley公司MicroStation平台独立研制开发的一个三维地质设计系统，其主要目的是建立三维地质实体，可以在三维实体模型的基础上进行各种三维分析，包括文件管理、流程管理、数据采集、制图标准、三维编辑、模型创建、模型分析、文字和符号标注、工程计算、工程查询和部分二维图的生成等。利用软件中的“专业工具”“三维建模”工具栏下的相关功能能够快速构建三维地质模型。

ANSYS是由John Swanskon 教授于1970年开发出来的，如今在全球范围内已发展为一款用途广泛的分析设计软件。APDL是ANSYS Parametric Design Language的缩写，即ANSYS参数化设计语言。它是一种解释性语言，提供了如重复、分支、循环、宏及标量、矢量和矩阵运算等工具。利用APDL参数化语言可快速提取面单元节点数据信息编写程序。

FLAC3D弹塑性计算分析程序是美国Itasca Consulting Group Inc.开发的专用于岩土工程数值模拟大型三维有限差分程序，包含了10种弹塑性材料本构模型及多种结构单元形式，能够很好模拟复杂的岩土工程或力学问题。FISH是FLAC3D内嵌的程序设计语言，用户可以根据需要编写新的变量和函数，充分扩展软件自身的功能。基于FISH语言，可编写ANSYS计算模型网格转化到FLAC3D、边坡强度折减法、结构单元建节点连接等程序。

MDL(MicroStation Development Library)是MicroStation的二次开发工具之一，亦被称为NativeCode MDL。它基于C++来做相关功能的程序开发，可采用面向对象的编程方式来写代码（使用VS等工具的集成开发界面），也可直接调用任何VC++中可以调用的功能。因此，大多数新的MicroStation开发功能（如XAttribute、点云、i-model等）都采用类似的形式提供，这些新的功能也要求使用NativeCode MDL来开发应用。

（2）数据格式解析

水利水电工程大型复杂三维地质CAD模型向CAE模型的转化涉及到GeoStation、MicroStation等CAD软件，ANSYS、FLAC3D等CAE软件，实现软件之间的数据格式转化是实现CAD/CAE一体化的基础与前提。将GeoStation中生成的三维地质模型通过相应的概化处理后可导入ANSYS中生成三维地质实体，并可进一步对三维实体进行网格剖分，最终将地质网格转化为FLAC3D中的数值计算网格。ANSYS与FLAC3D之间地质网格的单元数据格式如图1所示。通常情况下，在地质体的单元模拟上，考虑六面体、四面体、锥形体及楔形体四种单元类型，便可满足各种地质体网格建立的需求。

图1 ANSYS与FLAC3D数据格式关系示意

对ANSYS和FLAC3D的单元数据关系进行分析后，首先利用APDL语言提取单元节点信息，生成Node.txt和Ele.txt数据文件；然后利用FISH语言读取单元节点数据文件，生成FLAC3D格式识别的计算模型文件。

二、三维地质计算模型生成方法

1.流程

实现大型复杂三维地质模型CAD/CAE集成的关键在于软件间数据接口的集成、模型信息的概化与匹配及模型的网格，通过多次尝试，探索出建立三维地质计算模型技术路线图（见图2）。

图2 建立三维地质计算模型技术路线图

实现大型复杂三维地质模型CAD/CAE集成所涉及到的 软 件 有GeoStation、MicroStation、GeoPak、ANSYS、FLAC3D等。其中，GeoStation可根据地质勘探资料完成三维地质模型的初步建立，MicroStation配合MDL小程序可快速建立水工建筑物模型，GeoPak可实现工程区的开挖设计，ANSYS用于三维地质及水工建筑模型的二次建立与网格剖分，利用FLAC3D进行相应的数值计算分析。具体实现流程如下：

一是利用勘察所得的地形数据、测绘数据、勘探数据等，GeoStation可快速生成初步的三维地质面模型，此时的地质模型面与面之间几何拓扑关系还不太明确。

二是根据工程区的地质条件和水工设计要求，利用GeoPak与MicroStation或AECOsim Building Designer完成场地开挖面设计与目标水工建筑物（如坝体）的建立。

三是求取地质面模型与水工设计物有几何拓扑关系的面面间的交线，并对交线做适当长度的简化处理。

四是编写的MDL程序可实现面的插值功能，将上一步求出并简化的交线作为硬性约束条件进行kringe插值，在此生成相应的面模型。

五是将生成的面模型通过数据接口工具转化到ANSYS中，将在空间中可围合成体的面以此生成体，并对这些体进行网格剖分。

六是通过数据转化接口工具将ANSYS中的网格转化到FLAC3D中，并对模型设置边界条件、材料参数、本构关系等，进行相应的数值计算分析。

2.关键技术

将建立的三维地质模型快速转化为可用于CAE计算的模型，关键在模型快速建立与概化、地质界面的二次插值与数据接口的集成等。

模型的快速建立。要建立的模型包括三维地质模型及与计算相关的水工建筑，如开挖面和坝体等。将地质勘察的数据录入GeoStation的数据库端，并结合地形及解译的地质剖面等，利用菜单栏里的“专业工具”及“三维建模”中的相关功能可快速建立起三维地质面模型；利用GeoPak里的场地开挖功能快速实现人工开挖面的设计。

地质界面的二次插值模拟。地质界面的模拟主要通过插值运算来实现，本文选用常见的Kriging插值方法。Kriging插值方法是建立在变差函数或协方差函数空间分析基础上，对有限区域内的区域化变量取值进行无偏最优估计的一种方法。

数据接口的集成。数据接口主要通过MDL、APDL及FISH语言来完成，其中GeoStation(MicroStation)与ANSYS间网格数据的相互转化工具、地质界面的二次插值模拟工具主要通过MDL来完成，ANSYS与FLAC3D间地质体网格的数据转化主要通过APDL与FISH配合来完成。

三、工程应用实例

1.工程背景

某拱坝坝址区坝轴线上游河流走向近正N方向，下游流向转为NE向，河道曲折，河谷深切狭窄。坝址区两岸地形高陡，平均坡度大于65。，局部地形近于直立，为典型的“V”字形河谷。坝址区河床高程为735.0～739.0m，坡高一般在200～240m。拱坝坝顶高程880.5m，最大坝高167.5m，坝顶长度287.57m。主要建筑物有拦河坝、二道坝、水垫塘、发电引水隧洞和电站等。

坝址区出露的地层主要为石炭系下新统的青灰色中厚层～薄层灰岩，第四系地层仅在河床及冲沟零星分布，拱坝受力范围内断裂构造总体不发育。

2.实现过程概述

(1)三维地质面模型的快速建立

在GeoStation中将勘探数据录入数据库，最终共计导入36个钻孔、29个平硐数据，在图形端导入地质61个地质剖面，最终生成如图3(a)所示的三维地质面模型。利用GeoPak做出的开挖面如图3(b)所示。图3(c)展示了开挖面与主要地质构造间的空间相对关系。

图3 初步生成的三维地质模型

(2)模型的简化与网格剖分

图4展示了在初步建立的三维地质模型基础上对模型进行概化并网格剖分的流程：模型边界的划定—地形与地层的还原—断层的还原—人工开挖面的还原—各种地质界面的求交—交线的处理—交线作为硬性约束并将各种地质界面重构—将面构成的封闭空间形成体—地质体网格剖分。

图4 三维地质模型概化及网格剖分的实现过程

四、结语

对于大型复杂地质模型如何快速转化为CAE计算模型，本文探索出了通过水利水电三维地质建模系统GeoStation快速建立初步的三维地质面模型，并利用MDL程序对其进行简化后，导入ANSYS中二次生成面与面几何拓扑关系明确的三维地质模型，然后对模型进行网格剖分，最终导入FLAC3D中进行数值计算的实现思路。通过某一工程项目的实践，证明了此办法的可行性。要实现复杂地质模型CAD/CAE的无缝集成，即实现地质模型数据转换传输、成果展示及分析功能和CAE 仿真分析自动化，还需进一步的探索。