馮山群  中國鐵路設計集團有限公司 天津 300142

摘要：作為主流BIM軟件，達索系統3DEXPERIENCE平臺中的計算模塊SIMULIA集成了傳統計算軟件ABAQUS的部分功能，實現了從BIM模型到計算模型在同一平臺上的轉換，但在達索系統3DEXPERIENCE平臺的當前版本中計算模型的塑性材料參數及本構模型無法添加，涉及地層結構模型的數值分析也就無法實現。本文依托隧道BIM模型，針對塑性材料參數及本構模型無法添加的問題開展了深入研究，形成了一套自動化程度較高的計算流程，并通過實例分析證明研究成果可行。此研究方法具有普適性，對于模型分析過程中遇到的其它類似情況同樣適用。

關鍵詞：達索系統3DEXPERIENCE平臺，隧道BIM，塑性參數，本構模型，計算流程

引言

BIM技術是目前土木行業三維應用最為流行的產品理念，相較于傳統二維圖紙，信息化的BIM模型為未來土木行業朝著更智能化方向發展提供了無限可能，基于BIM模型的數值分析就是其中一個重要研究方向。

在傳統數值分析中，計算模型需要在計算軟件中生成，由于計算軟件建模功能有限，造成了建模工作量大和模型精度不高的問題。隨著BIM技術的出現，軟件公司開始嘗試通過導入BIM模型進行數值分析，但由于接口問題會不可避免的造成模型數據的損失。軟件集成是解決軟件間接口問題的有效手段，作為主流BIM軟件之一，達索系統3DEXPERIENCE平臺數值分析模塊SIMULIA集成了傳統計算軟件ABAQUS，在平臺中可以直接由建模模塊切換到計算模塊，當建模模塊中的模型參數變化時計算模塊中的計算模型聯動，極大提高了計算效率。

目前達索系統3DEXPERIENCE平臺中的SIMULIA模塊尚處于不斷完善中，土木行業某些需求尤其是塑性計算需求無法滿足，對于隧道地層結構分析而言最大的障礙就是解決土體塑性參數及本構模型的添加問題，這也是本文研究的重點。

1. 研究目標

打通基于達索系統3DEXPERIENCE平臺的隧道地層結構模型數值分析流程，實現從BIM模型到計算模型的無縫銜接。具體研究內容包括以下兩點：一是實現自動化模型塑性參數及本構模型的添加；二是將計算過程部分流程自動化，提高建模以及仿真效率。

2 .研究內容

 2.1 添加塑性參數及本構模型

（1）問題提出

在達索系統3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊現有功能中，僅能添加材料彈性參數，無法添加地層結構模型中的地質塑性參數以及相對應的本構模型，如圖1所示，這是土木行業應用達索系統3DEXPERIENCE平臺進行數值分析需要解決的首要問題。

圖1. 達索系統3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊現有材料參數

（2）解決方案

達索系統3DEXPERIENCE平臺中的SIMULIA模塊和傳統ABAQUS中計算模型文件的數據結構相同，對于一些在達索系統3DEXPERIENCE平臺中無法實現的功能，可充分參考傳統ABAQUS計算模型的數據結構，通過對達索系統3DEXPERIENCE平臺的計算模型數據結構進行更改來實現。

（3）實現過程

由于BIM模型數據文件地層幾何分布繁雜，人工編輯難度非常大，在掌握文件數據結構的基礎上可通過應用Python語言非常快速地開發程序實現部分自動化地完成模型數據更改。對于模型塑性參數及本構模型的更改與添加，可通過圖2流程實現，具體步驟為：依托達索系統3DEXPERIENCE平臺建模模塊CATIA創建BIM模型；將BIM模型切換到計算模塊SIMULIA，生成計算模型；將計算模型導出為.inp文件，與此同時在.txt文件中編寫包含塑性材料參數及本構模型的地層本構材料庫；編寫根據實際情況能夠完成部分自動化工作的Python程序文件，執行此文件將.inp文件中的材料參數根據地質層關鍵字名稱替換成地層本構模型庫中的塑性材料參數及本構模型；生成新的用于模型仿真計算的.inp文件。

圖2. 計算模型文件材料參數更新流程

以上流程實現的重點是在充分了解.inp文件數據結構的基礎上，通過Python編寫執行程序.py文件。如圖3、圖4所示，.py文件執行完成后，新生成的.inp文件中彈性材料參數已經更改為實際塑性材料參數，并添加了M-C塑性本構模型。

圖3. 初始.inp文件材料參數  圖4. 更新后.inp文件材料參數

 2.2 定義計算流程

（1）問題提出

在完成2.1中的操作后，需將新生成的.inp文件再次導入達索平臺進行計算，計算后如結果不能滿足要求一般還會涉及參數的調整，如此反復，操作復雜，因此有必要將此過程流程化，減少操作，提高計算效率。

（2）解決方案

可利用達索系統3DEXPERIENCE平臺中的ProcessComposer模塊將計算過程中的各分步進行組合，使之成為一個整體，將多個操作轉化成一個操作，提高計算效率。此外還可以將計算過程中需要調整的參數提取出來，便于修改。

（3）實現過程

以添加地層結構模型地質塑性參數及本構模型為例，通過ProcessComposer模塊將計算過程中各分步整合，圖5為整合流程，具體實現步驟為：下載本地文件，包括初始.inp文件、包含有參數信息的.txt文件以及執行材料更新過程的.py文件等，.py文件是主程序文件，.inp和.txt文件是程序執行過程中被調用的文件；設置參數，可將計算過程中的關鍵參數提取出來便于后期修改；執行.py文件，將初始.inp文件按.txt文件中的材料參數及本構模型進行更新；生成并上傳更新后的.inp文件；提交.inp文件到計算器，執行計算；生成并上傳計算結果文件（.odb文件）；打開生成的.odb文件，查看計算結果；當結果不滿足要求時，更改關鍵參數重新執行計算。

圖5. 將計算過程中各分步整合后的流程圖

3 .案例分析

依托某鐵路項目隧道工程BIM模型，開展隧道地層結構模型數值分析，主要實現過程如下：

 3.1 選取待分析段落BIM模型

在達索系統3DEXPERIENCE平臺中已建有某鐵路項目隧道工程BIM模型，在建模模塊中打開此模型并截取待分析段落的隧道主體結構及地質體，如圖6所示。由于BIM模型體現的是三維真實場景，因此較傳統模式下的計算分析其計算精度更高。

圖6. 需要計算的隧道BIM模型

 3.2 轉換BIM模型為計算模型

將截取后的隧道主體結構及地質體模型切換到計算模塊SIMULIA，按照添加材料參數→劃分單元網格→定義分析類型→定義接觸面→添加荷載→定義邊界條件的順序生成計算模型，由于計算模塊中不能添加地質體塑性參數，故此步僅需添加彈性參數，塑性參數及本構關系根據2.1方法在后續步驟中添加。生成的計算模型如圖7所示。

圖7. 基于隧道BIM模型生成的計算模型

 3.3基礎文件準備

計算過程中需要的基礎文件包括三部分：一是通過計算模型導出的.inp文件，二是定義材料參數的.txt文件，三是執行材料更新的.py文件。其中.py文件是通過Python編寫的執行文件，通過調用計算模型文件.inp和材料參數文件.txt生成更新材料參數的.inp文件。

 3.4定義計算流程

根據2.2中提出的計算流程，在達索系統3DEXPERIENCE平臺ProcessComposer模塊中定義數值分析計算過程，如圖8所示。

圖8. 在ProcessComposer模塊中定義計算過程

3.5 執行計算

在達索系統3DEXPERIENCE平臺ProcessComposer模塊中執行3.4中定義的計算流程，并生成計算結果，當結果不能滿足要求時，更改關鍵材料參數重新執行計算，操作過程簡單。圖9為整體模型豎向變形情況，圖10為隧道結構豎向變形情況。

圖9. 整體模型豎向變形

圖10. 隧道結構豎向變形

4. 結論

通過基于達索系統3DEXPERIENCE平臺的隧道地層結構模型數值分析研究，實現了地質體塑性材料參數及本構模型的添加，建立了旨在提高計算效率的整體計算流程，實現了隧道工程從BIM設計到數值分析的無縫銜接，成功解決了依托BIM模型進行數值分析的數據接口問題，相較于傳統數值分析方法其優勢主要體現在以下幾點：

（1）依托BIM模型開展數值分析，提高了計算模型精度，減少了計算過程中的建模工作量；

（2）成功解決了達索系統3DEXPERIENCE平臺計算模塊SIMULIA中不能添加塑性材料參數及本構模型的問題，擴大了軟件的適用范圍；

（3）從BIM設計到數值分析計算全部在達索系統3DEXPERIENCE平臺上開展，成功解決了傳統方法中依托BIM模型進行數值分析的數據接口問題；

（4）本文針對更新模型材料參數形成的研究方法具有普適性，對于模型分析過程中遇到的其它情況如隧道分部開挖同樣適用。

5 .參考文獻

1. 齊成龍. 達索3D體驗平臺橋墩建模分析一體化探索應用[J]，河南城建學院學報，2015，24（6）：31-36.

2. 張磊. 達索系統3DEXPERIENCE平臺橋梁建模分析一體化探索應用[J]，計算機輔助工程，2013，10（S2）：372-375.

6. 作者簡介

馮山群，1986年，工程師，2012年畢業于北京交通大學，隧道工程專業，碩士研究生。