建筑、工程與施工中的產(chǎn)品、自然與生命
土木工程迎來蓬勃發(fā)展的高潮。幾天前還是概念的創(chuàng)新性建筑，例如超級(jí)高鐵、海底酒店和定制3D打印建筑物等，正在走出幻想空間進(jìn)入現(xiàn)實(shí)。這些新穎的建筑或是用于在自然環(huán)境中輸送人類，或是保護(hù)人類免受自然環(huán)境傷害，或是便于人們與自然環(huán)境進(jìn)行交互。這些建筑所擁有的共性是產(chǎn)品、自然與生命間的微妙關(guān)聯(lián)構(gòu)成的。對(duì)樓宇、橋梁、隧道和水壩等常規(guī)土木工程建筑，存在相同的情況。圖1所示的是一種創(chuàng)新性鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，是為2010年上海世博會(huì)建造的“太陽谷(Sun Valley)”建筑之一。
圖1：為2010年上海世博會(huì)建造的鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。
圖片提供方：上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司
我們需要綜合性地思考產(chǎn)品、自然與生命，不僅是為開發(fā)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，也為提供理想的功能、確保安全和維護(hù)生態(tài)健康的可持續(xù)性。因此在規(guī)劃大型工程項(xiàng)目的過程中，例如城市開發(fā)、大型交通運(yùn)輸項(xiàng)目以及水壩和灌溉工程，需要將產(chǎn)品、自然和生命的作用結(jié)合起來考慮。我們?cè)撛鯓硬拍茉谕聊窘ㄖ脑O(shè)計(jì)過程中將產(chǎn)品、自然和生命結(jié)合起來？這需要通過現(xiàn)實(shí)仿真來完成。這種仿真能夠反映精確幾何構(gòu)造和材料屬性、物理和自然過程的逼真表達(dá)以及根據(jù)人們經(jīng)驗(yàn)做出的合理預(yù)測(cè)。這種仿真除了需要滿足保證建筑安全性的重要需求，還需要反映建造過程和施工順序，可靠地估算建造成本和維護(hù)成本。共同的行業(yè)挑戰(zhàn)
大型建筑項(xiàng)目由于建筑過程中發(fā)生意外事件或設(shè)計(jì)變更，常常造成成本超支和工程延期。眾所周知的，任何建筑項(xiàng)目都需要在成本、時(shí)間和質(zhì)量間保持平衡，才能盡可能實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的盈利性、安全性和可持續(xù)性。在建筑項(xiàng)目中，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師首先需要構(gòu)思出適合于建筑預(yù)定功能的概念設(shè)計(jì)。需要明確可能的結(jié)構(gòu)載荷，同時(shí)概念設(shè)計(jì)需要考慮這些載荷在結(jié)構(gòu)中如何高效地傳遞并分配給地基。這一階段的任何錯(cuò)誤或不當(dāng)設(shè)計(jì)選擇都會(huì)給最終效果造成嚴(yán)重的時(shí)間與成本影響。如果結(jié)構(gòu)組件是預(yù)制件，那么預(yù)制件和最終結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要依據(jù)制造預(yù)制件的難易程度，因其往往包含專門設(shè)計(jì)的新材料。此外還需要考慮這些部件的運(yùn)輸和最終裝配過程。因此有必要在早期設(shè)計(jì)選擇如何影響建造過程、建造用時(shí)和建造成本開展完整研究。此外該研究需要迅速完成，而且也需要提供綜合全面的數(shù)據(jù)，以便讓建筑師和工程師正確地比較不同的概念設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)選定后，工程師需要構(gòu)思足夠詳細(xì)的最終設(shè)計(jì)方案。當(dāng)建造進(jìn)入實(shí)施階段，建筑的部分部件可能需要在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上做改動(dòng)。在這種情況下，我們需要能夠迅速發(fā)現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)修改給最終產(chǎn)品的安全性和可靠性造成的影響。同時(shí)需要更新最終設(shè)計(jì)，并且關(guān)于后續(xù)修改的信息需要準(zhǔn)確、及時(shí)地傳遞給施工現(xiàn)場的工程師。仿真的作用
在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬或圖形仿真模型能幫助完成概念設(shè)計(jì)，將多種標(biāo)準(zhǔn)納入考慮范圍，例如布局、位置、景觀和光照。此外逼真渲染能用于提高設(shè)計(jì)表達(dá)的真實(shí)度，增加它們對(duì)客戶的價(jià)值。在工程領(lǐng)域，虛擬表達(dá)能用于改善結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型。這些構(gòu)型隨后能用在計(jì)算分析中，以預(yù)測(cè)施加載荷和支撐條件下的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力。在這樣的仿真分析完成后，可以顯示和核驗(yàn)預(yù)測(cè)的數(shù)值。以這些數(shù)值為依據(jù)，工程師就能確定計(jì)劃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和安全性，然后完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在施工領(lǐng)域，最終設(shè)計(jì)隨后用于使用合適的仿真工具進(jìn)行材料評(píng)估、規(guī)劃施工順序、管理施工過程。可以看出，仿真對(duì)任何土木工程項(xiàng)目的三個(gè)階段，即概念與建筑設(shè)計(jì)階段、工程設(shè)計(jì)階段和施工階段都有幫助。盡管這三個(gè)階段各有單獨(dú)的仿真工具可供選擇使用，但在項(xiàng)目的不同階段間傳遞信息時(shí)，可能發(fā)生信息缺失。因此土木工程項(xiàng)目需要能夠無縫地連接建筑、工程與施工階段的仿真工具。達(dá)索系統(tǒng)就能提供這樣的仿真工具。達(dá)索系統(tǒng)在3DEXPERIENCE®平臺(tái)上提供的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工(Structure Design for Fabrication)流程專門開發(fā)用于為工程師和建筑師提供統(tǒng)一功能，能夠虛擬地表達(dá)概念設(shè)計(jì)、開展工程分析、分析施工順序、整體管理多個(gè)建筑項(xiàng)目，同時(shí)保持對(duì)單個(gè)構(gòu)建的追蹤。其為項(xiàng)整個(gè)項(xiàng)目提供一種獨(dú)特表達(dá)，能夠讓多名用戶同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，根據(jù)各自的需要獲取信息。任何構(gòu)件的變更都能反映到整個(gè)項(xiàng)目中，包括對(duì)項(xiàng)目日程的影響以及對(duì)結(jié)構(gòu)載荷和響應(yīng)的可能影響。除了在3DEXPERIENCE平臺(tái)上提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工(Structure Design for Fabrication)流程，達(dá)索系統(tǒng)還為復(fù)雜仿真與分析提供使用Abaqus®仿真軟件的解決方案，適合于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、損傷結(jié)構(gòu)仿真、隧道和地基基礎(chǔ)力學(xué)分析以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析。在下面的章節(jié)中，我們將介紹部分應(yīng)用Abaqus仿真軟件模擬橋梁和建筑物設(shè)計(jì)和施工的例子。橋梁仿真
從達(dá)索系統(tǒng)CATIA®模型入手，使用3DEXPERIENCE平臺(tái)上的物理應(yīng)用就能為橋面上列車移動(dòng)等現(xiàn)象創(chuàng)建仿真模型和執(zhí)行仿真分析。如圖2所示的例子。一個(gè)典型箱梁橋的雙平衡懸臂梁先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行有限元分析。讓一列標(biāo)準(zhǔn)的TGV列車通過跨距，在車輪位置施加適當(dāng)?shù)妮S向荷載。車輪被視為質(zhì)點(diǎn)，在質(zhì)點(diǎn)位置因重力作用施加垂直荷載。定義質(zhì)點(diǎn)與橋面板間的接觸條件，讓質(zhì)點(diǎn)集沿橋面縱向平移，以仿真列車通過。圖2所示的是列車產(chǎn)生的移動(dòng)荷載沿橋梁縱向的拉應(yīng)力分量云圖。由于列車的重量是由橋面的懸臂部分承擔(dān)，沿靠近橋墩的橋面表面可以觀察到高拉伸應(yīng)力。盡管分析中對(duì)橋面只使用了彈性屬性，為獲得更逼真的結(jié)果，需要結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土使用其他合適的材料模型。在需要預(yù)測(cè)橋梁對(duì)地震和極端荷載等場景的響應(yīng)時(shí)，后者是必不可少的。
圖2：橋梁軸向拉應(yīng)力云圖。拉應(yīng)力由列車產(chǎn)生的移動(dòng)載荷產(chǎn)生。
圖3所示的是美國明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯I-35號(hào)高速公路跨越密西西比河的鋼桁架拱橋的照片， 該橋長1,907英尺、共八車道，該橋于2007年8月1日倒塌。美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)和其他政府機(jī)構(gòu)細(xì)致地調(diào)查了這次坍塌事故，并且開展了詳細(xì)的有限元分析[參考資料1]。圖3：2007年坍塌的密西西比河鋼桁架拱橋的照片。
圖片提供方：美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)[參考資料1]
圖4是坍塌開始時(shí)一段該橋梁的特寫照。使用Abaqus仿真軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)板和連接進(jìn)行了詳細(xì)分析。分析得出的結(jié)論認(rèn)為倒塌發(fā)生的原因是節(jié)點(diǎn)板厚度不夠，不足以承擔(dān)增大的載荷。載荷增大的原因包括對(duì)橋梁本身的改造以及坍塌當(dāng)日橋梁上的建筑活動(dòng)造成的集中載荷增加。圖中云圖顯示的是馮·米塞斯(Von Mises)應(yīng)力值。圖4：坍塌發(fā)生時(shí)橋梁段的特寫照。顯示馮·米塞斯應(yīng)力值云圖。
圖片提供方：美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)[參考資料1]
建筑物仿真
3DEXPERIENCE平臺(tái)應(yīng)用CATIA建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序提供了建筑物建模和仿真的無縫連接。在本例中，我們?yōu)閳D5所示的25層鋼結(jié)構(gòu)建筑物建模。柱和梁采用有代表性的鋼構(gòu)件。研究的場景是位于建筑物中心的一套鋼性柱喪失支撐力造成的影響。圖5所示的是重力作用下的垂直位移云圖。中心位置喪失支撐的影響是該區(qū)域中的位移更大。分析中只考慮結(jié)構(gòu)的靜載荷。圖5：建筑物因靜載荷產(chǎn)生的垂直位移。可以在中心區(qū)域看到更大的位移。
圖6所示是因中心位置喪失支撐的鋼構(gòu)件彎矩云圖。顯而易見，支撐的喪失導(dǎo)致建筑物中下部的彎矩增加。圖6：鋼構(gòu)件中的彎矩云圖。可以在建筑物中下部分看到更大的彎矩。
下面的例子展現(xiàn)的是使用Abaqus仿真軟件開展的考慮了材料屈服與損傷的建筑物動(dòng)態(tài)時(shí)程分析[參考資料2]。對(duì)大連小平島(Dalian Xiaoping Island)單元樓的試設(shè)計(jì)展開分析，并對(duì)圖7所示的剪力墻特性變化的特定樓層的塑性應(yīng)變進(jìn)行了初步調(diào)查。。本圖中的云圖是最大主塑性應(yīng)變值。圖7：剪力墻最大主塑性應(yīng)變?cè)茍D[參考資料2]
圖8所示的是為2010年上海世博會(huì)建造的“陽光谷”建筑之一。這些建筑為單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由矩形截面的空心鋼管組成，頂環(huán)的鋼構(gòu)件為實(shí)心。這樣的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性必須通過詳細(xì)的分析予以確定。
圖8：2010年上海世博會(huì)建造的“陽光谷”建筑之一。
圖片提供方：上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司。
圖9所示的是“陽光谷”建筑之一在典型荷載條件下的塑性應(yīng)變?cè)茍D。Abaqus仿真軟件對(duì)于這些類型的分析的優(yōu)勢(shì)在于能夠用同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性的非線性求解器，同時(shí)還能夠考慮材料的受損累積。圖9：“陽光谷”建筑之一在典型荷載條件下的塑性應(yīng)變?cè)茍D。
圖片提供方：上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司
上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司(SXDA)一直使用達(dá)索系統(tǒng)提供的解決方案設(shè)計(jì)創(chuàng)新性建筑結(jié)構(gòu)[參考資料3]。這些解決方案讓上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司在保證項(xiàng)目的質(zhì)量與卓越的同時(shí)，最大限度地節(jié)約成本。上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司已經(jīng)完成多項(xiàng)創(chuàng)新性建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括上海國際金融中心、北京中央電視臺(tái)大樓、證大喜馬拉雅藝術(shù)中心(Zendai Himalayan Art Center)和太湖明珠國際大酒店(Taihu Pearl Hotel)。證大喜馬拉雅藝術(shù)中心外形為采用曲面的仿生學(xué)設(shè)計(jì)。上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司使用CATIA軟件表達(dá)曲面構(gòu)形，利用達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA®品牌的ABAQUS仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了仿真。。Abaqus仿真軟件幫助上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司確定需要進(jìn)一步增強(qiáng)的位置和可以降低強(qiáng)度的位置。通過這些優(yōu)化研究，上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司得以讓建筑的用鋼量降低10%。對(duì)于如圖10所示的央視大樓以及國際金融中心(World Financial Center)等超高層建筑，上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司使用Abaqus仿真軟件開展仿真，考慮了幾何非線性和材料非線性、材料損傷以及地震激勵(lì)造成的材料損傷對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。
圖10：北京央視大樓。
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結(jié)論：
現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)需要使用創(chuàng)新外觀與新材料。需要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這類建筑的結(jié)構(gòu)行為，以實(shí)現(xiàn)和保證結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性與實(shí)用性。3DEXPERIENCE平臺(tái)提供了建筑物建模和仿真的無縫連接?？梢允褂孟嚓P(guān)工具創(chuàng)建模型、網(wǎng)格劃分和分析。對(duì)更加復(fù)雜的情況，可以使用Abaqus仿真軟件提供的高級(jí)分析功能，例如將損傷考慮在內(nèi)的非線性彈塑性分析、針對(duì)地基和隧道的孔隙流耦合分析、涵蓋熱效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)的多物理場分析以及瞬態(tài)地震分析。參考資料：1.Collapse of I-35W Highway Bridge, Minneapolis, Minnesota; Highway Accident Report,2.NTSB, NTSB/HAR-08/03, PB2008-916203, Notation 7975C, November 14, 2008.Dongya An, Chengming Li, Jiahua Zhang, Jiachun Cui, Wei Tian; The Engineering Practice of Elasto-plastic Dynamic Time-history Analysis on Complex Building Structures Using Abaqus,3.SIMULIA Customer Conference, 2010.《上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司借助達(dá)索系統(tǒng)PLM解決方案打造世界頂級(jí)建筑：DS PLM成功案例》，達(dá)索系統(tǒng)，2010年。
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