天河超級(jí)計(jì)算機(jī)的城市爆炸毀傷效果評(píng)估方法探析

彭修乾

（國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心，天津300457）

1 概述

天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)是我國(guó)首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，在2010 年11 月世界超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500 排名中位列世界第一，標(biāo)志著我國(guó)自主研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的綜合技術(shù)水平進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。BIM（建筑信息模型）技術(shù)的發(fā)展，使得精確、準(zhǔn)確的記錄建筑樓房和城市的建筑信息成為可能，在其基礎(chǔ)上可以開展多種應(yīng)用，諸如施工模擬、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、虛擬漫游等。目前在天河超級(jí)計(jì)算平臺(tái)上已經(jīng)部署了天河BIM云系統(tǒng)，進(jìn)行BIM領(lǐng)域的相關(guān)開發(fā)和應(yīng)用。爆炸分析包括四個(gè)內(nèi)容，即炸藥爆轟、爆炸荷載的生產(chǎn)、傳播、流固耦合以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如果需要完成計(jì)算四個(gè)內(nèi)容，則需要整個(gè)計(jì)算中包括全部的計(jì)算流程；如果只關(guān)注結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，則將爆炸壓力- 時(shí)程載荷直接加載到結(jié)構(gòu)上，或者輔以修正的方法進(jìn)行計(jì)算。不同的軟件和計(jì)算方法針對(duì)上述過程都會(huì)有相應(yīng)的求解方案。目前在爆炸毀傷效果評(píng)價(jià)方面，主要有以下不足：（1）由于軟硬件設(shè)備的限制，大部分毀傷評(píng)價(jià)計(jì)算規(guī)模普遍偏小，對(duì)模型進(jìn)行了較大程度的簡(jiǎn)化，結(jié)果評(píng)價(jià)可靠度低；（2）城市建筑群的爆炸計(jì)算涉及計(jì)算結(jié)構(gòu)多而且復(fù)雜，所以實(shí)際計(jì)算更多的是粗化的建模，類似堆積木的方法建立樓房模型，細(xì)節(jié)考慮較少；（3）傳統(tǒng)的計(jì)算，需要人工不斷的調(diào)整模型，未形成有效的模型建立規(guī)范；（4）沒有形成自動(dòng)化的求解設(shè)置，使得陷于模型求解的繁復(fù)工作中。

為解決上述問題，本文提供基于天河超級(jí)計(jì)算機(jī)和爆炸計(jì)算配置優(yōu)化方法，可以快速的建立仿真求解模型和匹配相應(yīng)的軟硬件資源，為城市級(jí)的規(guī)劃和防護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)支撐。

2 基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的爆炸計(jì)算配置方法

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本文提供以下思路：一種基于天河超級(jí)計(jì)算機(jī)的城市爆炸毀傷效果評(píng)估方法，通過BIM模型提取城市建筑物典型分析特征，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的仿真模型搭建和求解設(shè)置規(guī)則，在仿真軟件平臺(tái)和天河超級(jí)計(jì)算平臺(tái)上開發(fā)建模和求解展示程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的仿真模型搭建、求解計(jì)算和展示功能定制，快速便捷的實(shí)現(xiàn)城市爆炸毀傷效應(yīng)評(píng)估。

本評(píng)估方法在使用時(shí)會(huì)有具體的默認(rèn)設(shè)置，計(jì)算時(shí)需設(shè)置幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，交由評(píng)估方法自動(dòng)的完成模型搭建、求解計(jì)算、展示，必要時(shí)也可以人工干預(yù)。

其中，空氣沖擊波峰值超壓pm采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

2.1 BIM模型典型特征提取

根據(jù)分析目的和需要，提取分析對(duì)象特征尺寸和相對(duì)位置關(guān)系。

2.2 定制化的仿真模型搭建功能

根據(jù)提取的特征尺寸，在充分理解建筑繪圖和仿真計(jì)算原理的基礎(chǔ)上，利用自下而上的方法繪制依次繪制點(diǎn)、線、面、體，最終形成適用于仿真計(jì)算的幾何模型，也可手工建立幾何模型。

根據(jù)分析目的和需要，確定爆炸分析階段、有無遮擋反射、近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)、精度、前后處理界面友好度、網(wǎng)格質(zhì)量要求等區(qū)分內(nèi)容，依據(jù)上述選定分析的計(jì)算軟件和對(duì)應(yīng)求解方法。

在上述幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算軟件和界面中對(duì)網(wǎng)格的要求，生成適應(yīng)仿真計(jì)算需要的建筑物網(wǎng)格和流體網(wǎng)格（根據(jù)分析手段不同，有選擇的生成流體網(wǎng)格）；默認(rèn)基本的網(wǎng)格生成設(shè)置，根據(jù)分析關(guān)注點(diǎn)可以調(diào)整相應(yīng)選項(xiàng)，達(dá)到細(xì)化關(guān)注區(qū)域網(wǎng)格的目的，并最終有選擇的實(shí)現(xiàn)部件耦合連接。

依據(jù)計(jì)算軟件和求解方法，設(shè)置爆炸計(jì)算模型相關(guān)參數(shù)：由默認(rèn)材料庫中選擇使用的材料屬性和失效準(zhǔn)則，并在指定爆炸位置設(shè)置起爆點(diǎn)和TNT 當(dāng)量；對(duì)于計(jì)算爆炸四個(gè)階段的方法，需要設(shè)置流固耦合的參數(shù)；對(duì)于位置遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)的方法，可以采用一維計(jì)算結(jié)果映射技術(shù)來節(jié)省計(jì)算時(shí)間；對(duì)于只是計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的方法，可以加載超壓曲線。

通過仿真軟件平臺(tái)開發(fā)將上述幾個(gè)步驟固化，形成可以針對(duì)多個(gè)軟件、多個(gè)方法優(yōu)化的模型生成方案；通過上述幾個(gè)步驟，生成計(jì)算模型進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

2.3 定制化的仿真模型求解功能

通過對(duì)部署在天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)上的仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)性、多因素的效率和資源耗費(fèi)測(cè)試，總結(jié)出不同軟件和模塊、不同模型計(jì)算規(guī)模的最優(yōu)硬件資源布置配比，據(jù)此建立針對(duì)仿真軟件的天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)資源部署方案。

在上述方案基礎(chǔ)上開發(fā)仿真模型求解設(shè)置程序，內(nèi)嵌硬件資源部署方案，配合天河超級(jí)計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)，啟動(dòng)軟件并分配最佳的硬件資源，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿真模型求解功能。

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)果展示

經(jīng)過以上步驟得到數(shù)值仿真結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定義的視圖結(jié)果展示，由于對(duì)結(jié)果展示的需求度不同，也可采取手動(dòng)的方式制作展示效果。在仿真結(jié)果中可以記錄沖擊波作用強(qiáng)度，查看分析對(duì)象在爆炸載荷作用下的毀傷效果，有針對(duì)性的進(jìn)行防護(hù)規(guī)劃和相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 具體實(shí)踐

一種基于天河超級(jí)計(jì)算機(jī)的城市爆炸毀傷效果評(píng)估方法，對(duì)發(fā)生在天津?yàn)I海新區(qū)的爆炸進(jìn)行模擬分析來評(píng)估爆炸對(duì)周邊建筑物的毀傷破壞效應(yīng)，展示本方法在確定侵蝕邊界中的具體應(yīng)用步驟。

天津?yàn)I海新區(qū)的爆炸當(dāng)量，官方估計(jì)450 噸TNT。如圖1 所示，爆炸點(diǎn)1 周邊有集裝箱2、派出所3、高速公路橋4、汽車5、輕軌站6、海關(guān)大樓7 和空氣域8，西側(cè)500m 外是一個(gè)擁有BIM模型工業(yè)園區(qū)。圖1 中是建立的包括多個(gè)分析對(duì)象的幾何模型，本次爆炸分析的目的分析包括玻璃、墻壁、車輛等結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下的損壞情況，具體介紹以集裝箱和海關(guān)大樓為主。

圖1 爆炸點(diǎn)附近建筑布置

圖2 樓房精確建模網(wǎng)格

3.1 幾何建模

根據(jù)爆炸點(diǎn)周邊的環(huán)境，利用已有的部分建筑的BIM模型提取典型特征尺寸，比如樓房的幾個(gè)角點(diǎn)和窗框尺寸位置、墻壁厚度、玻璃的厚度大小以及位置、樓板的尺寸和厚度、柱子高度和半徑、梁的長(zhǎng)度和半徑等參數(shù)。

3.2 仿真模型搭建

根據(jù)從BIM模型提取的特征尺寸，建立圖1 的整體爆炸毀傷模型，其中沒有BIM模型的集裝箱和高架橋結(jié)構(gòu)，采用測(cè)量的方法獲得相關(guān)參數(shù)；另外有開放的汽車仿真模型，所以可直接讀入本爆炸評(píng)估方法。

爆炸分析的四個(gè)階段，本次分析都涉及到針對(duì)爆炸點(diǎn)近處堆放的集裝箱。如圖3 所示，需要計(jì)算從爆炸開始、炸藥載荷的傳播、流固耦合和結(jié)構(gòu)響應(yīng)四個(gè)方面，而且是近場(chǎng)、后排集裝箱有遮擋，依據(jù)此計(jì)算要求，選擇用仿真軟件LS-DYNA 進(jìn)行仿真分析；對(duì)于遠(yuǎn)處的海關(guān)大樓，如圖1 所示，與爆炸點(diǎn)之間沒有高層的遮擋，而且中間距離800m，如果建立空間域分析，空氣網(wǎng)格會(huì)占用大部分計(jì)算資源，所以采用計(jì)算出來海關(guān)大樓處的沖擊波超壓時(shí)程曲線加載到結(jié)構(gòu)上的計(jì)算方法，選用ABAQUS計(jì)算軟件來模擬。其他分析對(duì)象也用類似方法得到相應(yīng)的使用軟件。

計(jì)算集裝箱、派出所時(shí)，采用流固耦合的計(jì)算方法，所以在自身網(wǎng)格之外還需要生成空氣域網(wǎng)格；海關(guān)大樓采用直接加載沖擊波沖壓時(shí)程曲線的方式，所以不用生成空氣域網(wǎng)格，只生成樓房自身各結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在關(guān)注區(qū)域，比如梁柱和樓板接觸區(qū)域時(shí)，適當(dāng)加密網(wǎng)格，并實(shí)現(xiàn)連接區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的連接，以傳遞計(jì)算數(shù)據(jù)。

在集裝箱和海關(guān)大樓模擬計(jì)算分別采用LS-DYNA和ABAQUS 兩個(gè)軟件之后，根據(jù)已建立的材料庫，分別給各個(gè)部件賦予材料屬性和失效原則。在集裝箱的計(jì)算中設(shè)置起爆點(diǎn)坐標(biāo)，并將一定體積的空氣域單元賦予TNT 的屬性，另外設(shè)置空氣域和集裝箱的流固耦合，實(shí)現(xiàn)爆炸計(jì)算數(shù)據(jù)的傳遞；在海關(guān)大樓處，由于加載超壓時(shí)程曲線，所以不需要設(shè)置起爆點(diǎn)，只要給定TNT 和距離海關(guān)大樓的相對(duì)距離即可。

其他分析對(duì)象采用類似的方法，也可以完成仿真模型的制作。

3.3 求解設(shè)置

針對(duì)與LS-DYNA 和ABAQUS 兩個(gè)軟件，經(jīng)過多因素的系統(tǒng)測(cè)試得到這兩個(gè)軟件不同的模塊和不同計(jì)算規(guī)模在天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上的效率和占用資源對(duì)比，總結(jié)這些測(cè)試結(jié)果，得到如何針對(duì)模型做最優(yōu)的資源部署方案。

開發(fā)仿真求解設(shè)置程序時(shí)，需要參考上述的資源部署方案，并配合天河的調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)接口以備隨時(shí)可以啟動(dòng)軟件和分配資源，完成仿真模型計(jì)算。

3.4 仿真結(jié)果展示

仿真模型計(jì)算完畢后，可以通過后處理界面實(shí)現(xiàn)預(yù)定義的視圖結(jié)果提取。由于不同人員有不同的關(guān)注點(diǎn)，其也可以操作界面選擇輸出的視圖。通過LS-DYNA 和ABAQUS 兩個(gè)軟件，可以觀察到?jīng)_擊波沖壓值和結(jié)構(gòu)自身發(fā)生的響應(yīng)，集裝箱結(jié)構(gòu)在沖擊波作用下已經(jīng)發(fā)生損毀，海關(guān)大樓的玻璃和部分墻面也發(fā)生損毀。另外根據(jù)超壓值并輔以超壓對(duì)人體影響的表，可以得到爆炸對(duì)人體的危害程度。相關(guān)圖片展示，參照?qǐng)D3、4。

4 結(jié)論

本文建立了一種基于天河超級(jí)計(jì)算機(jī)的城市爆炸毀傷效果評(píng)估方法，利用BIM模型提取城市建筑物典型分析特征，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的仿真模型搭建和求解設(shè)置規(guī)則，在仿真軟件和天河超級(jí)計(jì)算平臺(tái)上開發(fā)建模和求解展示程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的仿真模型搭建、求解計(jì)算和展示功能定制，快速便捷的實(shí)現(xiàn)城市爆炸毀傷效應(yīng)評(píng)估。

圖3 集裝箱破壞效果

圖4 建筑破壞效果

本方法可以達(dá)到以下效果：將天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的求解能力、特別是超常勝任超大規(guī)模數(shù)值模型求解的能力應(yīng)用到城市爆炸危害效應(yīng)分析計(jì)算中去，加快用于城市規(guī)劃或建筑防護(hù)的決策；實(shí)現(xiàn)精細(xì)、準(zhǔn)確的城市模型搭建，減少不必要的細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化；根據(jù)建立的仿真模型建模規(guī)范，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模，減少人工的重復(fù)工作和人工干預(yù)；實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)求解設(shè)置和設(shè)置規(guī)則化，達(dá)到計(jì)算最優(yōu)的軟硬件配置，無需每次都測(cè)試計(jì)算配置。