BIM與數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的跨平臺應(yīng)用

摘要：當前，水利工程三維設(shè)計領(lǐng)域的研究聚焦于仿真分析模型的構(gòu)建，然而精細結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建往往耗時長、效率低，影響研究進度與質(zhì)量。為加速研究進程并提升模型質(zhì)量，文章采用將BIM三維設(shè)計軟件與Flow-3D流體動力學(xué)計算軟件及Midas-GTS巖土有限元分析軟件相結(jié)合的方式，基于Microstation平臺，探索軟件平臺的協(xié)同應(yīng)用，形成標準化的高精度仿真分析模型的構(gòu)建流程，模型的功能包括BIM（建筑信息模型）模型的簡化導(dǎo)出、數(shù)值模擬導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、邊界條件輸入以及計算結(jié)果與三維模型結(jié)合展示等。該研究旨在提升高精度仿真分析模型的構(gòu)建效率，為水利工程三維設(shè)計提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)模型與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：BIM；Flow-3D；Midas-GTS；水利工程；數(shù)值模擬

中圖分類號：S157 " " " 文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0083-04

0 引言

當前，水利工程三維設(shè)計領(lǐng)域的研究涉及工程與水體、土體之間互相作用的分析，這些分析包括工程對河道生態(tài)系統(tǒng)的影響、海岸潮浪對岸坡的影響、站身閘室對地基的影響以及基坑開挖中土體的作用力等多個方面［1-4］。傳統(tǒng)的分析方法大多依賴于經(jīng)驗或采用設(shè)計規(guī)范中的理論公式計算水力、土力參數(shù)，而隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)了很多用水動力與巖土數(shù)值模擬的計算軟件，這些軟件可用以求解相對復(fù)雜的水力和土力學(xué)問題。例如，張北辰等［5］ 基于水動力模型，通過識別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，構(gòu)建重點區(qū)域的精細化模型，用以評估洪水風(fēng)險。王睿等［6］指出物理和數(shù)值實驗技術(shù)的進步為沙土液化的深入研究提供了強大的支持，運用本構(gòu)模型，準確地預(yù)測土與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的相互作用。此外，這些數(shù)值模擬軟件還可以計算水閘過流能力、地基承載力及沉降滲流量等，用于解決實際水利設(shè)計問題［7-10］，能夠提升水利工程的設(shè)計質(zhì)量。其中，使用較多的軟件包括Flow-3D流體動力學(xué)計算軟件和Midas-GTS巖土有限元分析軟件，此類軟件可進行復(fù)雜水力學(xué)和土力學(xué)的數(shù)值模擬，多應(yīng)用于建立仿真分析模型。然而，高精度仿真分析模型的建立過程耗時長，嚴重影響設(shè)計進度；而模型過度簡化又難以滿足復(fù)雜設(shè)計的要求，需要借助三維建模軟件建立研究對象的三維模型，然后導(dǎo)入數(shù)值模擬計算軟件。因此，結(jié)合三維建模軟件高效構(gòu)建高精度仿真分析模型，為水利工程三維設(shè)計提供高質(zhì)量的研究對象，對加速該領(lǐng)域研究進程具有重要意義。

本文引入BIM三維設(shè)計軟件Microstation，該軟件主要用于水利工程三維模型的構(gòu)建。通過研究Microstation與數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的跨平臺應(yīng)用途徑，針對Flow-3D和Midas-GTS兩款軟件的特點，分別研究其結(jié)合應(yīng)用的過程，提出一套標準化的操作程序，包括從BIM軟件中高效導(dǎo)出三維模型、對模型進行簡化處理、將模型導(dǎo)入數(shù)值模擬進行計算、執(zhí)行計算分析以及將計算結(jié)果融入三維模型進行展示等，不僅為水利工程三維設(shè)計提供了強有力的技術(shù)支持，還極大地便利同行之間的經(jīng)驗交流和成果借鑒。

1 BIM與Flow-3D水動力數(shù)值模擬相結(jié)合的跨平臺應(yīng)用

Flow-3D軟件是由美國Flow Science公司研發(fā)的一款三維水動力專業(yè)分析軟件，它具備強大的功能性、易用性以及適合水專業(yè)工程的特點，因此在流體力學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該軟件界面直觀清晰，易于操作，集成了幾何模型導(dǎo)入、網(wǎng)格生成、邊界條件定義、計算求解和計算結(jié)果后處理等功能模塊，使用戶能快速地完成從仿真專案設(shè)定到結(jié)果輸出的過程，而不需要借助其他額外的處理軟件。Flow-3D憑借其強大的圖像整合能力，在水利行業(yè)展現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值，它不僅能進行溢洪道流程計算、壩體安全評估，還能進行、取水口及取水道分析、潰壩分析、水閘計算、魚道設(shè)計、波浪模擬等。

1.1 模型輸出格式

Microstation的主要3D輸出格式有sat、obj、x_t、skp和STL，其中STL（stereolithography，光固化立體造型術(shù)）格式是唯一能直接被Flow-3D軟件識別的格式。STL文件格式作為一種三維圖形文件格式，由3D Systems 公司于1988 年制定，專為快速原型制造技術(shù)服務(wù)。該格式由多個三角形面片的定義組成，每個面片包含其頂點三維坐標及法矢量信息。

STL模型本質(zhì)上是一個由三角形集合表示物體外形的幾何模型。在實際應(yīng)用中，STL模型數(shù)據(jù)需經(jīng)過檢驗，主要包括有效性檢查和封閉性檢查。有效性檢查旨在排查模型的裂隙、孤立邊等幾何缺陷；封閉性檢查則確保所有三角形面片共同構(gòu)成一個內(nèi)外封閉的幾何體。

由于STL模型僅記錄物體表面的幾何位置信息，缺乏描述幾何體之間關(guān)系的拓撲信息，因此在重建實體模型時，憑借位置信息重建拓撲信息成為關(guān)鍵步驟。此外，由于實際應(yīng)用中的多數(shù)產(chǎn)品零件是由規(guī)則幾何形體經(jīng)拓撲運算得到的，因此對于結(jié)構(gòu)件模型的重構(gòu)而言，拓撲關(guān)系的重建尤為重要。Microstation 輸出菜單中三維模型文件類型的第五個選項為STL文件的輸出，點選后可根據(jù)需求選擇一個或多個部件輸出為STL文件。

1.2 模型簡化

本研究以許浦港閘工程為例進行模型構(gòu)建的說明。完整的BIM模型包括泵閘主體、河道護坡護底、護岸結(jié)構(gòu)物等。然而，水流模型計算通常不涉及岸上建筑物，因此在整理模型階段，需剔除岸上部分和場平模型。BIM模型中雖然包含閘室、泵機、板梁、閘門、橋梁、樁基等多種結(jié)構(gòu)，但是這些非接觸水體部分對水流計算并無幫助，并且過多的結(jié)構(gòu)物導(dǎo)入會影響計算結(jié)果的顯示，因此需精簡模型，刪除不必要的部件。經(jīng)過此步驟，一個可用于水動力計算的3D模型基本完成，隨后可導(dǎo)入Flow-3D軟件中進行后續(xù)的水動力模擬與分析。

1.3 模型導(dǎo)入及檢查

將模型導(dǎo)出為STL文件并導(dǎo)入Flow-3D軟件，導(dǎo)入的STL文件的一般屬性均為solid，由于Flow-3D計算軟件采用的是六面體網(wǎng)格，利用FAVOR技術(shù)可有效驗證幾何體是否能在模型中不被正確識別。網(wǎng)格越小，反映的幾何特征越精細；網(wǎng)格越少，結(jié)構(gòu)物越粗糙。模型結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的異色和異形現(xiàn)象表明在水動力計算過程中出現(xiàn)了空隙和空洞，這兩種異常最終導(dǎo)致模型網(wǎng)絡(luò)計算錯誤，其原因通常是幾何體過于薄造成。改善此缺陷的方法有兩種，一是增加幾何體的厚度，二是減小網(wǎng)格尺寸。通常優(yōu)先選擇前者，這是因為減小網(wǎng)格尺寸會增加計算量，即使僅對問題區(qū)域進行局部加密，也會因網(wǎng)格分區(qū)復(fù)雜化而增加工作量。此外，原本存在于3D模型中的兩個閘門在FAVOR網(wǎng)格檢驗中均消失，說明閘門幾何部件細小，難以在Flow-3D中精確再現(xiàn)，因此需要對閘門進行概化處理。與此同時，流體會產(chǎn)生FAVOR效果，即除研究區(qū)域外，其他地方也出現(xiàn)了水體，雖然這些多余的水體對計算結(jié)果的影響不大，但是會影響計算結(jié)果的展示和分析，因此需要對整個3D模型進行垂向調(diào)整，使計算區(qū)域以外盡可能不出現(xiàn)多余的水體。

1.4 模型調(diào)整及設(shè)置

本次水動力計算僅考慮水閘過流的水動力計算，調(diào)整模型過程中采用了直接刪除泵房結(jié)構(gòu)物及優(yōu)化水體空間的方法，即對非必要的水體空間采用將二維面拉伸成三維體的方式進行填充。在BIM軟件中，根據(jù)FAVOR分析結(jié)果對模型進行調(diào)整，主要檢查接縫部位，采用新建體的方式填補發(fā)現(xiàn)的空隙，并增加幾何體厚度，確保所有組件的最低面均低于計算區(qū)域的最低邊界，從而避免水動力模型構(gòu)建時產(chǎn)生不必要的水體區(qū)域。調(diào)整完畢的模型導(dǎo)入Flow-3D進行FAVOR檢驗，雖然表面有一些不平整，并伴有橙色提示點，但是整體上無空隙存在。增加水體，進行FAVOR復(fù)查，模型底部無水體積聚，此時代表模型可以進行水動力計算分析。

在建立水動力模型的過程中，需考慮計算方案，并比較閘墩長度、閘門寬度等。3D模型必須分成多個STL文件分別導(dǎo)入水動力模型，對于不需要進行方案比較的部分，可以在導(dǎo)入時對其進行合并處理。以許浦港泵閘為例，假設(shè)需要對比閘墩長度，此時應(yīng)將上下游閘墩作為獨立的STL文件導(dǎo)入水動力模型，閘門作為可移動結(jié)構(gòu)物單獨生成STL幾何體。閘門作為計算過程中可以移動的部分，需要對其移動方式進行針對性的描述。閘門開啟方式為上下移動，因此選用“Prescribed Velocities”，并用“Tabular”輸入閘門移動的距離和時間的關(guān)系曲線。

1.5 計算結(jié)果后處理

由于網(wǎng)格數(shù)量較多，計算結(jié)果輸出時步較密，因此計算結(jié)果龐大。雖然Microstation與Flow-3D之間缺少通用接口，難以通過3D模型直接展示水流動態(tài)，但是Flow-3D自帶的后處理界面支持STL文件導(dǎo)入，這為整合3D模型的展示提供了可能。計算結(jié)果包含豐富的信息，主要表現(xiàn)形式有自由表面、剖面流態(tài)及流線等。

（1）自由表面?？梢哉{(diào)整水體透明度以觀測底層流速變化，但在三維角度下，這種方法的效果往往受到限制，通常需借助垂向剖面圖觀測垂向流速分布。

（2）剖面流態(tài)。支持沿X、Y、Z軸任意方向進行切片分析，亦可針對模型內(nèi)任意中心線進行剖面流態(tài)分析。

（3）流線。利用Flow-3D 后處理功能可計算并展示流場中的流線，每條流線上的點反映流動方向和流量。

2 BIM與Midas-GTS數(shù)值模擬相結(jié)合的跨平臺應(yīng)用

巖土工程是歐美國家于20世紀60年代在土木工程實踐中建立起來的一種新的技術(shù)體系，用于解決巖體與土體相關(guān)的工程問題，如地基與基礎(chǔ)設(shè)計、邊坡穩(wěn)定性評估及地下工程設(shè)計等。目前，巖土數(shù)值模擬領(lǐng)域的主流軟件分為通用和專業(yè)兩類，通用軟件有Abaqus、Ansys、Adina等，專業(yè)軟件有Midas-GTS、Plaxis-3D、Flac-3D等。

Midas-GTS是一款集通用有限元分析內(nèi)核與巖土工程專業(yè)需求于一體的有限元分析軟件，支持靜力分析、動力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析及邊坡穩(wěn)定分析等多種分析任務(wù)。該軟件適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的精確建模與分析，并配備了多種專業(yè)建模輔助工具和數(shù)據(jù)庫資源。

2.1 模型輸出格式

Microstation的5種3D輸出格式中，能直接被Midas-GTS軟件識別的是x_t格式。需要注意的是，V8i版本的Microstation不支持導(dǎo)出x_t格式，需額外安裝MSExport程序?qū)崿F(xiàn)此功能。在轉(zhuǎn)換過程中，需注意以下事項：①在MicroStation中，遵循國際單位制標準，應(yīng)將主單位設(shè)置為m。②利用圖層功能區(qū)別不同的材料，確保在MicroStation中將各材料的對應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)置到相應(yīng)圖層中。③鑒于程序?qū)⑤敵霎斍澳Ｐ蛢?nèi)的所有實體，應(yīng)在導(dǎo)出前清理不必要的元素。④由于Midas-GTS與MicroStation坐標系存在差異，可能導(dǎo)致模型旋轉(zhuǎn)90度，因此應(yīng)在MicroStation中預(yù)先調(diào)整模型方向。

2.2 模型簡化及調(diào)整

以大治河西樞紐二線船閘工程為例，對閘首部分進行模型簡化及調(diào)整處理，分析閘室結(jié)構(gòu)對地基的影響，并且導(dǎo)入完整的BIM模型。首先，對BIM模型進行精簡處理，刪除爬梯、欄桿等非必要的實體。其次，由于建模單位為mm，而導(dǎo)入Midas-GTS后的單位為m，因此需要將模型整體縮小1 000倍，確保導(dǎo)入后的模型尺寸準確無誤。最后，針對模型中部分微小構(gòu)件在導(dǎo)入Midas-GTS后因尺寸過小而無法有效劃分網(wǎng)格的問題，可以預(yù)先對此類構(gòu)件進行合并處理。由于結(jié)構(gòu)底部的樁基礎(chǔ)在Midas-GTS中是用1D樁單元模擬的，所以在BIM模型中不需要考慮樁的模型，可將樁模型全部刪除，待導(dǎo)入Midas-GTS后再添加樁單元。

2.3 模型導(dǎo)入及處理

模型導(dǎo)入及處理步驟如下：①導(dǎo)入CAD（計算機輔助設(shè)計）文件，文件類型選擇“Parasolid（10 to 26）Files”，并將BIM模型導(dǎo)出為x_t文件，隨后將其導(dǎo)入Midas-GTS軟件。②根據(jù)勘察報告中的地勘數(shù)據(jù)在Midas-GTS中建立閘首下方的各土層模型，模型應(yīng)包括填土、浜土、黏土等層次，形成閘首及地質(zhì)混合模型。③參照樁位布置圖和結(jié)構(gòu)圖，建立閘首下部的樁單元模型。④為模型中的各材料組件錄入詳細屬性，對于鋼筋混凝土材料，模型類型選擇“彈性”，對于各層土體材料，則選用“莫爾-庫倫”。隨后，建立各材料組件的屬性，如1D樁屬性和3D實體屬性。1D樁屬性中材料選擇先前建立的鋼筋混凝土材料，截面選“實心圓形”，直徑選“0.8 m”；3D實體屬性中分別建立結(jié)構(gòu)和土體的屬性，材料選擇先前建立的鋼筋混凝土材料和各層土體材料。⑤選擇合適的分割數(shù)，對整體模型及各獨立結(jié)構(gòu)單元進行網(wǎng)格劃分，屬性選擇先前建立的1D樁屬性；隨后，對結(jié)構(gòu)和土體進行網(wǎng)格劃分，選擇合適的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格生成器，屬性選擇先前建立的3D實體屬性。對結(jié)構(gòu)單元進行網(wǎng)格劃分的過程中，有時會提示錯誤，對于不能網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)需要返回Microstation修改模型，直到模型能夠正確劃分網(wǎng)格。⑥在分析設(shè)置中，添加適當?shù)倪吔鐥l件作為約束，基本選項卡中的條件選擇“鉸接”，在高級選項卡中選擇正確的自由度約束，并添加自重靜力荷載。在分量設(shè)置中，Gz分量設(shè)置為-1，即豎直向下的力。同時，根據(jù)工程實際情況，合理施加荷載于模型之上。

2.4 計算結(jié)果后處理

完成模型構(gòu)建后，需進行材料屬性信息錄入、網(wǎng)格劃分、邊界條件及荷載設(shè)置等工作。模型設(shè)置完成后，進行計算分析。針對大規(guī)模網(wǎng)格模型，可采用多臺專用服務(wù)器進行并行計算，以縮短計算時間。在后處理階段，提取關(guān)鍵結(jié)果如結(jié)構(gòu)位移（包括結(jié)構(gòu)及土體的位移、樁的位移）和結(jié)構(gòu)應(yīng)力（包括結(jié)構(gòu)及土體的應(yīng)力、樁的應(yīng)力），利用精準的三維模型直觀地展示數(shù)值模擬結(jié)果。根據(jù)研究需求，可進一步分析計算結(jié)果，提取有用信息，為工程設(shè)計與施工提供科學(xué)依據(jù)。

2.5 步驟總結(jié)

（1）分析研究的問題，修改三維模型。針對數(shù)值模擬需求，精簡三維模型，刪除非必要部分，合并固定組件，填充模型中可能造成水流、土料泄漏的縫隙。

（2）建立仿真分析模型，檢驗?zāi)Ｐ徒M件。在Flow-3D中，利用FAVOR功能驗證水動力計算模型；在Midas-GTS中，通過網(wǎng)格劃分過程識別并解決原文件模型存在的問題。

（3）再次利用Microstation完善用于計算的三維模型。根據(jù)模型檢驗結(jié)果，在Microstation中調(diào)整模型，再次導(dǎo)出模型組件，對需要進行方案比較的組件進行單獨處理，并分別導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件。

（4）模型設(shè)置及數(shù)值模擬計算。完成模型設(shè)置后執(zhí)行計算，對于大規(guī)模網(wǎng)格模型，采用配備的專用服務(wù)器進行并行計算，加速處理過程。

（5）結(jié)果后處理與分析。在精準的三維模型條件下展現(xiàn)數(shù)值模擬計算結(jié)果，對水動力模型、巖土數(shù)值模型的計算結(jié)果進行分析。

3 結(jié)語

本文主要探討了Microstation、Flow-3D及Midas-GTS三大主流軟件在水利工程領(lǐng)域的跨平臺結(jié)合應(yīng)用。 Microstation能快速構(gòu)建水工結(jié)構(gòu)三維模型，并導(dǎo)出兼容于Flow-3D與Midas-GTS的文件格式，減少了在數(shù)值模擬軟件中重構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工作量，從而提升了仿真計算的效率和精度。本研究作為探索性嘗試，雖然提出了軟件結(jié)合應(yīng)用的方法，但是受限于研究團隊的專業(yè)水平及軟件平臺之間的兼容性問題，尚未實現(xiàn)軟件的直接融合，難以實現(xiàn)將Flow-3D、Midas-GTS輸出的計算結(jié)果自動返回到Microstation。未來的研究建議進一步探索更高效的平臺融合策略，借助項目實踐提升設(shè)計人員的操作熟練度與準確性，同時探索與ArcGIS軟件的結(jié)合應(yīng)用。

4 參考文獻

［1］王猛，彭笑孔，周明明.水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響及其改善措施［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2024（6）：85-88.

［2］韓慧慧，高飛，丁咚，等.圍填海工程對三門灣納潮量和水交換的影響［J］.海洋地質(zhì)前沿，2024，40（5）：40-50.

［3］姜月華，程和琴，周權(quán)平，等.重大水利工程對長江中下游干流河槽和岸線地質(zhì)環(huán)境影響研究［J］.中國地質(zhì)，2021，48（6）：1681-1696.

［4］羅書弟.基坑排水施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用探析［J］.人民黃河，2022，44（S2）：223-224.

［5］張北辰，谷黃河，郭磊，等.基于水動力模型與風(fēng)險指標體系的丘陵區(qū)中小流域洪水風(fēng)險分析［J］.水電能源科學(xué)，2024（7）：20-24.

［6］王睿，王蘭民，周燕國，等.土動力學(xué)與巖土地震工程［J］.土木工程學(xué)報，2024，57（7）：71-89，105.

［7］張媛，吳鼎，胡琳瑩，等.基于Inventor iLogic的水閘工程參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用［J］.山西建筑，2023，49（14）：183-186，190.

［8］陳衍順.基于OpenFOAM的防浪墻越浪精細化模擬［J］.吉林水利，2024（5）：18-22.

［9］楊光華，彭祥.地基承載力特征值確定土變形模量的探討［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2024，54（8）：120-128.

［10］姚孟杰.基于GMS三維滲流模型的基坑減壓降水地層沉降特征分析［J］.綠色科技，2021，23（10）：241-243，247.