达索系统建筑结构设计白 皮 书——建筑行业的仿真
建筑、工程与施工中的产品、自然与生命
土木工程迎来蓬勃发展的高 潮。几天前还是概念的创新性建筑，例如超级高铁、海底酒店和定制3D打印建筑物等，正在走出幻想空间进入现实。这些新颖的建筑或是用于在自然环境中输送人类，或是保护人类免受自然环境伤害，或是便于人们与自然环境进行交互。这些建筑所拥有的共性是产品、自然与生命间的微妙关联构成的。对楼宇、桥梁、隧道和水坝等常规土木工程建筑，存在相同的情况。图1所示的是一种创新性钢网壳结构，是为2010年上海世博会建造的“太阳谷(Sun Valley)”建筑之一。
我们需要综合性地思考产品、自然与生命，不仅是为开发创新性设计，也为提供理想的功能、确保安全和维护生态健康的可持续性。因此在规划大型工程项目的过程中，例如城市开发、大型交通运输项目以及水坝和灌溉工程，需要将产品、自然和生命的作用结合起来考虑。我们该怎样才能在土木建筑的设计过程中将产品、自然和生命结合起来？这需要通过现实仿真来完成。这种仿真能够反映精确几何构造和材料属性、物理和自然过程的逼真表达以及根据人们经验做出的合理预测。这种仿真除了需要满足保证建筑安全性的重要需求，还需要反映建造过程和施工顺序，可靠地估算建造成本和维护成本。
共同的行业挑战
大型建筑项目由于建筑过程中发生意外事件或设计变更，常常造成成本超支和工程延期。众所周知的，任何建筑项目都需要在成本、时间和质量间保持平衡，才能尽可能实现最终产品的盈利性、安全性和可持续性。
在建筑项目中，建筑师和结构工程师首先需要构思出适合于建筑预定功能的概念设计。需要明确可能的结构载荷，同时概念设计需要考虑这些载荷在结构中如何高效地传递并分配给地基。这一阶段的任何错误或不当设计选择都会给最终效果造成严重的时间与成本影响。如果结构组件是预制件，那么预制件和最终结构的设计需要依据制造预制件的难易程度，因其往往包含专门设计的新材料。此外还需要考虑这些部件的运输和最终装配过程。因此有必要在早期设计设计选择如何影响建造过程、建造用时和建造成本开展完整研究。此外该研究需要迅速完成，而且也需要提供综合全面的数据，以便让建筑师和工程师正确地比较不同的概念设计。
在概念设计选定后，工程师需要构思足够详细的最终设计方案。当建造进入实施阶段，建筑的部分部件可能需要在原始设计的基础上做改动。在这种情况下，我们需要能够迅速发现任何结构修改给最终产品的安全性和可靠性造成的影响。同时需要更新最终设计，并且关于后续修改的信息需要准确、及时地传递给施工现场的工程师。
仿真的作用
在建筑设计领域，虚拟或图形仿真模型能帮助完成概念设计，将多种标准纳入考虑范围，例如布局、位置、景观和光照。此外逼真渲染能用于提高设计表达的真实度，增加它们对客户的价值。
在工程领域，虚拟表达能用于改善结构的几何构型。这些构型随后能用在计算分析中，以预测施加载荷和支撑条件下的结构变形与应力。在这样的仿真分析完成后，可以显示和核验预测的数值。以这些数值为依据，工程师就能确定计划结构的强度、稳定性和安全性，然后完成结构设计。
在施工领域，最终设计随后用于使用合适的仿真工具进行材料评估、规划施工顺序、管理施工过程。
可以看出，仿真对任何土木工程项目的三个阶段，即概念与建筑设计阶段、工程设计阶段和施工阶段都有帮助。尽管这三个阶段各有单独的仿真工具可供选择使用，但在项目的不同阶段间传递信息时，可能发生信息缺失。因此土木工程项目需要能够无缝地连接建筑、工程与施工阶段的仿真工具。达索系统就能提供这样的仿真工具。
达索系统在3DEXPERIENCE®平台上提供的结构设计与施工(Structure Design for Fabrication)流程专门开发用于为工程师和建筑师提供统一功能，能够虚拟地表达概念设计、开展工程分析、分析施工顺序、整体管理多个建筑项目，同时保持对单个构建的追踪。其为项整个项目提供一种独特表达，能够让多名用户同时进行远程访问，根据各自的需要获取信息。任何构件的变更都能反映到整个项目中，包括对项目日程的影响以及对结构载荷和响应的可能影响。
除了在3DEXPERIENCE平台上提供结构设计与施工(Structure Design for Fabrication)流程，达索系统还为复杂仿真与分析提供使用Abaqus®仿真软件的解决方案，适合于预应力钢筋混凝土、损伤结构仿真、隧道和地基基础力学分析以及复杂结构的地震响应分析。在下面的章节中，我们将介绍部分应用Abaqus仿真软件模拟桥梁和建筑物设计和施工的例子。
桥梁仿真
从达索系统CATIA®模型入手，使用3DEXPERIENCE平台上的物理应用就能为桥面上列车移动等现象创建仿真模型和执行仿真分析。如图2所示的例子。一个典型箱梁桥的双平衡悬臂梁先进行网格划分，然后进行有限元分析。让一列标准的TGV列车通过跨距，在车轮位置施加适当的轴向荷载。车轮被视为质点，在质点位置因重力作用施加垂直荷载。定义质点与桥面板间的接触条件，让质点集沿桥面纵向平移，以仿真列车通过。
图2：
桥梁轴向拉应力云图。拉应力由列车产生的移动载荷产生。
图2所示的是列车产生的移动荷载沿桥梁纵向的拉应力分量云图。由于列车的重量是由桥面的悬臂部分承担，沿靠近桥墩的桥面表面可以观察到高拉伸应力。尽管分析中对桥面只使用了弹性属性，为获得更逼真的结果，需要结合预应力钢筋混凝土使用其他合适的材料模型。在需要预测桥梁对地震和极端荷载等场景的响应时，后者是必不可少的。
图3：
2007年坍塌的密西西比河钢桁架拱桥的照片。图片提供方：美国国家运输安全委员会[参考资料1]
图3所示的是美国明尼苏达州明尼阿波利斯I-35号高速公路跨越密西西比河的钢桁架拱桥的照片，该桥长1,907英尺、共八车道，该桥于2007年8月1日倒塌。美国国家运输安全委员会和其他政府机构细致地调查了这次坍塌事故，并且开展了详细的有限元分析[参考资料1]。
图4：
坍塌发生时桥梁段的特写照。显示冯·米塞斯应力值云图。
图片提供方：美国国家运输安全委员会[参考资料1]
图4是坍塌开始时一段该桥梁的特写照。使用Abaqus仿真软件对节点板和连接进行了详细分析。分析得出的结论认为倒塌发生的原因是节点板厚度不够，不足以承担增大的载荷。载荷增大的原因包括对桥梁本身的改造以及坍塌当日桥梁上的建筑活动造成的集中载荷增加。图中云图显示的是冯·米塞斯(Von Mises)应力值。
建筑物仿真
3DEXPERIENCE平台应用CATIA建筑结构应用程序提供了建筑物建模和仿真的无缝连接。在本例中，我们为图5所示的25层钢结构建筑物建模。柱和梁采用有代表性的钢构件。研究的场景是位于建筑物中心的一套钢性柱丧失支撑力造成的影响。
图5：
建筑物因静载荷产生的垂直位移。可以在中心区域看到更大的位移。
图5所示的是重力作用下的垂直位移云图。中心位置丧失支撑的影响是该区域中的位移更大。分析中只考虑结构的静载荷。
图6：
钢构件中的弯矩云图。可以在建筑物中下部分看到更大的弯矩。
图6所示是因中心位置丧失支撑的钢构件弯矩云图。显而易见，支撑的丧失导致建筑物中下部的弯矩增加。
下面的例子展现的是使用Abaqus仿真软件开展的考虑了材料屈服与损伤的建筑物动态时程分析[参考资料2]。对大连小平岛(Dalian Xiaoping Island)单元楼的试设计展开分析，并对图7所示的剪力墙特性变化的特定楼层的塑性应变进行了初步调查。本图中的云图是最大主塑性应变值。
图7：
剪力墙最大主塑性应变云图[参考资料2]。
图8：
2010年上海世博会建造的“阳光谷”建筑之一。图片提供方：上海现代建筑设计(集团)有限公司
图8所示的是为2010年上海世博会建造的“阳光谷”建筑之一。这些建筑为单层钢网壳结构，由矩形截面的空心钢管组成，顶环的钢构件为实心。这样的结构的稳定性必须通过详细的分析予以确定。
图9：
“阳光谷”建筑之一在典型荷载条件下的塑性应变云图。
图片提供方：上海现代建筑设计(集团)有限公司
图9所示的是“阳光谷”建筑之一在典型荷载条件下的塑性应变云图。Abaqus仿真软件对于这些类型的分析的优势在于能够用同时考虑几何非线性和材料非线性的非线性求解器，同时还能够考虑材料的受损累积。
上海现代建筑设计(集团)有限公司(SXDA)一直使用达索系统提供的解决方案设计创新性建筑结构[参考资料3]。这些解决方案让上海现代建筑设计(集团)有限公司在保证项目的质量与卓越的同时，最大限度地节约成本。上海现代建筑设计(集团)有限公司已经完成多项创新性建筑结构的设计，包括上海国际金融中心、北京中央电视台大楼、证大喜马拉雅艺术中心(Zendai Himalayan Art Center)和太湖明珠国际大酒店(Taihu Pearl Hotel)。
证大喜马拉雅艺术中心外形为采用曲面的仿生学设计。上海现代建筑设计(集团)有限公司使用CATIA软件表达曲面构形，利用达索系统SIMULIA®品牌的ABAQUS仿真软件对结构完整性进行了仿真。Abaqus仿真软件帮助上海现代建筑设计(集团)有限公司确定需要进一步增强的位置和可以降低强度的位置。通过这些优化研究，上海现代建筑设计(集团)有限公司得以让建筑的用钢量降低10%。对于如图10所示的央视大楼以及国际金融中心(World Financial Center)等超高层建筑，上海现代建筑设计(集团)有限公司使用Abaqus仿真软件开展仿真，考虑了几何非线性和材料非线性、材料损伤以及地震激励造成的材料损伤对结构响应的影响。
结论
现代建筑设计需要使用创新外观与新材料。需要准确地预测这类建筑的结构行为，以实现和保证结构安全性、稳定性与实用性。
3DEXPERIENCE平台提供了建筑物建模和仿真的无缝连接。可以使用相关工具创建模型、网格划分和分析。对更加复杂的情况，可以使用Abaqus仿真软件提供的高级分析功能，例如将损伤考虑在内的非线性弹塑性分析、针对地基和隧道的孔隙流耦合分析、涵盖热效应和扩散效应的多物理场分析以及瞬态地震分析。
参考资料
1.Collapse of I-35W Highway Bridge, Minneapolis, Minnesota; Highway Accident Report, NTSB, NTSB/HAR-08/03, PB2008-916203, Notation 7975C, November 14, 2008.
2.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, SIMULIA Customer Conference, 2010.
3.SIMULIA Customer Conference, 2010.《上海现代建筑设计(集团)有限公司借助达索系统PLM解决方案打造世界顶级建筑:DS PLM成功案例》，达索系统，2010年。
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