彭修乾

（國家超級計算天津中心，天津300457）

1 概述

天河一號超級計算機是我國首臺千萬億次超級計算機，在2010 年11 月世界超級計算機TOP500 排名中位列世界第一，標志著我國自主研制超級計算機的綜合技術水平進入世界領先行列。BIM（建筑信息模型）技術的發(fā)展，使得精確、準確的記錄建筑樓房和城市的建筑信息成為可能，在其基礎上可以開展多種應用，諸如施工模擬、運營維護、虛擬漫游等。目前在天河超級計算平臺上已經部署了天河BIM云系統(tǒng)，進行BIM領域的相關開發(fā)和應用。爆炸分析包括四個內容，即炸藥爆轟、爆炸荷載的生產、傳播、流固耦合以及結構響應，如果需要完成計算四個內容，則需要整個計算中包括全部的計算流程；如果只關注結構的響應，則將爆炸壓力- 時程載荷直接加載到結構上，或者輔以修正的方法進行計算。不同的軟件和計算方法針對上述過程都會有相應的求解方案。目前在爆炸毀傷效果評價方面，主要有以下不足：（1）由于軟硬件設備的限制，大部分毀傷評價計算規(guī)模普遍偏小，對模型進行了較大程度的簡化，結果評價可靠度低；（2）城市建筑群的爆炸計算涉及計算結構多而且復雜，所以實際計算更多的是粗化的建模，類似堆積木的方法建立樓房模型，細節(jié)考慮較少；（3）傳統(tǒng)的計算，需要人工不斷的調整模型，未形成有效的模型建立規(guī)范；（4）沒有形成自動化的求解設置，使得陷于模型求解的繁復工作中。

為解決上述問題，本文提供基于天河超級計算機和爆炸計算配置優(yōu)化方法，可以快速的建立仿真求解模型和匹配相應的軟硬件資源，為城市級的規(guī)劃和防護設計提供基礎支撐。

2 基于超級計算機的爆炸計算配置方法

為實現上述目的，本文提供以下思路：一種基于天河超級計算機的城市爆炸毀傷效果評估方法，通過BIM模型提取城市建筑物典型分析特征，根據經驗的仿真模型搭建和求解設置規(guī)則，在仿真軟件平臺和天河超級計算平臺上開發(fā)建模和求解展示程序，實現自動的仿真模型搭建、求解計算和展示功能定制，快速便捷的實現城市爆炸毀傷效應評估。

本評估方法在使用時會有具體的默認設置，計算時需設置幾個關鍵參數，交由評估方法自動的完成模型搭建、求解計算、展示，必要時也可以人工干預。

其中，空氣沖擊波峰值超壓pm采用以下經驗公式計算：

2.1 BIM模型典型特征提取

根據分析目的和需要，提取分析對象特征尺寸和相對位置關系。

2.2 定制化的仿真模型搭建功能

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

根據分析目的和需要，確定爆炸分析階段、有無遮擋反射、近場或遠場、精度、前后處理界面友好度、網格質量要求等區(qū)分內容，依據上述選定分析的計算軟件和對應求解方法。

在上述幾何結構的基礎上，根據計算軟件和界面中對網格的要求，生成適應仿真計算需要的建筑物網格和流體網格（根據分析手段不同，有選擇的生成流體網格）；默認基本的網格生成設置，根據分析關注點可以調整相應選項，達到細化關注區(qū)域網格的目的，并最終有選擇的實現部件耦合連接。

依據計算軟件和求解方法，設置爆炸計算模型相關參數：由默認材料庫中選擇使用的材料屬性和失效準則，并在指定爆炸位置設置起爆點和TNT 當量；對于計算爆炸四個階段的方法，需要設置流固耦合的參數；對于位置遠離起爆點的方法，可以采用一維計算結果映射技術來節(jié)省計算時間；對于只是計算結構響應的方法，可以加載超壓曲線。

通過仿真軟件平臺開發(fā)將上述幾個步驟固化，形成可以針對多個軟件、多個方法優(yōu)化的模型生成方案；通過上述幾個步驟，生成計算模型進行后續(xù)計算。

2.3 定制化的仿真模型求解功能

通過對部署在天河一號超級計算機上的仿真軟件進行系統(tǒng)性、多因素的效率和資源耗費測試，總結出不同軟件和模塊、不同模型計算規(guī)模的最優(yōu)硬件資源布置配比，據此建立針對仿真軟件的天河一號超級計算機資源部署方案。

在上述方案基礎上開發(fā)仿真模型求解設置程序，內嵌硬件資源部署方案，配合天河超級計算機調度系統(tǒng)，啟動軟件并分配最佳的硬件資源，自動實現仿真模型求解功能。

2.4 數據結果展示

經過以上步驟得到數值仿真結果，可以實現預定義的視圖結果展示，由于對結果展示的需求度不同，也可采取手動的方式制作展示效果。在仿真結果中可以記錄沖擊波作用強度，查看分析對象在爆炸載荷作用下的毀傷效果，有針對性的進行防護規(guī)劃和相關的結構設計，為城市規(guī)劃和建筑設計提供設計依據。

3 具體實踐

一種基于天河超級計算機的城市爆炸毀傷效果評估方法，對發(fā)生在天津濱海新區(qū)的爆炸進行模擬分析來評估爆炸對周邊建筑物的毀傷破壞效應，展示本方法在確定侵蝕邊界中的具體應用步驟。

天津濱海新區(qū)的爆炸當量，官方估計450 噸TNT。如圖1 所示，爆炸點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、海關大樓7 和空氣域8，西側500m 外是一個擁有BIM模型工業(yè)園區(qū)。圖1 中是建立的包括多個分析對象的幾何模型，本次爆炸分析的目的分析包括玻璃、墻壁、車輛等結構在爆炸沖擊作用下的損壞情況，具體介紹以集裝箱和海關大樓為主。

圖1 爆炸點附近建筑布置

圖2 樓房精確建模網格

3.1 幾何建模

根據爆炸點周邊的環(huán)境，利用已有的部分建筑的BIM模型提取典型特征尺寸，比如樓房的幾個角點和窗框尺寸位置、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、梁的長度和半徑等參數。

3.2 仿真模型搭建

根據從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構，采用測量的方法獲得相關參數；另外有開放的汽車仿真模型，所以可直接讀入本爆炸評估方法。

爆炸分析的四個階段，本次分析都涉及到針對爆炸點近處堆放的集裝箱。如圖3 所示，需要計算從爆炸開始、炸藥載荷的傳播、流固耦合和結構響應四個方面，而且是近場、后排集裝箱有遮擋，依據此計算要求，選擇用仿真軟件LS-DYNA 進行仿真分析；對于遠處的海關大樓，如圖1 所示，與爆炸點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，空氣網格會占用大部分計算資源，所以采用計算出來海關大樓處的沖擊波超壓時程曲線加載到結構上的計算方法，選用ABAQUS計算軟件來模擬。其他分析對象也用類似方法得到相應的使用軟件。

計算集裝箱、派出所時，采用流固耦合的計算方法，所以在自身網格之外還需要生成空氣域網格；海關大樓采用直接加載沖擊波沖壓時程曲線的方式，所以不用生成空氣域網格，只生成樓房自身各結構網格。在關注區(qū)域，比如梁柱和樓板接觸區(qū)域時，適當加密網格，并實現連接區(qū)域網格節(jié)點的連接，以傳遞計算數據。

在集裝箱和海關大樓模擬計算分別采用LS-DYNA和ABAQUS 兩個軟件之后，根據已建立的材料庫，分別給各個部件賦予材料屬性和失效原則。在集裝箱的計算中設置起爆點坐標，并將一定體積的空氣域單元賦予TNT 的屬性，另外設置空氣域和集裝箱的流固耦合，實現爆炸計算數據的傳遞；在海關大樓處，由于加載超壓時程曲線，所以不需要設置起爆點，只要給定TNT 和距離海關大樓的相對距離即可。

其他分析對象采用類似的方法，也可以完成仿真模型的制作。

3.3 求解設置

針對與LS-DYNA 和ABAQUS 兩個軟件，經過多因素的系統(tǒng)測試得到這兩個軟件不同的模塊和不同計算規(guī)模在天河一號超級計算機節(jié)點上的效率和占用資源對比，總結這些測試結果，得到如何針對模型做最優(yōu)的資源部署方案。

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

3.4 仿真結果展示

仿真模型計算完畢后，可以通過后處理界面實現預定義的視圖結果提取。由于不同人員有不同的關注點，其也可以操作界面選擇輸出的視圖。通過LS-DYNA 和ABAQUS 兩個軟件，可以觀察到沖擊波沖壓值和結構自身發(fā)生的響應，集裝箱結構在沖擊波作用下已經發(fā)生損毀，海關大樓的玻璃和部分墻面也發(fā)生損毀。另外根據超壓值并輔以超壓對人體影響的表，可以得到爆炸對人體的危害程度。相關圖片展示，參照圖3、4。

4 結論

本文建立了一種基于天河超級計算機的城市爆炸毀傷效果評估方法，利用BIM模型提取城市建筑物典型分析特征，根據經驗的仿真模型搭建和求解設置規(guī)則，在仿真軟件和天河超級計算平臺上開發(fā)建模和求解展示程序，實現自動的仿真模型搭建、求解計算和展示功能定制，快速便捷的實現城市爆炸毀傷效應評估。

圖3 集裝箱破壞效果

圖4 建筑破壞效果

本方法可以達到以下效果：將天河一號超級計算機強大的求解能力、特別是超常勝任超大規(guī)模數值模型求解的能力應用到城市爆炸危害效應分析計算中去，加快用于城市規(guī)劃或建筑防護的決策；實現精細、準確的城市模型搭建，減少不必要的細節(jié)簡化；根據建立的仿真模型建模規(guī)范，實現自動建模，減少人工的重復工作和人工干預；實現模型自動求解設置和設置規(guī)則化，達到計算最優(yōu)的軟硬件配置，無需每次都測試計算配置。