廖冬芽

摘? 要：BIM技術的出現(xiàn)，標志著水利水電行業(yè)進入一個新的階段，BIM技術的應用已經(jīng)是水利行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。該文基于BIM技術，選用CATIA軟件作為三維設計平臺以及ANSYS軟件作為結構分析平臺，利用兩者之間數(shù)據(jù)文件接口，在CATIA平臺創(chuàng)建重力壩擋水壩段三維參數(shù)化模型后導入ANSYS平臺進行抗滑穩(wěn)定和應力分析，并根據(jù)模擬計算結果進行設計方案調整直至滿足強度和穩(wěn)定要求，實現(xiàn)開發(fā)出一套基于BIM技術的集CAD/CAE一體化的重力壩參數(shù)化設計方法。

關鍵詞：BIM? 三維? CAE? 重力壩? 壩體

中圖分類號：TV642.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（b）-0108-04

Discussion on Dam Stability and Stress Analysis Based on 3D Model and CAE

LIAO Dongya

（China Railway Water conservancy and Hydropower Planning and Design Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi Province， 330029? China）

Abstract： The emergence of BIM technology marks that the water conservancy and hydropower industry has entered a new stage， and the application of BIM technology has been the inevitable trend of the development of water conservancy industry. In this paper， based on BIM technology， CATIA software is selected as the three-dimensional design platform and ANSYS software as the structural analysis platform. By using the data file interface between them， the three-dimensional parametric model of gravity dam retaining section is created on CATIA platform and then imported into ANSYS， the anti-sliding stability and stress of the platform are analyzed， and the design scheme is adjusted according to the simulation results until the strength and stability requirements are met. A set of parameterized design method of gravity dam based on BIM technology and CAD / CAE integration is developed.

Key Words： BIM; 3D; CAE; Gravity dam; Dam body

當代水電和水利工業(yè)的基礎設施建設業(yè)務在不斷擴大。傳統(tǒng)的規(guī)劃、演示、設計和構造方法顯然無法滿足當今大批量、短周期的水利設計需求。與傳統(tǒng)技術相比，新技術能夠解決當前的效率和質量問題，并促進建筑中的水電工程的發(fā)展，在各個方面都具有更大的優(yōu)勢。

通過BIM技術獲得的模型具有很高的可視化程度，并且在紋理、性能、位置和復雜的運動關系方面使人們更易于理解和接受。其可以將設計者的意圖和想法充分傳達給用戶，也更有利于更好的外觀和合適的設計方案的出現(xiàn)，BIM模型可以由參數(shù)驅動，并且易于修改。設計人員可以修改設計方案中的某些約束參數(shù)以執(zhí)行模型修改;通過這種方式設計的BIM模型也可以與結構分析軟件CAE分析、信息傳遞和交換相結合，從而使原始設計計劃的修改更加準確和可靠。因此，將BIM技術應用到水利工程設計中，與以往的二維設計相比，不僅提高了工程設計的質量、效率和水平，而且節(jié)省了人工和資源、材料，縮短了工期等。

重力壩是重要的、代表性的和廣泛使用的類型。由于其自身的建筑特性，它被廣泛用于水力發(fā)電和水利建設項目，并已成為當今大壩工程設計中最重要的大壩類型之一。重力壩在我國被廣泛使用，這種水壩被用于許多大型水利工程，例如新安河、劉家峽、三門峽、黃龍?zhí)?、烏江渡和三峽等。使用BIM技術進行CAD/CAE環(huán)路的設計和開發(fā)，以及在設計和分析之間實現(xiàn)雙向信息傳輸?shù)那闆r非常少見。因此，該文將具有代表性的重力壩作為對象進行研究。

1? 工程概況

某水庫是一座多功能的綜合性水利樞紐。其擋水壩為重力壩，壩高56 m，建基面高程為48 m，壩頂高程為104 m，其壩段壩頂長為20 m，壩頂寬度為7 m。校核洪水位為102.38 m，對應的下游水位為67 m;正常蓄水位為101.3 m，對應的下游水位為58 m。壩體混凝土的彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.167，容重γ=24 kN/m3;基巖的彈性模量E=20 GPa，泊松比μ=0.28，容重γ=26 kN/m3。根據(jù)工程地質資料參考規(guī)范，抗剪斷摩擦系數(shù)fR，抗剪斷凝聚力CR=1.3×103 N/m。壩體混凝土采用的是C20混凝土，其抗壓強度設計值為9.60 MPa，抗拉強度設計值為1.10 MPa 。

根據(jù)上述工程資料，初步擬定壩體擋水壩段各參數(shù)數(shù)值并在CATIA平臺下創(chuàng)建參數(shù)化模型，確定計算工況（正常蓄水位、校核洪水位兩種工況），利用 ANSYS進行穩(wěn)定和應力分析，并根據(jù)計算結果進行安全性評價。計算工況與荷載組合如表1所示。

2? 參數(shù)化建模

為了便于計算并減輕計算機的運行負荷，在建立重力壩止水壩斷面模型時，忽略了波浪墻因素。在建模過程中，以X軸為下游方向，正方向為上游到下游方向。垂直方向為Y軸，垂直方向向上為正。Z軸是壩軸的方向，正方向是從左岸到右岸方向。為了反映簡化重力壩設計方案的設計過程的簡單性，重力壩擋水壩截面的初始模型繪制為：壩體部分高56 m，壩頂?shù)膶挾葹? m，上游坡度為垂直方向，下游坡度比為1∶0.35，下游斷裂點與壩頂之間的高度差為13 m，沿軸線的厚度為20 m。壩基的基礎深度從壩基表面垂直向下延伸112 m，是壩高的兩倍;從壩踵到上游的距離為112 m，是大壩高度的兩倍;從壩趾到下游河的距離為112 m，是大壩高度的兩倍。由CATIA參數(shù)建模技術生成的擋水壩截面的三維立體計算模型見圖1。

3? 參數(shù)化分析

利用擋水壩段參數(shù)化分析程序，根據(jù)材料定義壩體和基巖的材料參數(shù)，結構系數(shù)γd取抗滑穩(wěn)定計算的1.5，結構重要性系數(shù)γ0取II級建筑物的1.0，設計狀況系數(shù)φ根據(jù)工況進行選擇，校核洪水位選擇0.85，正常蓄水位選擇1.0，最后不同工況選擇不同的上下游水位即可讀取APDL文件進行重力壩擋水壩段的有限元分析。

3.1 壩體穩(wěn)定分析

首先，在檢查洪水位的條件下，進行計算，然后將由CATIA建立的三維模型導入ANSYS的計算模型中。

在完成諸如網(wǎng)格劃分和計算模型的載荷應用之類的一系列任務之后，執(zhí)行靜力解決方案，并在解決方案完成之后對壩體進行安全性分析。首先是分析壩基表面的防滑穩(wěn)定性，該文采用抗剪力公式的局部模量極限表達式。在ANSYS參數(shù)化設計語言（APDL）的設置中，創(chuàng)建了一個名為khwd的文件，可以通過在垂直方向和壩基水平面上輸出合成的力和阻力比系數(shù)來進行判斷。根據(jù)輸出結果是否滿足防滑穩(wěn)定性要求。

計算得出的抗力作用比系數(shù)為0.982，其小于1，表明未滿足防滑穩(wěn)定性的安全要求。如果要增加壩體的防滑穩(wěn)定性，則可以在設計階段增加壩體的輪廓并增加壩體的重量來實現(xiàn)此目的，為此，可以增加作用在壩體上的法向力以改善壩體的性能，使其防滑穩(wěn)定。輪廓放大可以在大壩的上游或大壩的下游進行，在該文中，筆者將下游坡度比從1∶0.3更改為1∶0.75，并更改下游斷點之間的高度差。大壩的頂部從13減少到8，這具有增加大壩輪廓的效果。修改后的三維模型，導入ANSYS后的計算模型，網(wǎng)格和加載后的計算模型見圖2。

求解之后校核洪水位情況下的抗滑穩(wěn)定分析結果為：抗力作用系數(shù)為1.710，其大于1，說明此時的設計方案滿足抗滑穩(wěn)定要求。同理，正常蓄水位情況下求解后的抗滑穩(wěn)定結果為：抗力作用比系數(shù)分別為1.503，都大于1，滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3.2 壩體應力分析

然后進行應力分析以重新檢查設計方案。檢查洪水水位條件基于壩云位移圖，在靜力作用下可以清楚地看到壩體位移和應力的變化?？梢缘贸鲆韵陆Y論。

（1）如圖3所示，大壩X方向上的位移分布呈現(xiàn)出從大壩底部到大壩頂部的總體增長趨勢，在大壩頂部達到峰值，而在大壩頂部位移最小。其中，校核洪水位條件下的最大位移為1.899 mm，正常蓄水位條件下的最大位移為1.436 mm，但兩種條件下的最大位移值都相對較小，均在正常范圍內(nèi)，并且壩體不發(fā)生大變形，壩體一般是安全可靠的。

（2）壩體總體位移呈向下游傾斜趨勢，最大位移在壩頂處，位移分布從壩頂?shù)綁蔚字饾u減小。其中校核洪水位工況下最大位移為3.124 mm，正常蓄水位工況下最大位移為2.947 mm。

（3）根據(jù)以上校核洪水位工況和正常蓄水位工況下的位移云圖可以看出，由于大壩所受的靜力荷載相同，所以，在這兩種工況下，大壩壩體的各項位移分布規(guī)律類似，但是其上下游水位不同，導致位移分布的具體數(shù)值有所不同，不過其數(shù)值大小相差并不大，因為校核洪水位工況下的上下游水位較高，所以其壩體各項位移分布值也較大。

根據(jù)大壩的應力云圖可以得到如下結論。

（1）如圖4所示，大壩X方向所受的應力主要為壓應力。兩種工況下的應力分布規(guī)律類似，其中在正常蓄水位工況下，大壩的X方向所受壓應力在壩趾處達到最大，其值為1.08 MPa，在壩體混凝土抗壓強度值（9.60 MPa）范圍內(nèi)。

（2）大壩Y方向的應力為壓應力。在正常儲存條件下，大壩的Y方向壓應力在大壩部位達到最大，其值為1.12 MPa，這在大壩混凝土的抗壓強度（9.60 MPa）的范圍內(nèi)。

（3）大壩Z方向的應力基本處于壓縮狀態(tài)，應力值處于相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在正常的蓄水條件下，大壩Z方向的最大壓應力出現(xiàn)在壩趾，其值為0.38 MPa，在混凝土的抗壓強度范圍內(nèi)（9.60 MPa）。

（4）大壩的第一主應力由壓應力控制，在大壩的壩踵只有一小部分拉應力。在驗證洪水位的條件下，最大拉應力出現(xiàn)在壩踵處，其值為1.09 MPa，在混凝土抗拉強度（1.10 MPa）的范圍內(nèi)。

（5）大壩的第三個主要應力是壓應力。在正常蓄水條件下，壩趾的壓應力最高，其值為1.91 MPa，在混凝土的抗壓強度范圍內(nèi)（9.60 MPa）。綜上所述，在大壩的靜力分析中，位移值均在正常范圍內(nèi)，沒有大的變形發(fā)生，最大應力均小于大壩混凝土的最大強度值，因此大壩是安全可靠的。修改最新的設計方案可以滿足安全要求。

4? 結語

該文提出的基于CAD/CAE和BIM技術的重力壩參數(shù)化設計方法被應用于重力壩擋水壩段，并確定了在洪水和正常存儲條件下的抗滑穩(wěn)定性。經(jīng)過分析，根據(jù)得到的位移云圖和應力云圖，分析判斷設計方案是否符合安全要求。在應用此設計方法時，初始設計方法不符合抗滑穩(wěn)定性和安全性。隨著參數(shù)設計概念貫穿整個設計，可以修改該設計以完成新的三維實體模型的創(chuàng)建。獲得了新的計算結果，并對新的設計方案進行了安全性分析。由上可知，該設計方法滿足了重力壩參數(shù)化設計要求，提高了工作效率，達到了預期效果。

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