王秀妍

(1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308； 2.城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測(cè)評(píng)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,天津 300308)

1 概述

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)混凝土建筑主要采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的傳統(tǒng)施工工藝，存在設(shè)計(jì)建造粗放、工業(yè)化程度低、建筑質(zhì)量低下、建筑材料損耗及建筑垃圾量大、建筑全生命周期能耗高等諸多弊端，高能耗、嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)狀給環(huán)境及經(jīng)濟(jì)承受能力帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。裝配式結(jié)構(gòu)經(jīng)工廠化預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)裝配連接及部分現(xiàn)澆而成，具有可批量生產(chǎn)、節(jié)省材料、提高建筑效率、方便冬期施工、提升工程質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。裝配式結(jié)構(gòu)將工地作業(yè)為主的建造方式變?yōu)楣S制造為主，是建造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，是建筑走向工業(yè)化、信息化和智能化的前提條件[2]。

目前，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、道路、水工等領(lǐng)域，疊合板、疊合梁、預(yù)制剪力墻、預(yù)制柱等裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件已在地上結(jié)構(gòu)中大規(guī)模使用，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在地下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要集中在交通隧道、輸水隧道以及部分綜合性地下管廊建設(shè)領(lǐng)域[3]。2015年，國(guó)內(nèi)第一條城市軌道交通類矩形盾構(gòu)隧道成功應(yīng)用于寧波軌道交通3號(hào)線，同時(shí)其也是世界上最大斷面類矩形盾構(gòu)隧道，襯砌環(huán)由11個(gè)預(yù)制構(gòu)件拼裝而成，管片環(huán)向與縱向通過(guò)螺栓進(jìn)行連接[4]；2017年，國(guó)內(nèi)里程最長(zhǎng)的裝配式地下綜合管廊在四川綿陽(yáng)開工建設(shè)，管廊采用全國(guó)首創(chuàng)的分片式預(yù)制，管廊標(biāo)準(zhǔn)單元長(zhǎng)度采用6 m標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，并合成30 m標(biāo)準(zhǔn)段，預(yù)制塊間采用濕法連接[5]；2017年，港珠澳大橋海底沉管隧道貫通，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為沉管管節(jié)主要結(jié)構(gòu)形式之一，其橫斷面為折拱式，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，由8個(gè)長(zhǎng)22.5 m節(jié)段組成，這是迄今為止世界上埋深最大、綜合技術(shù)難度最高的沉管隧道[6]；2019年，西部地區(qū)跨度最大裝配式下穿隧道—磨子橋隧道在成都建成通車，隧道預(yù)制段總長(zhǎng)130.6 m，預(yù)制框架單環(huán)長(zhǎng)度為1.5 m，每14環(huán)或15環(huán)形成一大節(jié)段，每塊質(zhì)量為122.5 t，施工效率較傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝提高一倍以上[7]?？梢?，國(guó)內(nèi)在裝配式地下結(jié)構(gòu)的研究和工程實(shí)踐方面已積累了許多成功經(jīng)驗(yàn)，形成了從研發(fā)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)施工的成熟產(chǎn)業(yè)鏈，為拓展裝配式地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ)[8]。

傳統(tǒng)的地鐵車站建設(shè)需要使用大量勞動(dòng)力資源，消耗巨量原材料，施工場(chǎng)地以及材料運(yùn)輸對(duì)路面交通影響較大，環(huán)境與噪聲污染嚴(yán)重[9]。而采用裝配式技術(shù)進(jìn)行地鐵建設(shè)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)裝配預(yù)制化，可全面提升工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、縮短對(duì)城市地面交通的影響，滿足城市地下工程高效、環(huán)保的要求[10]。因此，可在充分借鑒已有裝配式地下結(jié)構(gòu)研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展對(duì)裝配式地鐵車站的系統(tǒng)研究，創(chuàng)新和變革地鐵工程的建造模式[11]。我國(guó)地鐵車站的裝配式技術(shù)起步較晚，但目前也在幾座城市得到應(yīng)用。2007年，劉建洪[12]對(duì)深圳寶安中心站車站裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及施工過(guò)程分析，采用地下連續(xù)墻+預(yù)應(yīng)力鋼支撐圍護(hù)體系，但方案最終未能實(shí)施。2015年，長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線袁家店站建成，是國(guó)內(nèi)首座預(yù)制裝配式地鐵車站，車站主體結(jié)構(gòu)采用了單拱大跨結(jié)構(gòu)形式和全預(yù)制拼裝工藝[13]。北京地鐵6號(hào)線二期西延工程金安橋站試驗(yàn)段是北京市首座采用裝配整體式施工方法的地鐵車站，工期相比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)縮短了2/3，該技術(shù)推廣后將極大地提升地鐵建設(shè)速度[14]。但目前我國(guó)裝配式技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和研究并不多，仍處于起步階段，各方面技術(shù)還不成熟，因此，亟需開展針對(duì)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)研發(fā)工作，以加快裝配式新技術(shù)的推廣。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于將現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)分割成若干預(yù)制構(gòu)件，再通過(guò)可靠的連接方式裝配起來(lái)。裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的開發(fā)初期，各構(gòu)件的尺寸參數(shù)有一定的模糊性，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型試驗(yàn)、力學(xué)性能分析后才能確定，這就需要構(gòu)件模型本身具有易于修改的柔性。而常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一旦進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，需手動(dòng)修改相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，這將帶來(lái)大量重復(fù)性的繁重工作，造成人力的浪費(fèi)和時(shí)間成本的增加?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)作為一種新穎的設(shè)計(jì)手段已被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。參數(shù)化設(shè)計(jì)是指模型結(jié)構(gòu)在保持拓?fù)潢P(guān)系不變的前提下，形狀尺寸由一組參數(shù)來(lái)約束，不同參數(shù)生成不同的實(shí)體模型[15]，這與裝配式結(jié)構(gòu)開發(fā)初期的特點(diǎn)十分契合。

因此，為適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)變革、解決裝配式結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的需要，本文將參數(shù)化的思想引入到裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)裝配式車站進(jìn)行形態(tài)分析，確定參數(shù)化特征，并通過(guò)智能算法，建立車站結(jié)構(gòu)分塊內(nèi)部及分塊之間的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，基于二次開發(fā)技術(shù)聯(lián)動(dòng)CATIA軟件和ABAQUS軟件，將參數(shù)化設(shè)計(jì)與智能有限元計(jì)算相結(jié)合，形成一套完整的裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)從方案設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模到結(jié)構(gòu)計(jì)算的一體化智能設(shè)計(jì)技術(shù)，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。

2 CATIA軟件和ABAQUS軟件的二次開發(fā)技術(shù)

為了克服通用設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件針對(duì)性不強(qiáng)、設(shè)計(jì)效率不高的問題，基于CATIA模型設(shè)計(jì)軟件和ABAQUS有限元軟件，利用二次開發(fā)接口，對(duì)軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，定制高效易用的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

2.1 CATIA軟件的二次開發(fā)

CATIA是一款CAD/CAE/CAM一體化軟件，已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、造船、電子等領(lǐng)域，在解決復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)空間建模方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[16]。

CATIA的二次開發(fā)主要有以下兩種方法。

(1)組件應(yīng)用架構(gòu)(CAA)

以C++作為開發(fā)語(yǔ)言，CAA采用組件對(duì)象模型(COM)技術(shù)，外部進(jìn)程可以通過(guò)訪問COM組件實(shí)現(xiàn)對(duì)CATIA的創(chuàng)建、修改等操作，同時(shí)支持對(duì)象的連接和嵌入(OLE)技術(shù)。CAA開發(fā)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)CATIA的完整操作，功能強(qiáng)大，但是需要在C++的快速集成開發(fā)環(huán)境(RADE)中進(jìn)行程序開發(fā)，涉及大量復(fù)雜的設(shè)計(jì)模式，上手難度較大[17]。

(2)Automation API

通過(guò)宏(Macro)的錄制功能，軟件自動(dòng)記錄用戶的操作過(guò)程，并自動(dòng)生成VBScript代碼，開發(fā)者可在其基礎(chǔ)上修改代碼形成自己的程序；自動(dòng)化(Automation)組件以VBScript作為編輯工具，Automation API可實(shí)現(xiàn)與任何OLE所兼容的平臺(tái)進(jìn)行通訊[18]。這種開發(fā)方式相對(duì)于CAA更為簡(jiǎn)便易用，無(wú)需額外的開發(fā)環(huán)境，在CATIA環(huán)境中即可完成，適合于構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的建筑結(jié)構(gòu)的建模開發(fā)工作。

然而，基于Automation API的CATIA二次開發(fā)，其VBScript腳本程序的輸入輸出功能較弱，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互界面。因此，考慮利用宏文件，另外開發(fā)獨(dú)立的程序界面，深度定制針對(duì)裝配式地鐵車站的參數(shù)化建模特定模塊。由于CATIA提供的宏工具和VBA項(xiàng)目編輯器都采用了VB語(yǔ)言，因此采用VB語(yǔ)言進(jìn)行CATIA二次開發(fā)能夠最大限度地與CATIA Automation在語(yǔ)言風(fēng)格上保持一致；同時(shí)，裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的形狀尺寸參數(shù)多且復(fù)雜，常規(guī)的程序界面無(wú)法很好地承載如此大量參數(shù)的顯示。因此，考慮采用自帶VBA的EXCEL軟件，通過(guò)COM自動(dòng)化接口獲得CATIA對(duì)象，基于VBScript格式的宏腳本，開發(fā)具有用戶交互功能的裝配式車站參數(shù)化建模界面。

2.2 ABAQUS軟件的二次開發(fā)

ABAQUS軟件是國(guó)際公認(rèn)的大型通用非線性有限元分析軟件之一，涵蓋類型豐富的材料庫(kù)和單元庫(kù)，對(duì)工程中各類復(fù)雜的線性和非線性問題具有非常優(yōu)秀的分析與處理能力[19]。

用來(lái)進(jìn)行前后處理的ABAQUS/CAE包括圖形用戶界面(GUI)和求解核心(Kernel)，GUI負(fù)責(zé)記錄建模參數(shù)并提交到Kernel，形成輸入文件(INP)，這一過(guò)程都被以Python語(yǔ)言記錄到軟件自動(dòng)生成的.py格式的腳本文件中，腳本文件提供了相當(dāng)數(shù)量的庫(kù)函數(shù)，通過(guò)編寫程序調(diào)用與修改這些庫(kù)函數(shù)能夠大大提升ABAQUS的自動(dòng)化程度。因此，可利用Python腳本文件對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，通過(guò)編寫程序替代ABAQUS/CAE上大量的、重復(fù)性的手動(dòng)操作，驅(qū)動(dòng)ABAQUS執(zhí)行有限元分析過(guò)程，完成裝配式車站結(jié)構(gòu)在施工、運(yùn)營(yíng)期間的完整分析計(jì)算。

由于裝配式車站的參數(shù)化建模用戶界面是建立于EXCEL軟件上，因此為避免重復(fù)輸入數(shù)據(jù)，考慮基于同源數(shù)據(jù)，利用EXCEL的VBA生成ABAQUS的Python腳本文件，再通過(guò)VBA的Shell函數(shù)調(diào)起ABAQUS執(zhí)行腳本文件，實(shí)現(xiàn)ABAQUS計(jì)算程序的開發(fā)。

3 新型裝配式地鐵車站智能設(shè)計(jì)流程

3.1 總體思路

以裝配式地鐵車站初步設(shè)計(jì)時(shí)的分塊模式作為模型建立的設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)車站結(jié)構(gòu)各分塊進(jìn)行形態(tài)分析，確定所有參數(shù)化特征，并通過(guò)智能算法建立車站結(jié)構(gòu)分塊內(nèi)部的聯(lián)動(dòng)性及分塊與分塊之間的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，針對(duì)裝配式地鐵車站設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行界面開發(fā)，基于VBA編寫CATIA的執(zhí)行程序，基于Python編寫ABAQUS的執(zhí)行程序，可通過(guò)依次讀取界面上的輸入數(shù)據(jù)(包括車站橫斷面分塊尺寸參數(shù)、車站縱向參數(shù)、有限元計(jì)算參數(shù)等)，一鍵快速建立CATIA軟件三維車站模型，并可將生成的模型一鍵導(dǎo)入ABAQUS軟件，進(jìn)行完整的有限元計(jì)算分析。

3.2 具體流程3.2.1 參數(shù)化特征的確定

裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)有柱斷面的分塊模式如圖1所示。

圖1 裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)分塊模式

裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)各分塊分別為底板A塊、底角部B1、B2塊、邊墻C1、C2塊、中板D1、D2塊、頂角部E1、E2塊和頂板F塊。對(duì)車站結(jié)構(gòu)各分塊進(jìn)行形態(tài)分析，以A塊為例，將A塊分為主體結(jié)構(gòu)、防水密封墊槽、縱向接頭凸臺(tái)、縱向接頭榫槽、內(nèi)部空腔、預(yù)緊裝置孔槽和螺栓套筒，共7個(gè)部分，并通過(guò)分析確定形態(tài)基本參數(shù)，如圖2所示。其余分塊確定形態(tài)參數(shù)的方式與A塊一致。

圖2 A塊參數(shù)示意

3.2.2 聯(lián)動(dòng)機(jī)制的建立

裝配式地鐵車站分塊內(nèi)部及各分塊之間是具有關(guān)聯(lián)性的，分塊某些形狀參數(shù)確定時(shí)，另一些與之有關(guān)的形狀參數(shù)也相應(yīng)確定，而改變分塊模型的某些形狀參數(shù)時(shí)，該分塊和其他各分塊的尺寸及凹凸榫、套筒、空腔等的相應(yīng)位置也應(yīng)隨之調(diào)整，否則車站結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生異型或重疊。

因此，結(jié)合裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各分塊基本參數(shù)之間的拓?fù)潢P(guān)系、結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，確定其關(guān)聯(lián)特性：當(dāng)車站分塊部分參數(shù)確定時(shí)，自動(dòng)計(jì)算出與其有預(yù)定關(guān)聯(lián)性的其他參數(shù)；當(dāng)改變某一分塊基本參數(shù)的數(shù)值時(shí)，可智能調(diào)整其他分塊尺寸及相應(yīng)位置，以保證車站橫、縱斷面的完整性。

3.2.3 CATIA參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)

以建立的參數(shù)化特征及其聯(lián)動(dòng)機(jī)制為依據(jù)，編寫CATIA的執(zhí)行程序。首先，利用EXCEL的VBA開發(fā)功能在后臺(tái)連接并啟動(dòng)CATIA軟件，代碼如下：

Set CATIA=GetObject(， "CATIA.Application")

If Err.Number <> 0 Then

Set CATIA=CreateObject("CATIA.Application")

CATIA.Visible=True

End If

然后，基于手動(dòng)建立裝配式地鐵車站時(shí)所錄制的CATIA的宏(VBScript代碼)，將代碼中的具體尺寸替換為已確定的控制裝配式地鐵車站形態(tài)的各參數(shù)，并設(shè)置參數(shù)間的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，參數(shù)數(shù)值由軟件界面讀取，部分過(guò)程如下：

Dim A1_X， A1_Y As Double

Dim A2_X， A2_Y As Double

A1_X=0

A1_Y=CDbl(Sheets("SheetA").Cells(16， 7))+4 * CDbl(Sheets("SheetA").Cells(17， 7))+2 * CDbl(Sheets("SheetA").Cells(21， 7))+CDbl(Sheets("SheetA").Cells(23， 7))+CDbl(Sheets("SheetA").Cells(24， 7))

A2_X=-CDbl(Sheets("SheetA").Cells(6， 7))

A2_Y=A1_Y

Dim point2DA1 As Point2D '第一條線開始

Set point2DA1=factory2D1.CreatePoint(A1_X， A1_Y)

point2DA1.ReportName=3

Dim point2DA2 As Point2D

Set point2DA2=factory2D1.CreatePoint(A2_X， A2_Y)

point2DA2.ReportName=4

Dim line2D3 As Line2D

Set line2D3=factory2D1.CreateLine(A1_X， A1_Y， A2_X， A2_Y)

line2D3.ReportName=5

line2D3.StartPoint=point2DA1

line2D3.EndPoint=point2DA2 '第一條線結(jié)束

這樣，即可實(shí)現(xiàn)基于CATIA軟件的裝配式地鐵車站參數(shù)化建模。

3.2.4 有限元智能計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

(1)利用VBA生成ABAQUS可執(zhí)行的Python腳本文件。

編寫腳本文件前，需確定用于計(jì)算的各參數(shù)，包括車站結(jié)構(gòu)參數(shù)、覆土參數(shù)和荷載參數(shù)。參數(shù)確定后，根據(jù)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[20]、GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]的規(guī)定，可編寫代碼計(jì)算出結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段可能出現(xiàn)的最不利情況的荷載組合。

通過(guò)VBA的print命令在用戶工作目錄下的py格式文件中編寫腳本，將其命名為abaqus.py。將生成的CATIA三維車站模型導(dǎo)入ABAQUS軟件，通過(guò)對(duì)有限元計(jì)算參數(shù)的讀取，在模型中自動(dòng)智能添加材料屬性、施加荷載、建立接觸對(duì)、劃分網(wǎng)格、直至提交計(jì)算，最后得到裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。同時(shí)使程序在控制裝配式地鐵車站形態(tài)的各參數(shù)或有限元計(jì)算參數(shù)改變時(shí)，智能計(jì)算結(jié)構(gòu)所受荷載數(shù)值的變化并施加到模型上，同時(shí)智能調(diào)整接觸面位置，避免因尺寸改變而造成的接觸對(duì)失效，并自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格，保證有限元求解的順利進(jìn)行。部分代碼如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算部分代碼

(2)在VBA 中實(shí)現(xiàn)ABAQUS軟件的調(diào)用。

利用VBA的shell函數(shù)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的Abaqus Command窗口，并且在窗口輸入調(diào)用腳本文件的語(yǔ)句，其代碼如下：

Dim exe As String

exe="C:windowssystem32cmd.exe /c abaqus cae script=X:XXXabaqus.py"

Shell exe， vbNormalFocus

其中，X:XXX為腳本文件abaqus.py所在工作目錄。

這樣，通過(guò)以上兩步，利用ABAQUS軟件的二次開發(fā)接口，可完成有限元的自動(dòng)化智能計(jì)算，實(shí)現(xiàn)定制化仿真分析功能。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 程序界面

以裝配式地鐵車站的智能設(shè)計(jì)流程為依據(jù)，開發(fā)裝配式地鐵車站智能設(shè)計(jì)程序界面。程序主界面如圖4所示。

圖4 程序主界面

主界面上布置有5個(gè)功能按鈕，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)各分塊的生成、裝配、清除及將整體車站結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ABAQUS計(jì)算等功能。

程序的車站形態(tài)參數(shù)各子界面如圖5所示。

圖5 車站形態(tài)參數(shù)子界面

車站形態(tài)參數(shù)子界面由三部分組成：(1)位于左側(cè)的形態(tài)參數(shù)說(shuō)明區(qū)；(2)位于中間的數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)；(3)位于右側(cè)的形態(tài)參數(shù)圖示區(qū)。用戶開始建立一個(gè)新的車站結(jié)構(gòu)模型時(shí)，必須要在數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)域內(nèi)輸入必要的參數(shù)，不輸入或者少輸入初始數(shù)值都無(wú)法正常建立構(gòu)件模型。

程序的有限元模型計(jì)算參數(shù)子界面如圖6所示。

圖6 有限元模型計(jì)算參數(shù)子界面

該子界面包含模型導(dǎo)入ABAQUS后進(jìn)行有限元計(jì)算的所有相關(guān)參數(shù)。用戶在該界面輸入所有參數(shù)后，程序方可進(jìn)行有限元計(jì)算。

4.2 操作流程

(1)輸入裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

在裝配式地鐵車站形態(tài)參數(shù)子界面上，依據(jù)子界面所提供的相關(guān)圖示信息，輸入A塊～Z2塊的所有尺寸參數(shù)及車站長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。在有限元模型計(jì)算參數(shù)子界面上，輸入有限元計(jì)算相關(guān)的所有參數(shù)。

(2)生成各分塊

依次點(diǎn)擊裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)子界面A塊～Z2塊上的“生成分塊模型”按鈕，在CATIA軟件中依次生成三維模型；或直接在軟件主界面上，點(diǎn)擊“結(jié)構(gòu)分塊生成”按鈕，生成所有分塊。生成的車站模型如圖7所示。

圖7 在CATIA軟件中生成的車站各分塊模型

(3)將各分塊裝配為車站模型

在軟件主界面上，點(diǎn)擊“結(jié)構(gòu)分塊裝配”按鈕，可將生成的各分塊裝配為車站橫斷面，再基于用戶輸入的車站長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，將車站橫斷面沿縱向裝配為完整的車站模型?；蛘?，跳過(guò)步驟2，直接點(diǎn)擊軟件主界面上的“結(jié)構(gòu)分塊生成并裝配”按鈕，生成所有分塊并裝配。生成的車站模型如圖8所示。

圖8 在CATIA軟件中生成的三維車站模型

(4)導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算

點(diǎn)擊軟件主界面上的“導(dǎo)入ABAQUS計(jì)算”按鈕，軟件自動(dòng)將生成的車站橫斷面模型導(dǎo)入ABAQUS軟件，基于有限元模型計(jì)算參數(shù)子界面的數(shù)據(jù)，自動(dòng)在車站結(jié)構(gòu)模型上添加材料屬性、施加荷載(圖9)、劃分網(wǎng)格等，最后提交計(jì)算。

圖9 自動(dòng)施加荷載

(5)清除結(jié)構(gòu)分塊

待步驟1～步驟4(即本次地鐵車站結(jié)構(gòu)模型從建模到計(jì)算工作)全部完成后，點(diǎn)擊軟件主界面上的“清除結(jié)構(gòu)分塊”，可開始下一組模型的智能化設(shè)計(jì)計(jì)算工作。

4.3 智能計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上步驟可得到裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)在用戶所設(shè)定靜力荷載作用下的有限元計(jì)算結(jié)果，車站結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力、位移等計(jì)算結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖11 位移計(jì)算結(jié)果

當(dāng)改變裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)和有限元模型計(jì)算參數(shù)時(shí)，程序可自動(dòng)調(diào)整模型尺寸和荷載變化等，并得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

4.4 應(yīng)用情況

研究成果已在深圳市軌道交通四期修編裝配式車站專題研究及咨詢投標(biāo)工作中得到應(yīng)用，經(jīng)實(shí)踐，可將建模及結(jié)構(gòu)計(jì)算效率提高30%以上。該項(xiàng)技術(shù)后續(xù)將推廣至其他裝配式地鐵車站項(xiàng)目，同時(shí)也可為同類裝配式地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供借鑒。

5 結(jié)論

(1)創(chuàng)新性地將參數(shù)化引入到裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，確定了控制車站結(jié)構(gòu)形態(tài)的所有參數(shù)化特征，通過(guò)智能算法建立了車站結(jié)構(gòu)分塊內(nèi)部及分塊之間的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，該參數(shù)化方法切合了裝配式結(jié)構(gòu)初設(shè)階段“柔性設(shè)計(jì)”的特點(diǎn)，對(duì)裝配式地鐵車站的全面參數(shù)化設(shè)計(jì)具有積極的工程意義。

(2)以建立的參數(shù)化特征及其聯(lián)動(dòng)機(jī)制為依據(jù)，利用CATIA軟件的二次開發(fā)接口，形成裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)化建模技術(shù)，一鍵快速建立車站結(jié)構(gòu)模型，并可根據(jù)設(shè)計(jì)需要迅速修改模型，極大地提升了建模效率。

(3)基于車站結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的同源數(shù)據(jù)，利用ABAQUS軟件的二次開發(fā)接口，使用Python腳本語(yǔ)言編制程序，實(shí)現(xiàn)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的有限元智能計(jì)算，并可隨三維模型的變更而自動(dòng)調(diào)整計(jì)算參數(shù)，減少了大量的、重復(fù)性的手動(dòng)操作，提高了計(jì)算效率。

(4)創(chuàng)新了裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)從方案設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化到結(jié)構(gòu)計(jì)算的一體化設(shè)計(jì)工作，推動(dòng)了車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向智能化發(fā)展，為裝配式地下結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。