地下工程施工過程三維數(shù)字—數(shù)值一體化技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、隨著地下空間的開發(fā)利用與巖土工程數(shù)字化信息化技術(shù)的發(fā)展，為了對地下工程的建設(shè)和發(fā)展服務(wù)，用數(shù)字化方式將大型地下工程施工過程進行直觀表現(xiàn)，并集成到數(shù)字地下空間與工程(DUSE)系統(tǒng)，是目前正在研究的課題。數(shù)值分析方法作為巖土工程領(lǐng)域的一種重要模擬分析手段，將其計算功能集成到三維數(shù)字化施工仿真系統(tǒng)是大勢所趨。如何對兩種系統(tǒng)進行互為補充、揚長避短、高效便捷的集成是這一新興研究領(lǐng)域的一大難題。
　　 鑒于此，本文以DUSE系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)

2、，從數(shù)字化仿真和數(shù)值分析兩個角度出發(fā)，提出地下工程施工過程三維數(shù)字-數(shù)值一體化的概念，并以此為主線，對其實現(xiàn)一體化的集成模式、集成內(nèi)容、技術(shù)細節(jié)、實施框架等內(nèi)容進行了全面、系統(tǒng)的研究，同時對其實現(xiàn)一體化的核心技術(shù)作了重點研究與實現(xiàn)。將地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)、圖形學(xué)、系統(tǒng)工程、數(shù)字化技術(shù)、系統(tǒng)仿真、有限元數(shù)值分析等先進技術(shù)引入到地下工程施工研究領(lǐng)域，以AutoCAD作為數(shù)字化

3、仿真平臺，大型有限元軟件Ansys作為數(shù)值計算平臺，利用VB、VC++作為地下工程施工過程三維數(shù)字化仿真與數(shù)字-數(shù)值一體化開發(fā)工具，開展了地下工程施工過程三維數(shù)字-數(shù)值一體化研究及其應(yīng)用工作，主要研究成果如下：
　　 1、首先以DUSE數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，將地下工程典型工程數(shù)據(jù)分類擴充其中。利用鉆孔數(shù)據(jù)建立施工場地三維地質(zhì)模型，依據(jù)數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)制定了地下工程數(shù)據(jù)庫格式標(biāo)準(zhǔn)，并相應(yīng)設(shè)計了地下建(構(gòu))筑物數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，運用特征建模思想建

4、立地下建(構(gòu))筑物三維數(shù)字模型。
　　 2、地下工程施工是一個非結(jié)構(gòu)化問題，難以用常規(guī)的解析手段進行系統(tǒng)分析，而且地下工程與地上工程顯著不同的一點就是涉及土層的開挖與支護，各地下建(構(gòu))筑物施工都不免要與地層打交道。本文提出采用系統(tǒng)仿真技術(shù)來解決地下工程施工過程模擬這一類問題，并針對現(xiàn)有仿真軟件的一些不足，提出了基于GIS的地下工程施工三維動態(tài)可視化仿真方法。通過將地理信息系統(tǒng)(GIS)與系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合，建立地下工程施工過程

5、方法數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)圖形輔助仿真建模、地下工程施工全過程三維動態(tài)仿真模擬，為大型地下工程設(shè)計與施工過程三維分析、控制與管理提供了一個有效的手段。
　　 3、提出基于DUSE的地下工程施工過程三維數(shù)字一數(shù)值一體化的概念，在課題組提出的數(shù)字-數(shù)值一體化理論的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合式體系結(jié)構(gòu)(嵌入式+松散式)的集成方式來實現(xiàn)其一體化。從數(shù)據(jù)、功能和技術(shù)三方面來研究集成內(nèi)容，分別從DUSE數(shù)字化系統(tǒng)和數(shù)值分析系統(tǒng)的角度構(gòu)建系統(tǒng)一體化的組織結(jié)構(gòu)，最

6、終制定出嚴密的地下工程施工過程三維數(shù)字-數(shù)值一體化系統(tǒng)整體實施框架及其執(zhí)行步驟。
　　 4、對數(shù)字-數(shù)值一體化中的核心技術(shù)進行研究，針對數(shù)字、數(shù)值兩種模型的差異性，通過依次運用區(qū)域切割技術(shù)，任意平面域插點加密技術(shù)，多島、多連通域Delaunay三角剖分技術(shù)，有限元網(wǎng)格自動生成技術(shù)，提出一種CDIM轉(zhuǎn)化法來實現(xiàn)地質(zhì)及建(構(gòu))筑物數(shù)字化模型與數(shù)值模型的一體化。
　　 5、對地下工程施工過程三維數(shù)字-數(shù)值一體化系統(tǒng)平臺進行總體

7、設(shè)計，以ACCESS為數(shù)據(jù)庫支撐，利用VB、VC++作為開發(fā)工具，AutoCAD和ANSYS分別作為數(shù)字仿真平臺和數(shù)值計算平臺，開發(fā)了施工過程三維數(shù)字化仿真功能與有限元數(shù)值分析功能，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)一體化和功能一體化的集成內(nèi)容，最后分析了整個一體化系統(tǒng)所存在的不足。
　　 6、工程實例。結(jié)合上海世博500kV地下變電站深基坑工程，針對其逆作法施工的特點，提出了基坑工程全逆作法施工過程三維數(shù)字化仿真與數(shù)值分析一體化方法，并研制開發(fā)了“世