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(jìn)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(jì)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(jìn)行互為補(bǔ)充、揚(yáng)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(shí)現(xiàn)一體化的集成模式、集成內(nèi)容、技術(shù)細(xì)節(jié)、實(shí)施框架等內(nèi)容進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究，同時(shí)對其實(shí)現(xiàn)一體化的核心技術(shù)作了重點(diǎn)研究與實(shí)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(jìn)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(jì)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(kuò)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(jì)了地下建(構(gòu))筑物數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)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(jìn)行系統(tǒng)分析，而且地下工程與地上工程顯著不同的一點(diǎn)就是涉及土層的開挖與支護(hù)，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(shí)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(jì)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(shí)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(yán)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(shí)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(jìn)行研究，針對數(shù)字、數(shù)值兩種模型的差異性，通過依次運(yùn)用區(qū)域切割技術(shù)，任意平面域插點(diǎn)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(shí)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(jìn)行總體

7、設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)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(shí)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(diǎn)，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