地下工程施工过程三维数字—数值一体化技术研究与应用

摘要

随着地下空间的开发利用与岩土工程数字化信息化技术的发展，为了对地下工程的建设和发展服务，用数字化方式将大型地下工程施工过程进行直观表现，并集成到数字地下空间与工程(DUSE)系统，是目前正在研究的课题。数值分析方法作为岩土工程领域的一种重要模拟分析手段，将其计算功能集成到三维数字化施工仿真系统是大势所趋。如何对两种系统进行互为补充、扬长避短、高效便捷的集成是这一新兴研究领域的一大难题。
　　 鉴于此，本文以DUSE系统为研究基础，从数字化仿真和数值分析两个角度出发，提出地下工程施工过程三维数字-数值一体化的概念，并以此为主线，对其实现一体化的集成模式、集成内容、技术细节、实施框架等内容进行了全面、系统的研究，同时对其实现一体化的核心技术作了重点研究与实现。将地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)、图形学、系统工程、数字化技术、系统仿真、有限元数值分析等先进技术引入到地下工程施工研究领域，以AutoCAD作为数字化仿真平台，大型有限元软件Ansys作为数值计算平台，利用VB、VC++作为地下工程施工过程三维数字化仿真与数字-数值一体化开发工具，开展了地下工程施工过程三维数字-数值一体化研究及其应用工作，主要研究成果如下：
　　 1、首先以DUSE数据分类标准为基础，将地下工程典型工程数据分类扩充其中。利用钻孔数据建立施工场地三维地质模型，依据数据分类标准制定了地下工程数据库格式标准，并相应设计了地下建(构)筑物数据结构，运用特征建模思想建立地下建(构)筑物三维数字模型。
　　 2、地下工程施工是一个非结构化问题，难以用常规的解析手段进行系统分析，而且地下工程与地上工程显著不同的一点就是涉及土层的开挖与支护，各地下建(构)筑物施工都不免要与地层打交道。本文提出采用系统仿真技术来解决地下工程施工过程模拟这一类问题，并针对现有仿真软件的一些不足，提出了基于GIS的地下工程施工三维动态可视化仿真方法。通过将地理信息系统(GIS)与系统仿真技术相结合，建立地下工程施工过程方法数据库，实现图形辅助仿真建模、地下工程施工全过程三维动态仿真模拟，为大型地下工程设计与施工过程三维分析、控制与管理提供了一个有效的手段。
　　 3、提出基于DUSE的地下工程施工过程三维数字一数值一体化的概念，在课题组提出的数字-数值一体化理论的基础上，采用复合式体系结构(嵌入式+松散式)的集成方式来实现其一体化。从数据、功能和技术三方面来研究集成内容，分别从DUSE数字化系统和数值分析系统的角度构建系统一体化的组织结构，最终制定出严密的地下工程施工过程三维数字-数值一体化系统整体实施框架及其执行步骤。
　　 4、对数字-数值一体化中的核心技术进行研究，针对数字、数值两种模型的差异性，通过依次运用区域切割技术，任意平面域插点加密技术，多岛、多连通域Delaunay三角剖分技术，有限元网格自动生成技术，提出一种CDIM转化法来实现地质及建(构)筑物数字化模型与数值模型的一体化。
　　 5、对地下工程施工过程三维数字-数值一体化系统平台进行总体设计，以ACCESS为数据库支撑，利用VB、VC++作为开发工具，AutoCAD和ANSYS分别作为数字仿真平台和数值计算平台，开发了施工过程三维数字化仿真功能与有限元数值分析功能，实现了数据一体化和功能一体化的集成内容，最后分析了整个一体化系统所存在的不足。
　　 6、工程实例。结合上海世博500kV地下变电站深基坑工程，针对其逆作法施工的特点，提出了基坑工程全逆作法施工过程三维数字化仿真与数值分析一体化方法，并研制开发了“世博500kV地下变电站工程数字化软件”。展示了地下工程施工过程三维数字-数值一体化系统的执行过程和优越性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 课题研究背景

1.2.1 系统仿真基本原理及其在工程领域中的应用现状

1.2.2 仿真技术在土木工程中的发展现状

1.2.3 科学计算可视化理论及其发展趋势

1.2.4 DUSE的发展

1.3 基于DUSE的地下工程施工过程三维数字—数值一体化概念

1.3.1 一体化的定义

1.3.2 数字—数值一体化概念

1.3.3 地下工程施土过程三维数字—数值一体化概念

1.4 研究地下工程施工过程三维数字与数值一体化的必要性

1.5 论文的研究思路与内容

1.6 论文的创新点

第2章 基于DUSE的三维数字化技术研究

2.1 概述

2.2 DUSE系统功能需求分析

2.3 基于GIS的可视化原理和方法

2.3.1 工程三维数据采集

2.3.2 数据格式统一转换

2.3.3 GIS中数据存储与管理

2.3.4 三维数字模型

2.3.5 三维数字模型可视化交互

2.4 信息分类与编码

2.4.1 信息分类基本原则

2.4.2 数据分类与标准化

2.4.3 数据库建设

2.5 特征与特征建模技术

2.5.1 特征的概念

2.5.2 特征建模技术

2.6 基于DUSE的数据库技术

2.6.1 数据表设计要求

2.6.2 数据库访问

2.7 三维可视化数字建模

2.7.1 施工场地钻孔数据地质建模方法

2.7.2 实体CAD图形建模

2.8 本章小结

第3章 地下工程施工过程三维数字化仿真技术研究

3.1 概述

3.2 可视化仿真

3.2.1 可视化仿真涵义

3.2.2 可视化仿真体系

3.3 可视化仿真建模方法

3.3.1 基于图形技术的辅助建模方法

3.3.2 图形辅助建模的理论基础—层次化、模块化建模

3.3.3 全过程仿真建模思路

3.3.4 可视化仿真模型构成

3.4 全过程动态仿真原理与框架

3.4.1 基本概念

3.4.2 全过程动态仿真原理

3.4.3 全过程动态仿真框架

3.5 几何数据库的建立

3.5.1 编程思路

3.5.2 创建数据库的ADO连接

3.5.3 创建数据表

3.5.4 实例应用

3.6 实体类型属性数据库的建立

3.6.1 实体属性信息分类

3.6.2 实体类变量定义

3.6.3 实体类数据类型构造

3.6.4 CAD实体地下建(构)筑物数据库组织方式

3.7 地下工程施工方法数据库的建立

3.7.1 逆作法基本原理

3.7.2 逆作法工艺流程

3.7.3 逆作法施工方法库

3.8 三维空间算法与分析

3.8.1 三维空间算法

3.8.2 三维空间分析

3.9 三维动态数字模型及可视化操作

3.9.1 三维动态数字模型的构造

3.9.2 基于GIS的三维动态演示方法

3.9.3 可视化三维空间查询

3.9.4 可视化仿真系统结构设计

3.10 基于DUSE的数字化监测

3.11 本章小结

第4章 地下工程施工过程三维数字—数值一体化技术研究

4.1 概述

4.2 数字模型到数值平台模型的转化

4.2.1 基于有限元动态特性分析的广义模块化设计

4.2.2 从结构模块 CAD 模型建立有限元模型

4.2.3 地下工程有限单元法的应用

4.2.4 Ansys 在隧道及地下工程施工中的应用

4.2.5 转化手段和方式

4.3 离散数据规则化

4.4 平面散点集限定Delaunay三角剖分

4.4.1 Delaunay三角剖分的研究进展

4.4.2 限定Delaunay三角剖分的研究进展

4.4.3 关键技术及核心算法

4.5 区域切割技术及算法实现

4.5.1 区域切割范围确定

4.5.2 区域切割面构建

4.5.3 区域切割技术

4.5.4 数据结构设计

4.5.5 算法实现步骤

4.5.6 实例验证

4.6 任意平面域插点加密

4.6.1 生成节点

4.6.2 生成网格单元

4.6.3 网格均匀化和加密

4.7 多岛、多连通域Delaunay算法

4.7.1 数据结构定义

4.7.2 判断一个点是否落在一个任意形状的多边形内的方法

4.7.3 核心算法

4.7.4 优化算法

4.7.5 算法实现的基本步骤

4.7.6 实例验证

4.8 基于DUSE的有限元面网格自动生成及算法实现

4.8.1 面网格自动生成条件

4.8.2 几个概念的定义

4.8.3 MTR面网格自动生成的基本思路

4.8.4 STR边界离散方法

4.9 基于DUSE的有限元体网格自动生成

4.9.1 体网格自动生成条件

4.9.2 扫掠法

4.9.3 MSR体网格自动生成的基本思路

4.10 数值分析平台

4.10.1 ANSYS发展及应用现状

4.10.2 ANSYS二次开发

4.11 基坑及其支护结构的建模

4.11.1 围护结构及土体材料属性的模拟

4.11.2 支护结构构件以及土体的单元模拟

4.11.3 基坑工程的ANSYS建模

4.12 基坑工程施工过程的ANSYS模拟

4.12.1 有限元中初始地应力的模拟

4.12.2 基坑施工过程的模拟及ANSYS中的实现

4.13 本章小结

第5章 工程实例及应用

5.1 概述

5.2 工程概况

5.2.1 世博变电站概况

5.2.2 地形地貌与场地条件

5.2.3 水文地质条件

5.2.4 不良地质现象

5.3 数字—数值一体化系统总体介绍

5.4 工程三维地质体和建(构)筑物数字建模

5.4.1 工程三维地质体建模

5.4.2 附属建(构)筑物数字建模

5.5 基坑施工过程三维数字化仿真

5.6 基坑施工过程三维数字化监测

5.7 基坑施工过程三维数值模拟分析

5.7.1 有限元面网格自动生成

5.7.2 有限元体网格自动生成

5.7.3 数字模型到数值模型的转化

5.7.4 施工过程三维弹塑性有限元分析

5.7.5 后处理

5.7.6 数值模型到数字模型的转化

5.8 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果