勘察设计领域的工程仿真方案

安世亚太 2019年9月25日浏览：2203

勘察设计是工程建设的重要环节，在工程建设中起到龙头作用，是提高工程项目投资效益、社会效益，环境效益的最重要因素。勘察设计涉及多个专业领域和行业，从专业技术上可以分为地质勘查、城市规划、园林设计、建筑设计、结构设计、公用设备（包括水暖电）、室内设计、施工等；从行业领域上涉及到住宅建筑、大型公共建筑和商业建筑、石油化工、公路、铁路、水利水电、邮电、电力、航空、工业厂房等。因此勘察设计是一门涵盖多专业学科和多工业领域的设计技术。

勘察设计行业经过多年的发展，逐渐形成了自己的发展方向，目前现代建筑向结构奇特新颖，大空间、大跨度、超高、轻量化方向发展；同时向节能环保的气候适应性绿色建筑的方向发展；以及向智能化、精细化、适应人体工学工程等方向去发展。

上述的发展方向都是没有设计规范和设计经验可供借鉴和参考的，需要设计者必须具备创新的理念和方法。其中数字化仿真技术为勘察设计提供了一种创新的手段，可以在建筑选址、城市规划、建筑外形设计、建筑布局、结构强度设计、建筑通风方案、建筑设备选型、建筑节能等方面提供数字化的解决方案，提高建筑的经济性、实用性、舒适性、节能性和创新性，为勘察设计的发展提供助力。

ANSYS公司作为全球计算机辅助工程（CAE）领域最主要的软件供应商，在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流，ANSYS在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、工业建筑、桥梁、大坝、码头、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。从结构方面来看，ANSYS可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从流体动力方面来看，ANSYS可以仿真建筑的风载、室外风环境、室内通风和舒适度、防火安全等问题。

应用方向有，建筑物、地震计算、电站、厂房、海上或近海工程、桥梁工程、预应力、非线性混凝土、隧洞工程、基础工程、地质力学、土力学问题、大坝工程、索膜结构、特殊建筑结构等。

边坡工程

随着近年来国家基本建设力度的加大,工程建设中遇到的边坡稳定问题相应的增多。事实上，在边坡的施工及运营过程中，边坡失稳现象时有发生，且边坡一旦失稳，其往往带来严重后果。因此，对边坡进行模拟和分析判断其稳定性，并制定出有效的防护与治理措施，具有十分重要的理论与工程实践意义。

边坡工程的稳定性分析是岩土工程中的一项重要工作，也是岩土工程领域的一个研究热点。有限元法通过分析结构的应力应变结果来判断边坡稳定的状况，不需要假设滑移面形状和简化滑块间的相互作用力，并能考虑土体的弹塑性特征及各种不同形式的边坡形式，以及各种加载条件，所以，在边坡稳定分析方面有限元分析具有不可比拟的条件和优势。

基础工程

建筑结构的基础设计是结构设计中的重要环节，直接关系到整体结构的安全性、适用性，它承托着上部结构的总重量，既要具有足够的强度承受上部荷载且传递到地基，又要具有足够的刚度保证上部结构不会因为基础的不均匀变形而产生附加应力，对于高层建筑、桥梁结构等大型结构，基础设计至关重要。但是由于下部地基不确定因素很多，对基础的受力性能影响也相当显著，使得基础设计成为整个结构设计中最复杂的部分。ANSYS可以辅助设计，模拟各种类型基础受力，基础和地基的相互作用。

ANSYS能很好的模拟桩土的共同作用。考虑土体的力学性能及接触单元的设置，对应不同的基础形式及土层条件，土体与结构的相互作用以及基础和上部建筑的受力和变形得到较好的反映。ANSYS中可以考虑不同的土的本构模型，包括Drucker－Prager模型，Mohr－Coulomb模型，Extended DP模型，CAP模型等。

地下工程

地下工程最大的特点就是它的赋存环境和工程本身的不确定因素太多，这包括工程区域的地质构造、围岩产状和岩性、岩体力学参数、地应力场构成、地下水分布以及开挖支护等施工因素的不确定性等。正是由于这些不确定因素的存在，使得每一个地下工程都具有自己的特殊性，尤其是像大型水电站地下厂房洞室群这样的地下工程，它的洞室规模巨大，尺度和断面形状各异、布置复杂、纵横交错，地质环境千差万别，因而每一个新的地下水电站洞室群，对设计和施工都是新的挑战。

砼坝温度场与应力场全过程仿真模型

隧道工程设计

隧道结构的动静力学计算是一项比较困难的课题。地层岩土介质和隧道结构相互作用过程相当复杂。只有具有规则几何形状和理想的材料特性，且载荷形式与边界条件是简单的线弹性体系，才能得到较为精确的解答。但是，对于非线性岩土体内的连续或不连续介质和任意几何外形的隧道结构，其力学计算必须借助有限元法，采用ANSYS可模拟隧道的开挖、支护及连续施工过程模拟。

水工结构工程

ANSYS提供了二维及三维的水压-位移耦合单元，结合拉普拉斯方程及边界条件，ANSYS可以模拟复杂边界条件下的水头变化及孔隙水压力分布。

针对边坡稳定问题,ANSYS能解决的问题有：

1．施加重力，计算边坡的初始应力文件。

2．采用接触单元模拟硬性结构面，包括横向，纵向，交错向的断面。

3．模拟锚杆的加固作用。

4．采用优化技术对弹-塑性岩土材料参数进行确定性优化反分析。

5．采用强度折减理论展开边坡稳定性研究。

大坝施工过程分析模拟

建筑室外风环境

建筑室外风环境是研究空气气流在建筑外部空间的流动状况及其对建筑物使用的影响，是建筑环境中的一个重要组成部分，它和热环境、声环境、光环境并列是建筑环境设计的主要内容。建筑室外风环境研究是建筑学、城市规划、城市气候、环境保护等领域的共同面临的问题。建筑室外风环境与建筑物的外形、尺寸、建筑物之问的相对位置以及周围的地形地貌有着很复杂的关系。如果在城市规划和建筑设计中忽略了风环境问题就有可能给城市环境带来不利影响，或者影响建筑本身的某些功能，或者在建筑物周围造成风害。因此非常有必要进行建筑室外风环境问题的分析。

《中国绿色建筑评价标准》对室外风环境有严格的要求：建筑物周围人行区距地1.5m高处，风速ν<5m/s，风速放大系数<2，严寒、寒冷地区冬季保证除迎风面之外的建筑物前后压差不大于5Pa，且有利于夏季、过渡季自然通风，住区不出现漩涡和死角。

ANSYS流体分析软件可以对建筑外形设计和整体布局的各种方案进行评估，寻找达到最优室外风环境的设计方案。

某社区建筑群风场流线分布

某石化厂房周围的风场和安全性分析

建筑室内自然通风

建筑室内自然通风是指依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换。自然通风不但可以保证建筑室内获得新鲜空气，带走多余的热量，而且又不需要消耗动力，节省能源，节省设备投资和运行费用，因而是一种经济有效的通风方法。室外自然风吹向建筑物时，在建筑物的迎风面形成正压区，背风面形成负压区，利用两者之间的压差进行室内通风，就是风压通风。热压通风则是因为室内外温度差引起空气的密度差而产生的空气流动：当室内空气温度高于室外时，使室外空气由建筑物的下部进入室内，而从建筑物的上部排到室外；而当室外温度高于室内时，则气流流向相反。自然通风的形式：贯流式通风；单面通风；风井或者中庭通风。

绿色建筑大力提倡在夏季和过渡季采用自然通风，以达到节约能源的目的，提高经济效益。

ANSYS流体分析软件可以在设计阶段通过分析指导自然通风口的设计和布局，以满足建筑在过渡季节充分利用当地的主导风向进行自然循环通风，达到节约能源、改善室内空气品质等……