达索系统建筑结构设计白皮书

寂静回声

大型建筑项目由于建筑过程中发生意外事件或设计变更，常常造成成本超支和工程延期。众所周知的，任何建筑项目都需要在成本、时间和质量间保持平衡，才能尽可能实现最终产品的盈利性、安全性和可持续性。

在建筑项目中，建筑师和结构工程师首先需要构思出适合于建筑预定功能的概念设计。需要明确可能的结构载荷，同时概念设计需要考虑这些载荷在结构中如何高效地传递并分配给地基。这一阶段的任何错误或不当设计选择都会给最终效果造成严重的时间与成本影响。如果结构组件是预制件，那么预制件和最终结构的设计需要依据制造预制件的难易程度，因其往往包含专门设计的新材料。此外还需要考虑这些部件的运输和最终装配过程。因此有必要在早期设计设计选择如何影响建造过程、建造用时和建造成本开展完整研究。此外该研究需要迅速完成，而且也需要提供综合全面的数据，以便让建筑师和工程师正确地比较不同的概念设计。

在概念设计选定后，工程师需要构思足够详细的最终设计方案。当建造进入实施阶段，建筑的部分部件可能需要在原始设计的基础上做改动。在这种情况下，我们需要能够迅速发现任何结构修改给最终产品的安全性和可靠性造成的影响。同时需要更新最终设计，并且关于后续修改的信息需要准确、及时地传递给施工现场的工程师。

在建筑设计领域，虚拟或图形仿真模型能帮助完成概念设计，将多种标准纳入考虑范围，例如布局、位置、景观和光照。此外逼真渲染能用于提高设计表达的真实度，增加它们对客户的价值。

在工程领域，虚拟表达能用于改善结构的几何构型。这些构型随后能用在计算分析中，以预测施加载荷和支撑条件下的结构变形与应力。在这样的仿真分析完成后，可以显示和核验预测的数值。以这些数值为依据，工程师就能确定计划结构的强度、稳定性和安全性，然后完成结构设计。

在施工领域，最终设计随后用于使用合适的仿真工具进行材料评估、规划施工顺序、管理施工过程。

可以看出，仿真对任何土木工程项目的3个阶段（概念与建筑设计阶段、工程设计阶段、施工阶段）都有帮助。尽管这3个阶段各有单独的仿真工具可供选择使用，但在项目的不同阶段间传递信息时，可能发生信息缺失。因此土木工程项目需要能够无缝地连接建筑、工程与施工阶段的仿真工具。达索系统就能提供这样的仿真工具。

达索系统在3DEXPERIENCE®平台上提供的结构设计与施工（Structure Design for Fabrication）流程专门开发用于为工程师和建筑师提供统一功能，能够虚拟地表达概念设计、开展工程分析、分析施工顺序、整体管理多个建筑项目，同时保持对单个构建的追踪。其为项整个项目提供一种独特表达，能够让多名用户同时进行远程访问，根据各自的需要获取信息。任何构件的变更都能反映到整个项目中，包括对项目日程的影响以及对结构载荷和响应的可能影响。

除在3DEXPERIENCE平台上提供结构设计与施工（Structure Design for Fabrication）流程，达索系统还为复杂仿真与分析提供使用Abaqus®仿真软件的解决方案，适合于预应力钢筋混凝土、损伤结构仿真、隧道和地基基础力学分析以及复杂结构的地震响应分析。在下面的章节中，我们将介绍部分应用Abaqus仿真软件模拟桥梁和建筑物设计和施工的例子。

从CATIA®模型入手，使用3DEXPERIENCE平台的物理应用为桥面列车移动等现象创建仿真模型和执行仿真分析。如下图，一个典型箱梁桥的双平衡悬臂梁先进行网格划分，然后进行有限元分析。让一列标准的TGV列车通过跨距，在车轮位置施加适当的轴向荷载。车轮被视为质点，在质点位置因重力作用施加垂直荷载。定义质点与桥面板间的接触条件，让质点集沿桥面纵向平移，以仿真列车通过。

美国明尼苏达州明尼阿波利斯I-35号高速公路跨越密西西比河的钢桁架拱桥，该桥长1907英尺，8车道，于2007年8月1日倒塌。美国国家运输安全委员会和其他政府机构细致调查了这次事故，并开展详细有限元分析。

图为坍塌开始时一段该桥梁的特写照。使用Abaqus仿真软件对节点板和连接进行详细分析。结论认为倒塌发生原因是节点板厚度不够，不足以承担增大的载荷。载荷增大的原因包括对桥梁本身的改造以及坍塌当日桥梁上的建筑活动造成的集中载荷增加。