книги / Основы автоматизации проектирования в строительстве

турных систем, как: AutoCAD (DXF, DWG), 3D Studio (3DS), StruCAD, Hyper Steel, МАЭСТРО, ArchiCAD, Architectural Desktop, Allplan, Allplot и др.

3. Комплекс по расчету и конструированию железобетонных монолитных зданий МОНОМАХ

Программный комплекс «МОНОМАХ» предназначен для рас­ чета и проектирования конструкций многоэтажных зданий из моно­ литного железобетона. В результате работы комплекса производит­ ся расчет модели здания и отдельных его частей с формированием рабочих чертежей и схем армирования конструктивных элементов. В нем реализованы нормативы и стандарты России, Украины, дру­ гих стран СНГ. Разработана информационная связь с системами

AutoCAD и ArchiCAD.

ПК «МОНОМАХ» состоит из отдельных подсистем (табл. 11.5), которые связаны информационно, и при этом каждая из них может работать в автономном режиме.

спостроением эпюр усилий, изополей перемещений

инапряжений; определяет расчетную площадь арма­ туры для стеновых элементов и выполняет констру­ ирование для указанных зон армирования.

ПК «МОНОМАХ» имеет встроенную экспертную систему, которая в процессе расчета сообщает пользователю о некоррект­ ных приемах решения: недостаточном сечение элемента, переармировании и т.п.

4. Расчетные комплексы для конечно-элементного анализа грунтового основания

Опыт строительства ответственных сооружений и особенно нарастающее число известных аварий на строящихся или ранее по­ строенных объектах указывают на необходимость учета реальных свойств геотехнической среды при одновременном подробном представлении особенностей конструкций и технологии их возве­ дения. На современном этапе для решения этих проблем применя­ ются специализированные программные средства численного ана­ лиза напряженно-деформированного состояния грунтового основа­ ния и взаимодействия фундаментных конструкций с грунтом: PLAXIS (PLAXIS BV, Нидерланды); Z_SOIL PC 2007, разработка которого была начата в Калифорнийском технологическом инсти­ туте и продолжается в настоящее время международным коллекти­ вом разработчиков; Fem Models (С.-Петербург, Россия) и другие. На примере одного из них покажем возможности этих программных продуктов.

PLAXIS - расчетный комплекс, состоящий из набора приклад­ ных вычислительных программ для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния грунтового основания в условиях плоской и осесимметричной задач [88]. Предназначен для решения сложных геотехнических задач на этапах строительст­ ва, эксплуатации и реконструкции сооружения. Программа находит применение во всех видах традиционной геотехнической инжене­ рии: она используется при проектировании дамб и водохранилищ, сооружении фундаментов и оснований, насыпей, котлованов и под­ порных стенок, укреплении откосов, расширении дорог, перемеще­ нии плотин, решении вопросов инфильтрации (просачивания), про­ ектировании тоннелей, проходческих щитов, станций метро.

Основные возможности программы:

-Моделирование грунтов с применением моделей, апробиро­ ванных в современных геотехнических расчетах (упругопластиче­ ская модель Кулона-Мора, модель слабого грунта типа Cam-Clay, реологическая модель с учетом ползучести грунта, упругопластиче­ ская модель упрочняющегося грунта, упругопластическая модель анизотропного скального грунта).

-Моделирование строительных конструкций набором готовых специальных элементов: плитных элементов для моделирования гибких плоских конструкций; стержневых элементов для моделиро­ вания анкеров, распорок, стоек, раскосов; элементов обделки тун­ нелей кругового и некругового сечения; тонких плоских элементов для моделирования геотекстиля, геосеток.

-Расчет начального напряженного состояния грунтового мас­ сива с учетом процесса его формирования.

-Расчет избыточного порового давления в процессе консоли­ дации водонасыщенных глинистых грунтов.

-Расчет напряжений и деформаций в элементах системы «осно- вание-фундамент-сооружение». Оперативный визуальный анализ развития напряженного и деформированного состояний в любом элементе расчетной схемы (конструкция, грунт) на любом этапе рас­ четов с помощью графических материалов (таблицы, эпюры, изоли­ нии, графики, анимационное представление).

-Создание расчетных схем в режиме черчения CAD с учетом неоднородности строения грунтового основания, геометрии соору­ жения, действующих нагрузок и граничных условий.

Внастоящее время разработаны дополнительные модули, рас­ ширяющие возможности программного комплекса:

♦PLAXIS DYNAMICS - анализ воздействия на грунты вибра­ ций, причиной которых служат забивка свай, дорожное движение, землетрясение и т.д.

♦PLAXIS 3D TUNNEL - трехмерный анализ деформаций и ус­ тойчивости при проектировании тоннелей, сооружаемых как щито­ вым способом, так и с использованием тоннельной оболочки.

♦PLAXFLOW - фильтрационный расчет насыщенных и нена­ сыщенных водой грунтовых массивов в условиях плоской задачи методом конечных элементов.

♦PLAXIS 3D FOUNDATION - анализ напряженно-деформиро­ ванного состояния системы «основание - фундамент - сооружение»

вусловиях трехмерной (пространственной) задачи.

5. Универсальный конечно-элементный программный комплекс ANSYS

Универсальные многоцелевые пакеты проектирования и анали­ за (ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, STAAD, GTSTRUDL и др.) строятся по модульному принципу с универсальными инфор­ мационными и управляющими связями между модулями. Это гиб­ кие и удобные системы численного моделирования для широкого круга отраслей производства, в том числе и строительства, позво­ ляющие выполнять полноценный анализ своих проектных разрабо­ ток и тем самым добиваться максимальной эффективности затрат на вычислительную технику и программные средства.

На примере программы конечно-элементного анализа ANSYS [5, 26, 80], разработанной Джоном Свенсоном и сотрудниками фирмы Swanson Analysis Systems Incorporated (SASI) в 1970 году и являющейся одной из самых мощных в мире, имеющей сертифи­ кат ISO 9001, покажем возможности такого рода программ. ANSYS работает в среде операционных систем самых распространенных компьютеров - от PC (в среде Windows) до рабочих станций и супер­ компьютеров, в последнем случае, главным образом, в операцион­ ной среде UNIX.

Универсальность программы заключается в том, что ее можно использовать при решении широкого круга технических задач:

прочности, теплофизики, гидро-газодинамики, электромагнетиз­ ма, аэроупругости, акустики, вибрации, а также можно решать свя­ занные задачи.

ANSYS выполняет сложный прочностной анализ конструк­ ций (статический, динамический) с учетом разнообразных нели­ нейностей, среди которых геометрическая и физическая нелиней­ ности, нелинейное поведение конечных элементов, потеря устой­ чивости конструкций. Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных моделей (например систе­ мы «здание - фундамент - основание»), является средством, с помо­ щью которого можно решать задачи оптимизации конструкций на стадии проектирования, а также контактные задачи.

Программа ANSYS содержит ряд специализированных моду­ лей, в частности для строительной отрасли:

♦CIVILFEM - для анализа строительных конструкций,

включающий библиотеку свойств строительных материалов, биб­ лиотек сечений, элементы и методики расчета армированных балок

иоболочек, предварительно напряженного бетона, нелинейный ана­ лиз бетонов, проверки бетонов, стальных элементов согласно зару­ бежным нормам, механику грунтов, модули по расчету дамб, мостов, нагрузок от транспортных средств.

♦ANSYS/LS-DYNA - для моделирования и исследования про­ цессов столкновений и аварий, разрушения конструкций, сложных объектов под воздействием статических и динамических нагрузок; для моделирования процесса землетрясения, а также технологиче­ ских процессов, болтовых и заклепочных соединений и других.

ANSYS имеет связь с CAD-системами: AutoCAD, Autodesk Mechanical Desktop, Microstation, Unigraphics, Pro/Engineer, Solid Works и др. и связь с САЕ-САМ-системами: NASTRAN, ABAQUS и другими.

Все типы расчетов, выполняемые программой ANSYS, основа­ ны на классических инженерных представлениях и концепциях. Со­ вокупность дискретных областей (элементов), связанных между собой в конечном числе точек (узлов), представляет собой матема­ тическую модель системы, поведение которой нужно анализиро­ вать. Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели. К степеням свободы в зависимости от типа анализа относятся перемещения, повороты, температуры, давления, скорости, потенциалы электрических или магнитных по­ лей; их конкретное содержание определяется типом элемента, кото­ рый связан с данным узлом. В соответствии со степенями свободы для каждого элемента модели формируются матрицы жесткости (или теплопроводности), масс, сопротивления (или удельной тепло­ емкости). Эти матрицы приводят к системам совместных уравнений, которые обрабатываются так называемыми «решателями». ANSYS содержит самый широкий набор методов решения среди конечно­ элементных пакетов, обеспечивающих быстрейшее решение задач любой размерности (от 1000 до 1000000 неизвестных и более).

По умолчанию для решения систем уравнений используется фронтальный решатель, в котором имеется так называемый Rank-n алгоритм, обеспечивающий параллельную обработку системы урав­ нений, т.е. вычисление основных неизвестных не порознь, а группа­ ми (на основе метода Гаусса).

В качестве альтернативы фронтальному решателю можно ис­ пользовать любой из итерационных решателей на основе трех итерационных методов: метода обусловленных сопряженных гра­ диентов, метода сопряженных градиентов Якоби и метода частич­ но сопряженных градиентов Холесского, которые сокращают вре­ мя решения и ресурсы компьютера при анализе больших моделей. С помощью алгоритмов прямого действия обычно получают «точ­ ное» решение системы, а итерационные решатели дают сходящее­ ся от итерации к итерации приближенное решение.

Решатель ПК ANSYS - воплощает новый уровень технологии расчетов, он снабжен «распознавателем» конечных элементов, дает возможность проводить анализ сложных задач, используя настоль­ ные рабочие станции, при этом для больших задач обеспечивается

на порядок более быстрое решение и большая экономия дисковой памяти.

Библиотека программы насчитывает более 110 конечных эле­ ментов. Многие из них снабжены опциями, позволяющими вносить новые подробности и детали в формулировку элемента, что значи­ тельно увеличивает объем библиотеки элементов. Конечные элемен­ ты предназначены для моделирования двумерных (2D) или трехмер­ ных (3D) моделей и могут рассматриваться как объекты, принимаю­ щие следующие геометрические формы: точка, линия, поверхность или объем.

В распоряжении пользователя имеются как линейные, так и квад­ ратичные (с промежуточными узлами в середине стороны) элементы.

Многие элементы прочностного и теплового анализа снабжены средствами определения ошибки решения, что используется в про­ грамме для вычисления той доли погрешности, которая связана, главным образом, с дискретизацией сетки.

В настоящее время наблюдается явно выраженная тенденция все большего усложнения используемых расчетных схем и увели-

С помощью этой программы формируется геометрическая мо­ дель здания или сооружения, задаются граничные условия и внеш­ ние нагрузки. При этом автоматизированные инструменты поэтаж­ ного создания модели и задания внешних нагрузок естественны и понятны инженеру-строителю. По результатам созданной модели автоматически формируется программный код (программа) на язы­ ке APDL, который передается в ANSYS для расчета.

В заключение следует отметить, что современный рынок про­ граммных средств, предназначенных для расчетов и обоснования проектных решений в строительстве, достаточно обширен, но при этом следует понимать, что идеальных программ не бывает. Пра­ вильный выбор необходимого программного обеспечения с учетом решаемых задач позволит сэкономить значительные денежные средства как в настоящем, так и в будущем.

Контрольные вопросы

1.Расскажите о программах автоматизации инженерных мето­ дов расчета.

2.Раскройте понятие «интегрированные системы прочностного анализа».

3.Дайте характеристику вычислительного комплекса ЛираWindows.

4.Расскажите о проектно-вычислительном комплексе Structure

CAD (SCAD Office).

5.Характеризуйте комплекс по расчету и конструированию железобетонных монолитных зданий МОНОМАХ.

6.Расскажите о современных расчетных комплексах для конеч­ но-элементного анализа грунтового основания.

7.Расскажите о возможностях универсального конечно-элемен­

тного программного комплекса ANSYS.