基于RHINO-KUBRIX的FLAC3D建模方法及應用

吳 勇

(中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710065)

1 概述

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)軟件是由Itasca公司研發推出的一款連續介質力學分析軟件，該軟件是Itasca公司旗下全球知名度最高的軟件之一，目前推廣到全世界數十個國家，享譽于巖土工程學術界[1]。FLAC包括二維和三維兩個版本，即FLAC2D及FLAC3D。然而在實際分析對象的網格建造中存在一些問題，FLAC3D內置的12種初始單元網格模型在模型較小、形狀比較規則的簡單地質體建模上比較容易，但是對于大型復雜地質體(如長大不良地質洞段隧道模型)網格模型的構建上有較大的技術困難且工作量巨大，容易出錯，不易檢查等問題。

因此，如何將便捷高效的三維建模與FLAC3D強大的數值計算分析結合起來，成為巖土工程一個新的探索方向。許多學者已在這方面做了一些有意義的工作。例如，廖秋林等[2]基于ANSYS軟件平臺和Visual Basic語言編寫的FLAC3D-ANSYS接口程序；胡斌等[3]基于FLAC3D提供的初始單元模型和Fortran語言編寫了FLAC3D前處理程序；王樹仁等[4]應用MATLAB編寫MIDAS/GTS-FLAC3D接口程序等研究在很大程度上提高了FLAC3D數值模型的建造效率。但這些方法均是通過接口程序將其他數值軟件的模型轉化成FLAC3D模型，受限于其他數值軟件的建模能力及應用人員的編程能力，很難實現含有多地層、形狀復雜的地質模型構建。為此，本文基于三維圖形處理軟件RHINO及接口軟件KUBRIX探討了多地層、形狀復雜的三維地質模型的創建。

2 軟件介紹

2.1 建模軟件

Rhinoceros(簡稱RHINO)強大的曲面建造能力和優質的模型結構生成使得它能夠便捷高效地創建非常精確的三維模型。KUBRIX是ITASCA公司為其3D巖土工程分析軟件所設計的用來構建高質量網格的一款專用軟件。同時KUBRIX是一款能和包括RHINO在內的實體建模軟件集成合作的網格自動生成器，能智能、高效地控制網格單元大小和網格精度。

RHINO和KUBRIX協同工作原理是，首先在KUBRIX中進行目標FLAC3D網格參數的設置，包括網格最大邊緣長度、網格等級、生成網格相比較導入網格的節點相對偏移以及切割角等參數設定，之后導入在RHINO中生成的Ascii格式的三角形化網格文件(.STL文件)，KUBRIX會自動讀取三角形化后的網格面和節點的數量信息并檢查三角網格面在被賦予模型截面屬性后自行相交情況并進行修復，之后KUBRIX會根據前面設置的參數對模型重新網格化并且進行網格面間的相交檢查，最后成功生成FLAC3D網格文件(.flac3d)和生成FLAC3D網格所包含的網格面數目，節點數目以及不同屬性模塊的數目等信息文件。

2.2 計算軟件

FLAC是連續介質快速拉格朗日差分法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的簡寫。作為力學計算的數值方法之一，FLAC在地下工程、礦業、巖石力學等研究領域應用解決的一系列巖土方面的問題。FLAC利用差分格式按時步求解，在計算過程中隨著網絡形狀的不斷變化，不斷更新坐標，允許介質發生較大的變形。

3 實例建模

3.1 工程概況

本文以四川G4216線仁壽經沐川至屏山新市(含馬邊支線)段高速公路大梗上隧道為工程背景。四川仁壽經沐川至屏山新市鎮高速公路馬邊支線段LJ21標段，場區內出漏及鉆探揭露的地質為新生界第四系全新統沖洪積層、崩坡積層及中生界侏羅系中統沙溪廟組。其中大梗上隧道左線長度為2 957 m，右線長度為2 947 m，隧道內允許最大縱坡±3%，最小±0.3%，隧道橫坡為2%。擬采用數值軟件對隧道開挖后圍巖的變形特征與應力狀態進行分析計算，從而達到安全施工的目的。本文主要講述了采用一種新的建模方法構建大梗上隧道的三維數值模型，模型長1 900 m，寬200 m。

3.2 建模過程

RHINO是自下而上依次通過點、線、面和體，從而建立實體模型。強大的實體分割、布爾運算可以實現實體之間的加、減、組合等復雜運算。在RHINO中打開工程設計CAD圖，通過運算得到實體模型，再對實體進行網格劃分，可以控制網格單元的大小、形狀和網格的精細化水平，最終生成RHINO網格文件(.STL)導入到KUBRIX中再生成FLAC3D網格文件。具體步驟如下所示：

1)根據設計方案，用RHINO構建擬建模地段隧道橫斷面圖，與計算對象無關的部分進行預處理，如圖1所示。

2)根據設計方案中隧道縱斷面圖按照一定比例在RHINO中構建隧道縱斷面地質圖，并將隧道橫斷面圖(如圖1所示)放置在隧道縱斷面圖中對應的隧道位置，沿著隧道縱向走向拉伸，拉伸方式為擠出實體，如圖2所示。

3)同樣在RHINO中，通過“擠出實體”“布爾運算”“分割”“修剪”等形成模型中不同地層的GROUP以不同顏色所表示，具體做法是將整個模型的邊界線以及各個地層分別向兩側各擠出100 m，擠出方式為擠出實體，使得隧道實體模型寬度為200 m將數值模型以不同的“GROUP”表示，如圖3所示。

4)在RHINO中，將代表不同地層的“GROUP”以實體組合方式組合成一個整體實體模型，如圖4所示。

5)在RHINO中，將各個非流形曲面組合后生成隧道實體模型轉化成網格模型，繼而將網格模型三角化，輸出ASCII格式的三角花網格模型(.STL文件)，如圖5所示。

6)將RHINO輸出的網格文件(.STL文件)在KUBRIX中經過相關參數設定后進行網格面再次劃分并且最終生成四面體網格的FLAC3D網格文件(.flac3d文件)，如圖6所示。

在FLAC3D中進行節點匹配驗證，輸入命令“ATTACHFACE”輸出為“0 grid-points attached”，表明各個節點銜接良好。整個建模過程約為3 h，相比其他建模方式，RHINO-KUBRIX節約了大量的時間、工作量，而且輸出模型也較美觀、質量較好，各個GROUP的劃分得當，工作也基本滿足初衷。

4 結語

本文基于分析功能強大的巖土工程計算軟件FLAC3D，提出基于RHINO-KUBRIX方法構造FLAC3D復雜三維數值模型的方法。由于RHINO軟件具有強大的作圖功能，操作又類似于CAD，因此工程人員只需要幾何圖形的數據點，就可以利用RHINO軟件的圖形處理功能構造三維實體模型并進行查看和修改，繼而借助KUBRIX優質網格的生成功能，以及兩者與FLAC3D的完美銜接來完成數值計算的前期模型生成階段。最后將此方法應用于仁沐新高速公路大梗上隧道不良地質洞段模型構建中，驗證了該方法的可行性與有效性。