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岩土工程与结构工程的差异及各岩土软件的特点分析

作者:软荐小编      2024-08-23 15:12:12     170

总体来说,岩土工程与结构工程不同,结构工程涉及的材料多为人工材料,很多模型可以精确分析结构的力学和变形性质,而岩土工程面对的材料主要为岩土体。随着岩土材料的各种变异性,岩土材料的分析就不那么确定了。因此,各个岩土软件在各自的领域都有自己的长处,都以自己独特的功夫称霸了世界。下面就用金庸的武侠人物和功夫来描述各个岩土软件,就当茶余饭后的话题吧。考虑到这些软件在不同的领域都有自己的长处,下面的描述不分先后顺序,就随心所欲地随便写写。

1.六脉神剑-MIDAS

新版天龙八部里的段誉就是思密达的,他的招牌技能六脉神剑也去了韩国,虽然有时候能用有时候不能,但毕竟是高端产品。高端的MIDAS也是思密达出品,玩过魔兽争霸3的朋友可能知道,MIDAS原意是希腊神话中的战神,拥有点石成金的本领,韩国人的意思可能是他们的软件也能点石成金,点木头成桥。说实话MIDAS无论从哪个角度看都是高端的,从2002年进入中国以来,一直瞄准高端项目,比如北京奥运会的场馆、各地的高楼、特殊结构工程、桥梁、隧道等都有用到MIDAS。目前其岩土产品有MIDAS/GTS(岩土与隧道三维有限元分析软件),其他产品均在建筑和桥梁领域。与传统岩土工程设计不同,MIDAS致力于通过有限元分析和模拟进行研究。但与结构工程不同,岩土材料的差异和本构模型的适用性在使用有限元结果进行设计时一直存在争议。但不可否认的是,他们的照片就像韩国帅哥美女一样,还是挺不错的。

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2. 太极:正石正土

太极最初是张三丰创造的,是中国本土的,练的人很多。理正走的也是同样的路子,也是本土产品,在国内比较早做岩土设计,也比较为大部分中国人所熟悉,在传统岩土设计方面比较扎实,填补了国产岩土软件的空白,没有数值分析模块,跟MIDAS比起来,完全是两个风格。后来随着业务的壮大,逐渐扩展到工程管理、信息管理等方面,连我们单位的OA系统都是理正的。以前我以为他们只做岩土软件,基坑、挡土墙、地基、测量等大部分岩土问题都覆盖了,跟有限元软件比起来,更容易上手,不过用多了之后,也发现有些细节有点问题,对规范的理解还是有些偏差。总体来说,还是很实用的设计软件,在国内的设计院里有很多忠实的用户。毋庸置疑,李正对中国的现代化建设做出了巨大的贡献。

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3. 降龙十八掌 - GEO5

大家只知道降龙十八掌的特点可以用八个字来概括:简单、实用、强大。真正推广降龙十八掌的并不是郭靖,而是契丹人萧峰。GEO5也是国外的产品,来自捷克的土木工程软件公司Fine,专注岩土设计二十多年,在欧美非常有名,是主流的岩土设计软件,用户超过三千家。不知什么原因,一直没进入中国,近一两年才在国内汉化,加入中国标准,才正式登陆大陆,算是国内后起之秀了。早前我下载了试用版来玩,第一感觉非常好用,越玩越觉得这个小样真的有意思,乍一看跟李正很像,仔细玩了一下发现GEO5很多细节处理得比较精细。我感觉GEO5更贴近设计师,更懂我们设计师的习惯,很符合GEO5的设计理念——简洁、高效,通过旁边的按钮,设计思路就能清晰的展现出来。据说他们主打的口号就是——“好用”,呵呵,简约风格。据说GEO5是唯一一款同时兼容中国和欧洲标准的中文版软件,实用性很强,特别适合近几年“走出去”的中国设计院。另外值得一提的是,GEO5的计算书更接近于一份设计报告。相比于很多软件计算书单纯的堆砌设计数据,GEO5确实非常难得。我审核过很多边坡基坑工程,每次看到他们的计算书,都觉得头疼,相当于自己重新算一遍。在这方面,GEO5的计算书是一个亮点。弱点是虽然他们也有3D地质建模,但是GEO5却没有真正的3D数值分析模块,不过这好像不是他们的开发理念。对于想用3D数值分析做科研的人来说,最好还是选择FLAC3D或者PLAXIS 3D。不过GEO5的2D有限元分析软件也是数值分析软件中最实用的岩土工程有限元软件之一。最关键的是这款软件还有个人版,价格便宜到其他软件都比不上,同时和企业版也没什么区别,只是没有欧美标准里的验证方法,中国标准里是没有问题的。

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4. 向日葵系列 - FLAC3D

没有“自我阉割精神”,你还真搞不定这个东西,一旦搞定,你绝对是高手。它来自Itasca,一款基于有限差分法的数值分析软件,主要应用于科研领域,在学校也经常用到。比较有特色的一点是可以模拟岩土体的形成过程,可以很方便的模拟分析岩土体的开挖施工过程,也就是在模拟物理不稳定过程方面没有数值障碍。采用“混合离散法”模拟塑性破坏、塑性流动,比有限元法常用的“离散积分法”更加精确合理。可以采用多种本构模型进行分析。在进行大变形非线性问题或者模拟实际可能出现的不稳定问题时,FLAC3D就能大显身手了。但是它的前处理功能较弱,难以建立复杂的三维模型。另外FLAC3D需要用户自己编写模型程序,复杂且容易出错,喜欢命令流的朋友可能很喜欢,但是FLAC3D的后处理更加方便。

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5. ABAQUS

乾坤大挪移是波斯武功,必定气势磅礴。ABAQUS来自法国达索SIMULIA,在处理非线性材料方面能力很强,考虑到岩土材料主要是非线性材料,ABAQUS非常适合岩土应用。ABAQUS包括丰富的单元库,可以模拟任意几何形状,有各种类型的材料模型库,可以解决大量的结构(应力/位移)问题,也可以模拟热传导岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)等,特别是可以处理非常庞大复杂的问题,模拟高度非线性的问题,也有专门的模块来解决一些特殊问题。在不同材料之间的接触问题上,ABAQUS优势明显,主要用在科学研究中,在工程设计领域应用并不广泛。

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6. 易筋经 - Geostudio

易筋经很有名,主要练的是内功,如果练得好,还是很有威力的,很多武术家都去少林寺练,反正打不死人,哈哈!Geostudio是国内比较流行的适合岩土工程和岩土环境模拟计算的专业、高效、功能强大的模拟软件。特别是Geostudio 2007,有一个突出的优点就是它的所有软件都可以运行在同一个环境中,也就是说用户只需要建立一个几何模型,就可以在所有软件中使用,这为用户节省了大量的建模时间。另外,用户可以在解区域上而不是有限元网格上定义模型的边界条件和材料属性。这样做的好处是,我们可以随意修改几何模型,而不用担心先前定义的模型属性丢失。例如,如果增加土层厚度,模型的边界条件也会随着土层厚度的变化而移动。同时会自动生成新的有限元网格,这对建模非常方便。与其他软件相比,Geostudio的地震反应分析软件在分析线性和非线性土体的水平和垂直耦合动力反应方面独具特色。此外,Geostudio的三维渗流分析软件Seep3D将强大的交互式3D设计引入到饱和和非饱和地下水的建模中,在渗流分析方面非常强大。另外值得一提的是,它的等势线动画演示功能也很有特色。同样适用于工程应用和科学研究。

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7. Rocscience

北冥神功是逍遥派的宗师无涯子创建的。同样,Rocscience 是加拿大岩石力学大师 Evert Hoek 创建的。这位老头子出生在津巴布韦,酒桌上大家都说他是“一事无成的地方”理正结构软件,哈哈。记得我上学的时候老板对这位大佬赞不绝口。就连老板自己写的岩坡稳定性分析设计程序,也是根据 Evert Hoek 写的书《RockSlope Engineering》编写的。这本书有中文版,也推荐给各位岩石爱好者。Rocscience 的产品有 Dips、Slide、Phase、Examine、RocSupport 等软件,在岩石工程领域独树一帜。他的一些小工具,比如结构面分析工具 Dips,沉降分析 Settle,都非常好用。

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8. 美女拳击 - 晨星

美人拳法是杨过调戏小龙女时自创的,威力大但不算很厉害。启明星来自同济大学,依托国内一流的土木工程院校,专业研究基坑、桩基等岩土工程问题。主要产品有:基坑、桩基、浅基础、风电基础、边坡、降水、基坑开挖环境影响等,紧跟中国标准(包括国家标准和行业标准),引入各种新方法、新分析手段。在上海地区还是比较普遍使用的,比较适合工程设计,使用比较简单,缺点是跟国内其他设计软件差不多,跟国外产品相比,设计界面还是过于简单,用户友好度不是很高。

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9. PLAXIS

手指魔术是黄药师的杰作,用起来风骚,实用性很好。大型岩土工程有限元设计计算软件Plaxis来自荷兰​​,最近和清华大学的同事聊天,得知他的导师宋二祥是PLAXIS源代码的编写者之一。这个世界真的太小了。PLAXIS可以分析岩土工程中的二维和三维变形、稳定性、地下水渗流等问题。软件包括Plaxis动力模块、PlaxFlow地下水渗流模块、Plaxis 3D隧道软件V2、Plaxis 3D基础软件。其中三维地基可以计算目前所有的大型桩筏基础。相比其他大型岩土有限元分析软件,我个人觉得PLAXIS更容易上手,它解决的问题更贴近工程,适用性更强。可以计算平面应变问题和轴对称问题两类工程问题,模拟单元包括:土体、墙梁、结构域土体地基面、锚杆、土工织物、隧道、桩基等,分级荷载分析功能比较强大。

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10.小无相公-ADINA

逍遥派的逍遥功也是一门高端功夫,但是知道的人并不多。ADINA就是这样一款并不为人熟知的高端产品理正结构软件,从它的全名Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis就可以知道它的特点。没错,ADINA的动态有限元分析功能非常强大,我曾经用它分析过一段时间标准侵彻试验的动态侵彻过程。它在建模上非常直接,可以直接创建,也可以从CAD中导入。之所以能用来做动态有限元模拟,主要是可以将物理性质、载荷和边界条件直接赋值给模型的几何形状,因此修改有限元网格不受模型清晰度的影响,并且可以灵活控制单元尺寸分布。它在分析结构振动、冲击波分析上非常强大,主要用在高校和一些军工企业的科研上。

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11. 先天力量 - Zsoil

王重阳的先天神功没人见过,小说里出现之前就死了的伟人不多,王重阳就是其中之一。zsoil是老外玩的高端产品,听说过没见过,对我来说挺神秘的,只听说过没用过,不知道跟其他有限元比起来有什么特点。希望高手可以多多交流,可以的话上传个PJ版或者视频教程。

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