同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件V30试用版万芳

同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件(V3.0试用版)

一、软件概述

同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件(GeoFBA2D)的研制是在完成多个纵向基金和横向应用技术研究课题的过程中自定的研究项目，旨在提供一套在岩土及地下工程领域适用性强的程序软件。本软件通过最大限度地将有限元通用平台与专业设计模块有机地结合，实现了科学研究成果与工程应用的高度集成与统一。软件主要包括岩土及地下工程的有限元施工动态模拟分析系统，及可考虑施工过程的全量和增量反演分析系统，并内嵌盾构、公路隧道等设计计算及配筋模块。软件主要用户为从事岩土及地下工程的设计、施工、科研、教学工作的相关人员，应用领域为岩土及地下工程，如新奥法、盾构法和顶管法隧道、基坑工程（平面框架，平面有限元）和边坡工程等。

GeoFBA2D主程序包含了前、后处理的所有功能，用户从建立计算模型到分析以及查看计算结果均在GeoFBA2D主程序中进行。其中前处理功能用于根据用户输入的数据建立有限元分析模型。计算程序（嵌于主程序中，不能被单独使用）用于对模型数据进行有限元分析，并输出相应的计算结果。后处理功能则用于将计算结果用直观的方式显示出来。通过使用GeoFBA2D，用户只须将设计图、材料信息、荷载、边界条件等参数以及填土、挖掘、支护等施工相关数据直接输入，就可从获得变形图、等值线、应力分布曲线及内力图等易于理解的直观结果，用户不必关心与有限元理论相关的中间处理过程。

1.1 GeoFBA2D从1998年开始研制，软件主要性能指标如下：

1.采用面向对象的编程技术和三维OpenGL绘图系统，推出集有限元前后处理、计算于一体的岩土及地下工程分析平台，特点包括：

（1）建立了统一的图形开发平台，具有较高的绘图精度和强大的CAD功能，与AutoCAD基本兼容，并有交互接口；

（2）具有有限元计算模型（包含网格、约束、荷载等边界条件）全自动生成功能；

（3）具有有限元计算数据的图形化自动生成，包括有限元模型参数的编辑、录入及存放系统；

（4）可图形显示各施工步内各种计算结果，包括位移、应力和内力图、地层与结构作用力图等；

（5）具有对象内容即时提示显示及量测数据分析计算比较功能。

2.具有目前国内外最先进的岩土及地下工程有限元动态分析系统：

（1）可全自动模拟岩土及地下工程整个施工过程，并有跨开挖步应力释放功能；

（2）具有用于岩土及地下工程的较为齐全的单元库、材料库；

（3）广泛适用于多种岩土及地下工程，如新奥法、盾构法和顶管法隧道、基坑工程（平面框架，平面有限元）、边坡、公路工程等。

3.具有目前国内外软件独有的可考虑施工过程的全量和增量反演分析功能，包括：

（1）施工过程模拟的全量和增量反演分析功能及反演分析过程的自动跟踪显示功能；

（2）待求岩土介质模型和参数任意选择的功能，且内嵌量测信息输入的数据管理系统；

（3）有多种优化方法可供选择，包括单纯形法、阻尼最小二乘法、遗传算法、遗传模拟退火算法和混合遗传算法。

4．内嵌盾构、公路隧道等设计计算及配筋专业模块。

1.2 与国内外同类软件（如与同济启明星、理正等主要基于规范方法开发的专业设计软件）相比，本软件有如下特色：

1 建立了统一的适合于岩土及地下结构设计与分析的图形开发平台，所有模块的开发均在该图形平台上使用面向对象的方法进行，并具有较高的绘图精度和强大的CAD功能，性能优于国内其他同类软件。

2 理论基础为有限单元法，同时结合各种设计规范，实现了有限元计算分析与专业设计的有机结合，是一个独有的集通用有限元分析与专业设计为一体的设计、计算与施工分析的软件。

3 提供了岩土及地下工程通用的正反分析方法，适用范围较为广泛，不仅适合于各类岩土及地下工程的设计与施工分析，同时也适合于科研与教学。

1.3 对比国内外相关文献与软件，本软件的先进性与创造性体现在如下几个方面:

1本软件采用了施工过程动态数值模拟及反演分析技术，其中考虑施工过程中的全量和增量反演分析功能及反演分析过程的自动跟踪显示功能，以及考虑跨开挖步应力释放功能在国内外尚属首次；

2具有配筋计算辅助功能的地下工程设计软件，国内已有文献报道，但未涉及公路隧道、盾构隧道；

3有关基于三维OpenGL绘图系统，具有有限元网格全自动和计算数据的图形化自动生成功能以及采用面向对象的编程技术，前后处理、计算程序一体等技术内容，国内虽有报道，但涉及的均是其它领域，本软件首次将其系统、完整地运用于岩土及地下工程；

4本软件首次实现了包括有单纯形法、阻尼最小二乘法、遗传算法、遗传模拟退火算法和混合遗传算法的多种优化反演方法选择，其中遗传模拟退火算法和混合遗传算法在国内外文献中均未有报道，为本软件特有。

二、GeoFBA2D功能介绍2.1 GeoFBA2D的界面

当第一次启动GeoFBA2D时，屏幕的最上方有菜单，最下方有状态栏，中间是绘图窗口、命令窗口及几个工具条。每个工具条上的一个图标代表了一个命令。

2.2 常用功能

2.2.1 文件操作

文件操作有以下的一些主要功能：

1 新建：用于建立一个新的数据文件

2 打开：用于打开并读入已存在的数据文件

3 关闭：用于关闭当前的数据文件

4 保存：用于重新保存已存在的文件

5 另存为：用于将当前数据保存到指定的文件中去

6 保存为图像：将当前窗口内显示的图形内容保存为BMP图像

7 导入DXF文件：用于读入AutoCAD的DXF格式的文件

8 导出DXF文件：将当前文件输出为AutoCAD的DXF格式文件

9 打印：提供了将当前窗口显示的内容在打印机上打印输出的功能

2.2.2 编辑操作

1 撤消：用于恢复最近几次的操作结果，通常在误操作的情况下使用

2 重复：此功能是上一命令的相反操作，用于重复上一次的操作内容

3 复制：将当前窗口的显示内容以图像的形式保存当Windows系统的剪贴板上，可用于向其它程序如Word等传递图像

4 全部选中：此功能用于将当前窗口内的所有对象标记为选中状态

5 全部取消选中：用于将当前窗口内的所有已标记为选中状态的对象恢复为未选中状态

2.2.3 查看功能

1 原始改寸：用于返回用户初始定义的坐标范围或系统默认的坐标范围

2 放大：用于将当前窗口的内容放大一倍

3 缩小：用于将当前窗口的内容缩小一倍

4 窗口放大：用于放大用户指定的窗口内容

闭凌云 后处理器5 动态缩放：于动态缩放当前窗口的内容。也即随着鼠标的上、下拖动，窗口内显示的内容在随时的放大或缩小

6 移动窗口：用于移动窗口内显示的内容

7 缩放至全图：用于将所有内容在当前窗口中显示出来

8 全屏幕：用于全屏显示当前窗口的内容

9 各种工具栏的开启与关闭

2.3 建模功能

2.3.1 绘图功能

绘图功能主要有以下一些方面：绘制直线、三角形、四边形、矩形、圆、圆弧、文本或根据4点产生网格等。

2.3.2 修改功能

修改功能有：删除、移动、复制、镜象、修剪、延长到边界、偏移、分割等。

2.3.3 选择功能

GeoFBA2D中，所有的绘图对象和有限元对象都可以被选中并对其进行一些操作。在对这些对象进行操作之前，必须先将它们选中。用户一进入GeoFBA2D之后，默认的状态就是选择状态，一条命令执行完之后也会返回到选择状态。GeoFBA2D提供了以下几种选择方式：

l 点选与框选并存方式：当用户指定屏幕上一点之后，首先进行点选操作，如果点选失败的话（也即没有选到任何对象），则进入框选状态。框选时，如果指定的第二点坐标的X值大于第一点的X值，则只有被此框完全包围的对象才被选中；如果指定的第二点坐标的X值小于第一点的X值，则凡是与此框相交的对象都会被选中。

l 框选方式：此时，不进行点选，而只用框选

l 点选方式：在这种情况下，只允许点选，不允许框选操作。

l 切换方式：在这种方式下，如果一个对象已被选中，则第二次对它进行选择时，将其转换到未选中状态。如果此对象还未被选中，则选中它。

此外，GeoFBA2D还提供了选择过滤器，以使用户非常方便快捷地进行选择。当过滤器的某一项或者多项被打开时，就表示这些选项对应的对象已经被“过滤”掉了，它们将不能被选中。例如，当直线过滤器选择被打开时，就表示直线就不能被选中了，其它过滤器选项的功能依次类推。

2.4 有限元特有功能

GeoFBA2D中有限元特有功能有：

1 定义材料功能：

GeoFBA2D允许用户以自然的方式定义和使用材料。用户首先在材料编辑器中定义材料名称、选择材料类型、输入材料常数、选择材料显示颜色及材料填充模式等。之后，用户就可以通过此材料名称将材料赋给指定的单元。此外GeoFBA2D还提供一些常用材料的参数及允许用户将定义的材料保存供以后使用。

2 定义开挖步和增量步功能：

GeoFBA2D通过定义开挖步模拟岩土工程施工中的开挖过程（开挖的同时也可新增单元），而增量步可以和有限元计算过程中的增量计算结合使用。设置好开挖步和增量步后，还需填写增量步释放系数。增量步释放系数是指开挖步中每个增量步的应力释放百分比。特殊情况下增量释放系数可在该开挖步不全部释放，而在后续开挖步中陆续释放。

3 生成网格功能：该功能用于生成多开挖步方式下的有限元结点和单元。

4 单元新增和挖去功能：GeoFBA2D允许用户在任意定义的开挖步和增量步都可以挖去和新增单元，同时可以添加边界条件。

5 添加位移和荷载边界条件功能：用于向模型中添加位移边界条件和荷载边界条件。

6 材料赋值功能: 该功能用于将材料赋值给指定的单元。

7 结点移动功能: 该功能用于移动模型中的结点用以调整有限元的网格。

8 输入反分析参数的功能

2.5 辅助功能

辅助功能包括以下几个方面：

1 绘图辅助工具：主要有格点显示与捕捉、正交绘图模式、角度捕捉、对外端点、中点、圆心、交点捕捉等功能、以及结点捕捉功能等。

2 图层功能：用于将绘图对象和有限元对象分层管理。

3 材料过滤器功能：用于控制不同材料的单元显示与关闭、锁定等功能。

4 选择过滤器功能：见2.3.3选择功能。

5 智能化的光标处对象即时提示功能：用于对光标处的对象信息进行即时的提示。

2.6 有限元计算模块

2.6.1 正分析适用于施工全过程力学性态分析，可模拟：

1 问题：一维弹性地基梁和平面框架结构；平面应力、平面应变和轴对称。

2 模型：弹性和非线性地层弹簧；各向同性线弹性体和非线性弹性体；各向同性弹塑性体、受拉非线性体；横观各向同性、正交各向异性线弹性体；节理面、接触面的弹塑性体及非线性体。

3 单元模式：平面单元;节理、接触面单元;桁架元或杆元;直(曲)梁-弹簧元及直(曲)梁-接头元。

4 对象：岩石地下结构，如新奥法隧道；软土地下结构，如盾构法、顶管法隧道；基坑工程（平面框架—m法，平面有限元法）；边坡、坝体工程、桩基工程及高层建筑与地基共同作用。

5 施工过程：分部开挖和填筑；分步支护和拆除。

2.6.2 通用灵活的反馈分析功能，主要特点有：

1 输入量测信息的数据库管理系统；

2 岩土介质和结构模型可任意指定，力学特性和地应力等反演参数可任意选择；

3 动态施工过程的增量反演分析功能；

4 采用混合编程技术,具有动态跟踪分析功能；

5 多种优化方法。

2.7 后处理功能后处理功能主要有：

1 显示位移图

2 显示应力等值线

3 显示应力云图

4 显示主应力矢量图

5 显示屈服区

6 显示结构内力图(轴力、剪力、弯矩)

7 显示介质-结构作用力图

8 显示量测数据

9 显示位移历史记录

三、开发及使用情况

本软件为集成化的岩土及地下工程有限元分析系统，从80年代中期开始研制并投入使用，有关成果获94年原教育部科技进步三等奖，97年上海市土木工程学会及98、99年中国土木工程学会优秀论文奖，98年度建设部科技进步二等奖, 99年上海市科技进步三等奖，2000年上海市市政局科技进步一等奖2项。

本软件先后在福建省交通规划设计院、福建省林业设计院、天津大学建筑工程学院、重庆大学资源与采矿工程学院、湖南大学土木工程学院、长沙中南勘察设计院、北京铁道部专业设计院、日本大阪地域地层环境研究所、韩国三星建设研究所、上海市政工程设计院、北京总参四所、铁道部第14工程局一处、上海隧道股份公司施工技术研究所、上海水电勘察设计院、安徽省公路工程设计院、北京城建设计院、广东省水电设计院、广西交通规划与勘察设计院、四川石油勘察设计院、铁道部第二勘察设计研究院、浙江大学土木工程学院、桂林工学院土木工程系、重庆交通学院桥梁系、青岛市建设委员会等国内外的多家设计、施工、研究单位所采用，得到良好的评价，内容涉及的范围包括：

(1)水电站大型地下厂房的围岩稳定性分析，如天荒坪、广州抽水蓄能电站地下厂房、响洪甸、响水涧、东风电站地下厂房地下洞室稳定性分析，宜兴抽水蓄能电站地下洞室、拉西瓦水电站地下洞室反演分析；

(2)人防隧道工程的施工模拟分析，如总参人防某软弱破碎围岩隧道；

(3)城市地下铁道、地下结构、深基坑、沉管隧道、顶管隧道的施工模拟及最小埋置深度的研究，如北京、深圳、上海、青岛地铁隧道设计计算，广州地铁车站施工分析，日本大阪市NO.7号线基坑与区间隧道施工分析，黄浦江行人隧道端头井、外滩金融中心深基坑工程、华敏广场、杭州安居工程综合楼基坑工程施工力学分析与计算，百乐园地下结构施工力学分析与计算，甬江沉管隧道变形预测分析，江苏润杨大桥锚碇围护结构分析，上海合流污水顶管隧道施工分析等；

(4)公路隧道的新奥法设计分析，如浙江任胡岭高速公路隧道及浅埋暗挖的分析与计算、福建南平城市环城隧道设计计算，福建省交通规划设计院和林业设计院均将本软件用于高速公路隧道的设计分析；

(5)高速公路软基及地基处理施工沉降预测分析：安徽宣芜高速公路、苏嘉杭高速公路、大宁绿地堆筑土山等。

--------------------------------------------------------------------------------下载地址:http://www.softking.com.cn/download/GeoSetup.zip 查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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