高性能计算技术使工程驶上高速路

奥运工程设计中火灾模拟技术的应用、杭州湾大桥和浦东机场二期航站楼数值风工程技术、央视新大楼罕遇地震作用下的弹塑性时程分析……随着超高、超长、大跨等复杂工程的大量涌现，工程设计中对高性能计算的需求越来越迫切。高性能计算技术以分布式计算资源和网络技术为基础，依托高端计算软件运用计算技术，高效地解决了大型复杂结构高精度分析、优化和控制等问题，促进了工程结构水平和质量的提高。

近年来，高性能计算在工程的许多领域都得到了成功应用，如高层、超高层建筑结构抗震性能分析、计算风工程、大型复杂工程施工模拟、混凝土高坝仿真分析、地下结构的高性能分析。

促进高层建筑结构抗震性能分析

中国土木工程学会的研究表明，在建筑结构地震分析中，大震作用下的非线性变形分析是一项技术难度较高的工作。早在20世纪60年代初，人们就对非线性分析进行了大量研究并提出了各种计算方法，但实际应用却进展缓慢。近年来，随着有限元技术和计算机软硬件技术的飞速发展，特别是PC机性能的不断提升和网格技术的普及，建筑结构抗震设计中对大震作用下的结构性能进行精确分析已成为可能。据了解，目前，已提出了一些行之有效的结构非线性分析方法和能够较真实反映结构非线性特性的数学模型，并编制了商用计算程序，如ABAQUS。

中央电视台新楼工程就使用软件在小型机上对结构进行时程分析，结构计算模型总计有75849个单元、218351个节点、711423个自由度。动力非线性分析采用直接积分中的显示算法，输入地震波持时20秒，计算耗时28小时。

伴随着计算技术的发展和计算机软硬件水平的提高，建筑结构的非线性分析模型经历了从二维平面模型、层模型到三维空间模型的变化。应用精细的微观模型，采用基于材料动力损伤本构的纤维束模型和弹塑性板壳单元模拟梁、柱、墙板等结构构件，已经成为复杂结构大震作用下非线性动力分析的主导趋势。

天津津塔工程采用了在罕遇地震下动力非线性仿真。该工程88层、高350米，采用内筒薄钢板剪力墙外框筒的新颖结构方案。由于罕遇地震作用时内筒薄钢板剪力墙进入弹塑性的屈曲状态来耗散地震能量，因而必须对结构的精细网格分析才能反映出抗震性能。采用8台PC共22个CPU并行计算，计算耗时48小时。

采用CFD技术的计算风工程

据了解，高性能计算应用于研究风作用，取得了一些进展。在高层、超高层建筑、大跨度空间结构的设计中，风是关键的主控作用之一。研究风作用的主要手段有两个：风洞试验和风环境数值模拟。风环境数值模拟也称计算风工程，因其可以用原型尺度建立计算模型、周期短、费用低，近年来应用越来越广泛。日本的重大建筑工程中，进行数值模拟和风洞试验的比例为 60%和40%。

计算风工程研究解决的是围绕建筑物的风速场分布问题，采用的主要手段是CFD（计算流体动力学）技术。由于大型复杂工程的规模较大，计算域一般要取工程本身的4 10倍，离散的网格通常达到数百万以上，数值模拟计算量巨大，对计算设备的要求较高，目前的模拟软件基本都在工作站上运行。

新广州火车站属大跨屋盖结构，结构复杂、体量庞大，总建筑面积为37.78平方米。车站南北纵向长约448米，东西横向长约398米。先进的风工程数值模拟仿真方法贯穿在这一大型复杂建筑工程的结构抗风过程中。建立数值风洞计算模型中采用了内外域分区流域构造和网格划分方法，整体上将数值风洞分成两部分。数值模型体网格单元总数约为435万。

用于大型复杂工程施工模拟

现在很多大型复杂工程都进行施工模拟。建筑结构的施工方法、施工工艺、进度控制等因素都对结构的最终受力有重要影响。施工模拟方法反映了恒载对结构的作用。中央电视台新楼主楼设计和施工控制就采用了详细的模拟分析。央视新楼主楼是由两个倾斜的塔楼在顶楼各伸出一个70米的大悬臂，两悬臂的端部相互连接使两塔楼形成一个连体结构。塔楼倾斜、高空大悬臂和连体结构是工程的突出特点。施工模拟可以监测整个过程。对结构刚度、施工荷载、施工找平、基础沉降进行把握。

高性能计算作为高科技的前沿，是土木工程计算机应用创新的突破口。工程中超高、超长、大跨度等复杂工程的大量涌现，使设计人员对高性能计算的需求越来越迫切。计算机软硬件技术日新月异的高速发展，使过去“贵族化”的高性能计算降低了门槛，特别是PC机性能的不断提升和网格技术的普及，促使高性能计算向平民化过渡。但目前，这只是一个开始，真正在全行业普及应用还任重而道远，还需要更多、更深入的研究。如何推动高性能计算的普及和应用，如何完善高性能计算平台上软件的配置以及如何提高数值计算水平将是人们关注的焦点。（消息来源：中国建设报）

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