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仿真+AI 創(chuàng)建基礎(chǔ)設(shè)施的新未來(lái)

來(lái)源：中國(guó)能源新聞網(wǎng) 時(shí)間：2024-06-25 16:27

吳付標(biāo)

　　大漠風(fēng)電，深遠(yuǎn)海平臺(tái)，一帶一路上的高鐵、電站……

　　在新一輪的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)浪潮中，項(xiàng)目與結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，碳中和與可持續(xù)發(fā)展的要求越來(lái)越高，仿真分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　在最近召開的Bentley軟件2024創(chuàng)新智旅—仿真分析產(chǎn)品技術(shù)峰會(huì)上，諸多創(chuàng)新實(shí)例令人矚目。

　　深遠(yuǎn)海工程的突破：海洋石油工程股份有限公司利用仿真技術(shù)精確設(shè)計(jì)亞洲最深水導(dǎo)管架“海基二號(hào)”，極大提升了石油產(chǎn)業(yè)的深遠(yuǎn)海作業(yè)能力。

　　風(fēng)電設(shè)施的創(chuàng)新：福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司運(yùn)用仿真技術(shù)在福建長(zhǎng)樂打造世界級(jí)海上風(fēng)電項(xiàng)目，平均水深達(dá)31米~45米。

　　“一帶一路”的風(fēng)景：在巴基斯坦燃煤發(fā)電項(xiàng)目中，仿真技術(shù)幫助解決了復(fù)雜的地上與地下結(jié)構(gòu)融合問題。

　　大型橋梁工程的精確預(yù)測(cè)：在港珠澳大橋項(xiàng)目中，仿真技術(shù)用于模擬人工島的穩(wěn)定性和變形，提供了土體與結(jié)構(gòu)互作用的精確數(shù)據(jù)。

　　重大場(chǎng)館的安全通達(dá)：在第19屆亞運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)杭州奧體中心，交通仿真技術(shù)助力設(shè)計(jì)進(jìn)場(chǎng)、散場(chǎng)以及緊急疏散方案，保障亞運(yùn)會(huì)的有序進(jìn)行。

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　　從中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)者們的分享中，在與Bentley軟件工程仿真業(yè)務(wù)高級(jí)產(chǎn)品總監(jiān)Josh Taylor的對(duì)話中，我看見了基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)智化的一個(gè)新趨勢(shì)和新能力—仿真分析+AI，及其所帶來(lái)的前所未有的精度、效率、韌性和可持續(xù)發(fā)展前景。

仿真分析：解鎖復(fù)雜工程的新維度

　　仿真技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)工程難題，還開辟了解決新挑戰(zhàn)的途徑。

　　海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院借力海工仿真分析技術(shù)，在深遠(yuǎn)海成功建造?；?hào)。3月12日，中央電視臺(tái)報(bào)道了亞洲第一深水導(dǎo)管架——“海基二號(hào)”在珠海建造完工，這意味著將助力推動(dòng)中國(guó)石油產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步走向深遠(yuǎn)海。然而，這一建造項(xiàng)目所挑戰(zhàn)的各種困難逼近新極限。導(dǎo)管架總高338.5米，總重達(dá)37000噸，用鋼量接近“鳥巢”國(guó)家體育場(chǎng)。導(dǎo)管架作業(yè)海域平均水深約324米，這一深度帶來(lái)的不僅是環(huán)境載荷的急劇增加，還有內(nèi)波流、臺(tái)風(fēng)等惡劣海況的更大影響。中國(guó)海油的建設(shè)者們不僅做到了，而且使得項(xiàng)目成功減重5000噸，節(jié)省了上億元的材料及船舶改造費(fèi)用。這離不開它們創(chuàng)新提出并實(shí)現(xiàn)的“智能導(dǎo)管架”設(shè)計(jì)建造方案，也離不開數(shù)字化仿真分析技術(shù)。

　　談及仿真技術(shù)的應(yīng)用，海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院袁玉杰說(shuō)：“我們長(zhǎng)期使用SACS和MOSES等Bentley海工結(jié)構(gòu)分析軟件。從渤海到南海所有的導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)方案，為我們解決了很多工程難題，也成功地使我國(guó)三座海基深水導(dǎo)管架屹立于南海陸坡區(qū)。我們很榮幸為能源的開發(fā)貢獻(xiàn)了智慧方案?！?/p>

　　山東電力建設(shè)第三工程有限公司以結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)成就一帶一路項(xiàng)目。該公司參與過摩洛哥、印尼、阿曼、巴基斯坦、緬甸、烏茲別克斯坦等不同國(guó)家不同類型的美標(biāo)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。該公司工程咨詢?cè)航Y(jié)構(gòu)專業(yè)工程師王健談到，在巴基斯坦Lucky　1*66萬(wàn)千瓦燃煤電站工程中，有一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)，其上部是鋼結(jié)構(gòu)框架，下部是混凝土池體結(jié)構(gòu)，應(yīng)用STAAD　Pro無(wú)需分開建模，只建一個(gè)模型，即可實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的效果分析，大幅提升了精度和效率。

　　中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院利用巖土仿真分析技術(shù)，解決深達(dá)400米礦山建設(shè)難題。該院總工程師、首席數(shù)字官趙曉峰談到，在有色金屬礦山和露天礦邊坡的建造中，有些工程深達(dá)400米，長(zhǎng)度超過2.2千米。通過巖土類仿真分析軟件PLAXIS的三維建模和應(yīng)力應(yīng)變分析功能，工程師能夠?qū)?fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確分析，為決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。他特別提到，PLAXIS支持直接從鉆孔數(shù)據(jù)建模，與其他CAD軟件兼容，使其在建模和分析過程中更加高效和精確。

　　要說(shuō)的案例還有許許多多，但有一點(diǎn)很清晰。Bentley技術(shù)經(jīng)理孟文談到，一個(gè)典型基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)項(xiàng)目，往往包含多個(gè)不同的專業(yè)以及不同專業(yè)之間數(shù)據(jù)協(xié)同問題。比如海洋工程項(xiàng)目中的結(jié)構(gòu)與巖土專業(yè)，石油石化項(xiàng)目中的管道與結(jié)構(gòu)專業(yè)，結(jié)構(gòu)與巖土專業(yè)等等。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，項(xiàng)目中不同專業(yè)的工程師都是基于人為假定的邊界條件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，這樣不僅效率低下，而且容易造成仿真分析精度的丟失。行業(yè)需要更加全面且高效的仿真解決方案，以幫助用戶更好地在不同專業(yè)間協(xié)同，來(lái)提升仿真精度和效率。

深度融合：仿真分析的殺手锏

　　Bentley廣泛的產(chǎn)品組合、高級(jí)的集成能力、強(qiáng)大的仿真與建模能力給越來(lái)越復(fù)雜、要求越來(lái)越高的工程帶來(lái)了最優(yōu)解。

　　Bentley軟件工程仿真業(yè)務(wù)高級(jí)產(chǎn)品總監(jiān)Josh　Taylor強(qiáng)調(diào)了公司產(chǎn)品之間卓越的互聯(lián)互通和互操作性能力的重要性。他說(shuō)：“我們團(tuán)隊(duì)的一大優(yōu)勢(shì)是跨專業(yè)領(lǐng)域的整合工作方式。例如，海上結(jié)構(gòu)產(chǎn)品SACS模擬的平臺(tái)與巖土分析軟件PLAXIS模擬的土壤之間不是獨(dú)立操作，而是相互影響和互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)解決方案?！?/p>

　　他也談到了結(jié)構(gòu)仿真分析軟件STAAD和壓力管道仿真分析軟件AutoPIPE之間的互動(dòng)。在處理工廠中承受高壓和高溫的管道系統(tǒng)時(shí)，這些系統(tǒng)往往位于鋼結(jié)構(gòu)或管道架上。因此，即使管道工程師專注于管道，而結(jié)構(gòu)工程師專注于結(jié)構(gòu)，他們實(shí)際上需要考慮這兩者之間的互動(dòng)，以便更準(zhǔn)確、更精確地評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)。這種跨軟件的結(jié)構(gòu)與管道互動(dòng)不僅是Bentley的一大優(yōu)勢(shì)，也是整個(gè)工程行業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

　　更值得一提的是，公司在近年收購(gòu)了一款先進(jìn)的有限元分析軟件：Adina。這一收購(gòu)不僅增強(qiáng)了Bentley在有限元模擬仿真方面的能力，還提升了其在高級(jí)分析領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使其能夠處理更加復(fù)雜和嚴(yán)苛的工程問題。這也展現(xiàn)了Bentley持續(xù)構(gòu)建其強(qiáng)大仿真分析軟件組合的企圖心。

　　在仿真分析產(chǎn)品峰會(huì)上，我遇見了鄭州大學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、研究生導(dǎo)師郭攀，他告訴筆者他對(duì)仿真分析技術(shù)研究了20來(lái)年。他談到，經(jīng)過近30年的商業(yè)化開發(fā)，ADINA已經(jīng)成為全球重要的非線性求解軟件，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的工程仿真計(jì)算，包括土木建筑、交通運(yùn)輸、石油化工、機(jī)械制造、航空航天、汽車、國(guó)防軍工、船舶以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。ADINA在計(jì)算理論和求解問題的廣泛性方面處于領(lǐng)先地位，尤其針對(duì)結(jié)構(gòu)非線性、流/固耦合等復(fù)雜問題的求解具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是非線性有限元發(fā)展方向的先導(dǎo)。

　　Bentley也加強(qiáng)了中國(guó)本土化進(jìn)程。針對(duì)新興的深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電，Bentley與中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，歷時(shí)數(shù)年，合作推出了OpenWindPower Floating HDEC全新漂浮式風(fēng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)仿真產(chǎn)品。依賴于雙方在海上風(fēng)電工程開發(fā)與軟件仿真技術(shù)數(shù)十載的探索與積累，OpenWindPower Floating HDEC產(chǎn)品擁有行業(yè)領(lǐng)先的浮式風(fēng)機(jī)仿真與分析能力，致力于為全球客戶提供漂浮式風(fēng)電最佳設(shè)計(jì)仿真解決方案。

與AI融合：創(chuàng)造無(wú)限可能

　　仿真分析技術(shù)不僅通過內(nèi)在的融合以及與CAD、CAE、數(shù)字孿生融合創(chuàng)造更高的價(jià)值。其與AI包括生成式AI的融合，正在創(chuàng)造基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新未來(lái)。

　　筆者在2023年縱覽基礎(chǔ)設(shè)施大會(huì)上，注意到韓國(guó)Hyundai　Engineering的一個(gè)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。該公司在智能工廠的建設(shè)中與Bentley合作，通過集成STAAD軟件與AI，極大地推動(dòng)了項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)的智能化。這一合作使設(shè)計(jì)工作流得以簡(jiǎn)化并自動(dòng)化，利用AI算法自動(dòng)導(dǎo)入不同專業(yè)的重量數(shù)據(jù)，從而避免了手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入的需求。尤其值得一提的是，STAAD軟件與AI的融合創(chuàng)建了包含1,680個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)庫(kù)，并生成了2700萬(wàn)個(gè)預(yù)測(cè)模型。這些模型不僅加快了工作流程、降低了成本，還提高了項(xiàng)目的擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化，為未來(lái)項(xiàng)目奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　AI無(wú)處不在。在《華爾街日?qǐng)?bào)》梳理2023年生成式AI興起及其應(yīng)用的一篇文章中，列舉了五個(gè)案例，其中一個(gè)就是Bentley。

　　談及AI的發(fā)展，Josh　Taylor說(shuō)AI在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)新興、有趣且很有前景的話題。AI的引入，特別是在設(shè)計(jì)過程中，能夠幫助工程師從一個(gè)較為成熟的起點(diǎn)開始工作，而不是完全從零開始。它可以通過預(yù)建的模型和參數(shù)調(diào)整，加快設(shè)計(jì)過程，減少重復(fù)工作，提高項(xiàng)目效率?？偟膩?lái)說(shuō)，雖然AI在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用前景令人期待。但它的作用應(yīng)是輔助而非替代，真正的設(shè)計(jì)仍將依賴于工程師的專業(yè)判斷和創(chuàng)造力。

　　這也讓他想起了往事。就像20世紀(jì)90年代中期軟件開始廣泛使用時(shí)存在的爭(zhēng)議一樣，當(dāng)前對(duì)于AI的利用也引發(fā)了類似的討論。工程界一直認(rèn)為，雖然技術(shù)可以提高效率和精度，但不應(yīng)取代工程師的基本判斷力。正如工程師應(yīng)能獨(dú)立于軟件驗(yàn)證其計(jì)算一樣，AI也應(yīng)作為輔助工具賦能工程師，而非替代工程師的專長(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)：走向明天　探索新未來(lái)

　　在參加了仿真分析產(chǎn)品峰會(huì)并結(jié)束與Josh　Taylor的對(duì)話之后，這幾句話深深印在了我的腦海：

　　基礎(chǔ)設(shè)施工程越來(lái)越復(fù)雜，要解決的問題也越來(lái)越復(fù)雜，不論是大漠高山、深遠(yuǎn)海和一帶一路工程的建造，還是奔向零碳目標(biāo)的使命；

　　仿真分析技術(shù)是解決這些疑難問題的一把金鑰匙，而只有融合解決方案才能帶來(lái)最優(yōu)解；

　　數(shù)字仿真技術(shù)+AI創(chuàng)造無(wú)限可能，繪制可持續(xù)發(fā)展的新愿景。

責(zé)任編輯：楊娜