仿真+AI 创建基础设施的新未来

来源：中国能源新闻网 时间：2024-06-25 16:27

吴付标

　　大漠风电，深远海平台，一带一路上的高铁、电站……

　　在新一轮的基础设施建设浪潮中，项目与结构变得越来越复杂，碳中和与可持续发展的要求越来越高，仿真分析技术应运而生。

　　在最近召开的Bentley软件2024创新智旅—仿真分析产品技术峰会上，诸多创新实例令人瞩目。

　　深远海工程的突破：海洋石油工程股份有限公司利用仿真技术精确设计亚洲最深水导管架“海基二号”，极大提升了石油产业的深远海作业能力。

　　风电设施的创新：福建永福电力设计股份有限公司运用仿真技术在福建长乐打造世界级海上风电项目，平均水深达31米~45米。

　　“一带一路”的风景：在巴基斯坦燃煤发电项目中，仿真技术帮助解决了复杂的地上与地下结构融合问题。

　　大型桥梁工程的精确预测：在港珠澳大桥项目中，仿真技术用于模拟人工岛的稳定性和变形，提供了土体与结构互作用的精确数据。

　　重大场馆的安全通达：在第19届亚运会主会场杭州奥体中心，交通仿真技术助力设计进场、散场以及紧急疏散方案，保障亚运会的有序进行。

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　　从中国基础设施的建设者们的分享中，在与Bentley软件工程仿真业务高级产品总监Josh Taylor的对话中，我看见了基础设施数智化的一个新趋势和新能力—仿真分析+AI，及其所带来的前所未有的精度、效率、韧性和可持续发展前景。

仿真分析：解锁复杂工程的新维度

　　仿真技术不仅解决了传统工程难题，还开辟了解决新挑战的途径。

　　海洋石油工程股份有限公司设计院借力海工仿真分析技术，在深远海成功建造海基二号。3月12日，中央电视台报道了亚洲第一深水导管架——“海基二号”在珠海建造完工，这意味着将助力推动中国石油产业稳步走向深远海。然而，这一建造项目所挑战的各种困难逼近新极限。导管架总高338.5米，总重达37000吨，用钢量接近“鸟巢”国家体育场。导管架作业海域平均水深约324米，这一深度带来的不仅是环境载荷的急剧增加，还有内波流、台风等恶劣海况的更大影响。中国海油的建设者们不仅做到了，而且使得项目成功减重5000吨，节省了上亿元的材料及船舶改造费用。这离不开它们创新提出并实现的“智能导管架”设计建造方案，也离不开数字化仿真分析技术。

　　谈及仿真技术的应用，海洋石油工程股份有限公司设计院袁玉杰说：“我们长期使用SACS和MOSES等Bentley海工结构分析软件。从渤海到南海所有的导管架的设计方案，为我们解决了很多工程难题，也成功地使我国三座海基深水导管架屹立于南海陆坡区。我们很荣幸为能源的开发贡献了智慧方案。”

　　山东电力建设第三工程有限公司以结构仿真分析技术成就一带一路项目。该公司参与过摩洛哥、印尼、阿曼、巴基斯坦、缅甸、乌兹别克斯坦等不同国家不同类型的美标设计项目。该公司工程咨询院结构专业工程师王健谈到，在巴基斯坦Lucky　1*66万千瓦燃煤电站工程中，有一些结构复杂的输煤转运站结构，其上部是钢结构框架，下部是混凝土池体结构，应用STAAD　Pro无需分开建模，只建一个模型，即可实现整体结构的效果分析，大幅提升了精度和效率。

　　中国有色金属工业西安勘察设计研究院利用岩土仿真分析技术，解决深达400米矿山建设难题。该院总工程师、首席数字官赵晓峰谈到，在有色金属矿山和露天矿边坡的建造中，有些工程深达400米，长度超过2.2千米。通过岩土类仿真分析软件PLAXIS的三维建模和应力应变分析功能，工程师能够对复杂的地质结构进行精确分析，为决策提供强有力的技术支持。他特别提到，PLAXIS支持直接从钻孔数据建模，与其他CAD软件兼容，使其在建模和分析过程中更加高效和精确。

　　要说的案例还有许许多多，但有一点很清晰。Bentley技术经理孟文谈到，一个典型基础设施行业项目，往往包含多个不同的专业以及不同专业之间数据协同问题。比如海洋工程项目中的结构与岩土专业，石油石化项目中的管道与结构专业，结构与岩土专业等等。在传统的设计中，项目中不同专业的工程师都是基于人为假定的边界条件进行数据传递，这样不仅效率低下，而且容易造成仿真分析精度的丢失。行业需要更加全面且高效的仿真解决方案，以帮助用户更好地在不同专业间协同，来提升仿真精度和效率。

深度融合：仿真分析的杀手锏

　　Bentley广泛的产品组合、高级的集成能力、强大的仿真与建模能力给越来越复杂、要求越来越高的工程带来了最优解。

　　Bentley软件工程仿真业务高级产品总监Josh　Taylor强调了公司产品之间卓越的互联互通和互操作性能力的重要性。他说：“我们团队的一大优势是跨专业领域的整合工作方式。例如，海上结构产品SACS模拟的平台与岩土分析软件PLAXIS模拟的土壤之间不是独立操作，而是相互影响和互动，从而实现更准确地设计解决方案。”

　　他也谈到了结构仿真分析软件STAAD和压力管道仿真分析软件AutoPIPE之间的互动。在处理工厂中承受高压和高温的管道系统时，这些系统往往位于钢结构或管道架上。因此，即使管道工程师专注于管道，而结构工程师专注于结构，他们实际上需要考虑这两者之间的互动，以便更准确、更精确地评估整个系统。这种跨软件的结构与管道互动不仅是Bentley的一大优势，也是整个工程行业未来发展的趋势。

　　更值得一提的是，公司在近年收购了一款先进的有限元分析软件：Adina。这一收购不仅增强了Bentley在有限元模拟仿真方面的能力，还提升了其在高级分析领域的竞争优势，使其能够处理更加复杂和严苛的工程问题。这也展现了Bentley持续构建其强大仿真分析软件组合的企图心。

　　在仿真分析产品峰会上，我遇见了郑州大学仿真实验室负责人、研究生导师郭攀，他告诉笔者他对仿真分析技术研究了20来年。他谈到，经过近30年的商业化开发，ADINA已经成为全球重要的非线性求解软件，被广泛应用于各个工业领域的工程仿真计算，包括土木建筑、交通运输、石油化工、机械制造、航空航天、汽车、国防军工、船舶以及科学研究等各个领域。ADINA在计算理论和求解问题的广泛性方面处于领先地位，尤其针对结构非线性、流/固耦合等复杂问题的求解具有强大优势，被业内人士认为是非线性有限元发展方向的先导。

　　Bentley也加强了中国本土化进程。针对新兴的深远海漂浮式风电，Bentley与中国电建华东勘测设计研究院强强联合，历时数年，合作推出了OpenWindPower Floating HDEC全新漂浮式风机一体化设计仿真产品。依赖于双方在海上风电工程开发与软件仿真技术数十载的探索与积累，OpenWindPower Floating HDEC产品拥有行业领先的浮式风机仿真与分析能力，致力于为全球客户提供漂浮式风电最佳设计仿真解决方案。

与AI融合：创造无限可能

　　仿真分析技术不仅通过内在的融合以及与CAD、CAE、数字孪生融合创造更高的价值。其与AI包括生成式AI的融合，正在创造基础设施建设的新未来。

　　笔者在2023年纵览基础设施大会上，注意到韩国Hyundai　Engineering的一个获奖项目。该公司在智能工厂的建设中与Bentley合作，通过集成STAAD软件与AI，极大地推动了项目设计和建设的智能化。这一合作使设计工作流得以简化并自动化，利用AI算法自动导入不同专业的重量数据，从而避免了手动数据输入的需求。尤其值得一提的是，STAAD软件与AI的融合创建了包含1,680个场景的数据库，并生成了2700万个预测模型。这些模型不仅加快了工作流程、降低了成本，还提高了项目的扩展性和标准化，为未来项目奠定了坚实的基础。

　　AI无处不在。在《华尔街日报》梳理2023年生成式AI兴起及其应用的一篇文章中，列举了五个案例，其中一个就是Bentley。

　　谈及AI的发展，Josh　Taylor说AI在结构工程领域的应用是一个新兴、有趣且很有前景的话题。AI的引入，特别是在设计过程中，能够帮助工程师从一个较为成熟的起点开始工作，而不是完全从零开始。它可以通过预建的模型和参数调整，加快设计过程，减少重复工作，提高项目效率。总的来说，虽然AI在结构工程中的应用前景令人期待。但它的作用应是辅助而非替代，真正的设计仍将依赖于工程师的专业判断和创造力。

　　这也让他想起了往事。就像20世纪90年代中期软件开始广泛使用时存在的争议一样，当前对于AI的利用也引发了类似的讨论。工程界一直认为，虽然技术可以提高效率和精度，但不应取代工程师的基本判断力。正如工程师应能独立于软件验证其计算一样，AI也应作为辅助工具赋能工程师，而非替代工程师的专长。

结语：走向明天　探索新未来

　　在参加了仿真分析产品峰会并结束与Josh　Taylor的对话之后，这几句话深深印在了我的脑海：

　　基础设施工程越来越复杂，要解决的问题也越来越复杂，不论是大漠高山、深远海和一带一路工程的建造，还是奔向零碳目标的使命；

　　仿真分析技术是解决这些疑难问题的一把金钥匙，而只有融合解决方案才能带来最优解；

　　数字仿真技术+AI创造无限可能，绘制可持续发展的新愿景。

责任编辑：杨娜