核島混凝土結構設計因其體量大、結構復雜、荷載工況繁多，加之核島對可靠性、安全性的要求極高，一向被行內人稱為核電站設計中的“瓷器活”。另外，在計算精度、效率、匹配國內標準等方面均存在不足的國外商用軟件平臺，也無法完全適用。要把這樣的“瓷器活”干好，核電設計人一直苦于手中沒有趁手的“金剛鉆”。
有限元模型成果圖
直到中廣核設計人自主開發(fā)出這套集“快速建模、單元配筋、數據傳遞”于一體的核島混凝土結構設計智能軟件，核島廠房約30萬個計算模型單元、逾600種工況的快速建模、精準配筋計算等難題迎刃而解。其在華龍一號示范項目成功應用，顯著提高了設計質量和工作效率，為華龍一號自主品牌堆型研發(fā)和示范項目的建設推進打下堅實基礎，并最終榮獲2017年度中國廣核集團科技進步一等獎。
上百次失敗，終確定開發(fā)思路
這樣一套用起來“666”的核島混凝土結構設計智能工具，是由中廣核工程有限公司設計院土建所開發(fā)。
依托華龍一號研發(fā)和防城港3、4號機組設計，這一研究項目自2013年初啟動。雖知其中的難度和挑戰(zhàn)很大，但把這項任務交給設計院土建所的呂錦權時，他爽快答應了。“大概被國外商用軟件‘折磨’過的設計人，都想開發(fā)更好用的。而且華龍一號對設計效率和質量提出更高要求，我們需要把這樣想法付諸實踐。”呂錦權說道。
“雖然我們沒有軟件編程的基礎，但學習各種編程語言多花些時間就可以，最難還是確定開發(fā)思路。那段時間真的很‘癲狂’，開會、吃飯、睡覺都時刻思考該怎么做。我們查閱大量EPR、AP1000等三代核電機組的相關報告，也與國內外同行進行了多次交流，但因為技術壁壘而收獲的有用信息十分有限。”呂錦權回憶道，“雖然別人不會告訴我們怎么做，但應用的原理八九不離十，所以我們一次次從資料公開的結果倒推過程，從上百次驗證失敗中獲得新的靈感，最終用了三個多月時間才確定了采用單元配筋的正確思路進行開發(fā)。”
攔路虎頻現，咬定目標不放松
方向即明，但開發(fā)之路卻并沒有因此一帆風順。“我們試圖賦予這套工具‘快速建模、數據傳遞、單元配筋’等創(chuàng)新點，以實現建模、計算和配筋設計過程的標準化和自動化，從而顯著提升這套工具的計算精度與設計出圖效率。”但在這過程中，呂錦權他們頻頻遭遇挑戰(zhàn)。
單元配筋遭遇的困難，讓呂錦權印象最深刻。就像你開電燈，電燈有從昏暗到漸漸變亮的過程一樣，混凝土里的鋼筋用量也需要避免從0到大數量的跳躍出現，尤其在混凝土結構的過渡區(qū)域。但這個問題在目前所有的商用軟件中都沒有得到解決，呂錦權花了兩個多月時間，經歷成百上千次試算，最終找到了讓過渡區(qū)域配筋更合理的方法。
在實現數據傳遞功能的研究開發(fā)過程中，他們則走了一些彎路。“一開始我們是沿著法國人的路子，只考慮怎么讓計算更快、讓邊界條件模擬更準確，但如此翻來覆去卻始終達不到我們想要的狀態(tài)。”同是該研究項目主要負責人的設計院土建所張濤坦言，“后來我們大膽跳出法國人的思路，完全把大模型數據傳遞到需要計算的小模型，周圍邊界條件完全真實。這樣大膽的嘗試，卻意外將整條路都打通了。”
隨著障礙一個個掃除，相關工具的軟件編程也已完成，這項研究看似將水落石出。然而通過軟件智能計算出的配筋結果，卻讓設計經驗豐富的土建所專家們總覺得有些不對。前面的所有步驟確定都沒問題，那問題可能就出現在程序的編寫上了。呂錦權將數萬行的程序一行一行排查，最終找到了“罪魁禍首”——一處數字“1”被錯寫成了“0.2”。這處數字的改動，讓這項歷經數年的研發(fā)項目終大功告成。
應用于華龍，已納入國家標準
據設計院土建所副所長李忠誠介紹，本項目研究是中國廣核集團自主研發(fā)的三代核電技術華龍一號的關鍵內容之一，其成果已通過國內行業(yè)專家的評定，并得到“本項目成果具有重要的工程應用價值與推廣意義，該項技術成果達到國際先進水平”的高度評價。
據了解，該項目研究目前已獲批4項軟件著作權，另外4項軟件著作權在申報中，公開發(fā)表科技論文9篇。其部分研究成果還被納入中廣核工程公司主編的國家標準《核電廠混凝土結構技術標準》中，后續(xù)將形成中廣核的拳頭產品，在行業(yè)內推廣應用。
而在此之前，這項研究的成果已在防城港核電廠3、4號機組中成功應用，并為防城港3、4號機組的第一罐混凝土澆筑(FCD)、2016年核島土建施工圖出版的高目標任務、2017年土建施工圖的里程碑任務和保障現場連續(xù)施工起到了至關重要的作用。
“就拿安全殼設備閘門周圍的預埋件來說，如果用以往的工具，確定預埋件的個數和位置，至少需要一周的時間去計算。而在華龍一號示范項目，我們出這樣一張圖大概就一天時間，效率是數倍級的提升的。”張濤自豪地說道，“這套工具的靈活及快速響應能力，不僅提升了華龍一號示范項目的設計質量，也為其快速推進贏取了時間。”
