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[DinoChen说]收到《建筑结构》杂志社熊编的邀请，在2013年开始在《建筑结构》的副刊上发表小文章，准备写一些关于结构软件，程序算法，原理与应用的小文章。附件为杂志正文的下载。同时，可以登录《建筑结构》的官方网下载：http://www.buildingstructure.com.cn/
该文发表于《建筑结构》副刊的第三期，建闻天下栏目。以下是这个栏目的介绍：

《建筑结构.技术通讯》之“建闻天下”栏目
《建筑结构.技术通讯》创刊于2005 年10 月，随《建筑结构》正刊一起打包发行，全年6 期，因关注设计交流受到读者关注。“建闻天下”是《建筑结构.技术通讯》于2012 年5 月推出的新栏目，目的是配合建筑结构微博，与行业热门网站、博客形成有效互动，吸引更多设计师的关注，也为读者提供更好的服务。文章既包括对结构设计中实践经验概括性的总结，也包括对职业发展的思考等。栏目作者多是网络上活跃的博主。“建闻天下”栏目的文章同时在三个媒介上发布——《建筑结构.技术通讯》、建筑结构杂志微博中的微刊、建筑结构官方网站。从目前的网络反馈来看，已经取得一定的影响力。


“百花齐放”的结构分析程序的介绍（一）
Dr. Dino Chen 陈学伟 博士

在结构分析领域，随着电脑技术的发展，越来越多的结构分析程序被应用于不同的结构分析范畴当中，可谓是“百花齐放”，甚至跨学科的产品也不断地出现。详细分析之，电脑技术（包括硬件技术，图象技术，有限元软件理论）在近年来对结构分析的影响非常大，例如：并行计算的出现，使得采用大型弹塑性分析程序ABAQUS对高层建筑结构进行弹塑性分析变成可能；三维模型建模技术的发展（RHINO），使更复杂的流线形结构能够被建模且进行分析等等。
国内刚开始计算机辅助结构设计的时候，被人广泛使用的程序有TBSA，PKPM的TAT、SATWE等，还有较早流入我国的通用有限元程序，如ANSYS、ALGOR等等。近几年出现“百花齐放”现象的主要原因是因为建筑结构设计规范对结构的分析提出了更高的要求，如推覆分析，弹塑性时程分析，消能减震结构的分析，风工程的计算，几何非线性分析等等。以笔者浅薄的经验，细分这一些软件的应用情况与性能：
(1).国内的传统结构分析程序：PKPM，GSCAD，清华TUS等等，
这些程序的计算内核基本上基于弹性理论开发（除了非线性分析模块如PKPM的EPDA），最大的优点就是与我国结构设计规范结合得较好，建模和输入参数的方式均与工程师的习惯相符，简化了很多操作步骤。其中PKPM的市场占有量是最大的，且PKPM将结构参数的输入集成在一个模块内，这是一个很好的想法，国外很多结构分析软件(基于中国规范的)很难做到一点，后来的MIDAS BUILDING也参考这个输入方法。第二个优点就是符合我国设计量大、时间紧任务急的需要，PKPM采用施工图与结构分析一体化的模式，在建模过程很多参数是为了后面的施工图而定的，因此，PKPM的前处理不仅是由结构的有限元来确定的，更多是由结构的施工图或者结构构件分类来确定的，如：在PKPM里面可以定义次梁，从有限元的角度看次梁与主梁均是梁单元，当然，除了次梁的铰接特点以外。由于国内项目长期使用PKPM，它的后处理数据文件（WMASS.OUT, WDISP.OUT, WZQ.OUT）也变成了审批的标准，如果采用PKPM进行建模分析的话，可以减小后面整理计算书的时间。
(2). 国外的结构分析程序：ETABS，SAP2000，MIDAS/GEN等等，这些程序具有以下优点：
具有稳定的计算内核：
程序的计算内核以结构有限元基本理论为主体，且经过多年的发展，具有一定稳定性。特别是CSI公司的SAP2000，在行业内具有一定的参照标准地位（Benchmark），且拥有一些自已特有的计算方法，如：FNA积分法，广泛用于边界非线性的结构分析当中。
基本上以弹性理论为基础：
目前除了SAP2000具有一定的弹塑性分析功能，其它程序的分析功能较弱，主要还是基于弹性理论处理大量结构分析问题。材料非线性分析在这些软件中是较难实现的，但是SAP2000，MIDAS/GEN，ETABS能处理很多边界非线性问题，如：粘滞阻尼器减震、橡胶支座隔震等。SAP2000与MIDAS/GEN能处理简单的几何非线性分析问题。对于较复杂的弹塑性分析问题，三者均会出现难收敛的情况，也就是说即使建立了完备的模型，也可能分析不出结果。MIDAS后期推出了MIDAS FEA（处理微观有限元弹塑性问题）及MIDAS BUILDING里面的弹塑性分析模块。SAP2000 V14以后增加了非线性剪力墙单元，慢慢地完善弹塑性分析的功能。
使用者需要具有结构模型及有限元的基本概念：
在PKPM里定义的是构件，构件再通过“生成有限元模型”的功能变成计算的单元。有别于PKPM，ETABS、SAP2000和MIDAS/GEN定义的就是单元或外部单元（外部单元定义了自动剖分功能，再将单元进行剖分，变成内部单元）。因此，在建模的过程中需要把握好结点、单元、划分及输出的关系，结构模型建模及参数设置的很多细节都是可控的。“可控”意味着电脑不会帮助你自动处理，你需要了解背后的相关知识后，自已定义，举个例子：
在PKPM中连梁的折减只需要定义连梁折减系数0.7即可，而在ETABS或SAP2000，对于每一个构件都可以折减，只需要点击菜单中的【ASSIGN】→【FRAME/LINE】→【FRAME PROPERTY MODIFIERS】，弹出修改截面参数调整的窗口，然后再将【MOMENT OF INERTIA ABOUT 3 AXIS】改为0.7，完成刚度的折减。甚至在PKPM无法定义的，如：梁构件截面数据输出站，PKPM默认且不能修改是9+2=11，在ETABS中只需要定义【ASSIGN OUTPUT STATION SPACING】就可以定义不同构件的输出站数量。
     
图1. 截面修改参数窗口          图2. 构件输出站修改窗口
 具有很好的导入、导出及结构文本编辑功能
文本导入导出功能深受这些程序的高端用户喜爱。如ETABS的E2K文本格式、MIDAS的MGT文本格式和SAP2000的S2K文本格式，这些文本格式可读性非常强，可以批量修改，也可以进行程序建模的二次开发。更重要的是，可以实现各个软件之间的转导与交互，笔者强调“大胆转换、小心修正”的原则，进行导换建模，节省时间且方便程序之间的对比。结构模型的建模均基于单元为单位，转换不存大的问题。笔者曾开发过较为少见的转换，从MIDAS/GEN至ETABS(非SAP2000)，详细介绍如下网址所示http://www.dinochen.com/article.asp?id=81。
 
图3 MIDAS/GEN 转成 ETABS
 基于三维建模体系
这些程序基本上基于三维建模，可以完成复杂的空间模型建模。ETABS虽然以层为竖向坐标单位，但是只要搞清楚层的概念，也能在ETABS上面建立复杂的三维模型。近年来，建筑、结构及机电行业越来越多地采用BIM技术及REVIT等软件，建筑、结构、机电模型一体化的发展趋势势不可档。REVIT与ETABS，SAP2000有较好的交互，可以实现三维模型的交互建模。对于复杂的空间结构，建筑师与结构工程师往往会采用RHINO的三维模型进行交互，那么带文本导入功能的SAP2000与MIDAS GEN理所当然地成为三维空间复杂建模软件的程序对接口。当然，传统的空间及平面CAD也能与这些程序接口，且为目前空间结构建模的主体。

在结构分析领域内基本上能分析大部分问题
结构设计中常用的分析有两种：静力分析及振型分解反应谱分析（结合模态分析）。而设计中较少涉及到的分析，这几个软件也及完成，如：简单的几何非线性分析及线性屈曲分析、简单的带塑性铰的结构弹塑性分析（SAP2000目前可以完成剪力墙弹塑性分析）和弹性时程分析等等。在满足了结构设计乃至于超限结构设计的大部分分析内容后，剩下的可能就是“弹塑性时程分析”了。那么在市场上、科研领域有哪些弹塑性分析程序，它们具有什么功能、有什么特别之处，笔者将在下一篇“建闻天下”里面介绍。

上述均为这些强大的结构分析程序所具备的优点，还有很多这类程序，如钢结构设计用得较多的STAAD等，就不一一列出了。这些程序的不足之处，就是与我国结构设计规范结合不紧，验算模块制作与PKPM有一定的差别，而且很多参数需要人为的修改。只有熟悉程序及规范验算细节的工程师，通过二次开发或计算文本操作，才可以实现结构的构件设计与辅助结构施工图绘制。笔者开发的ETABS TO ENGINEER（简称ETE）的主要功能就是根据ETABS计算结果进行配筋设计，如下图所示。
详情: http://www.dinochen.com/article.asp?id=62
 
图4 ETABS TO ENGINEER程序界面

[本日志由 dinochen1983 于 2021-11-08 06:53 PM 编辑]
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