王佳慧，李 莎，李德慧

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院數(shù)理與土木工程學(xué)院 珠海519000）

隨著科技的發(fā)展，越來越多的結(jié)構(gòu)計算軟件得以開發(fā)并運用于各項實際工程中，目前我國比較常見的建筑結(jié)構(gòu)計算軟件有PKPM、YJK、廣廈等，國外較為普 及 的 有Etabs、SAP2000、Midas、ANSYS、ABAQUS等。由于工程結(jié)構(gòu)中需要分析研究的具體部位不同，以及結(jié)構(gòu)在不同荷載下的變形破壞有所差別，因而采用的分析軟件亦不相同。我國抗震規(guī)范規(guī)定復(fù)雜結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下應(yīng)采用2個及以上的不同力學(xué)模型進行計算分析比較，確認(rèn)計算結(jié)果合理有效后才能用于工程設(shè)計。本文對常用的有限元計算軟件的發(fā)展及其在典型工程中的運用進行了概述。

1 國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計主流有限元軟件

1.1 PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件

PKPM 由中國建筑科學(xué)研究院于1988 年創(chuàng)立［1］，涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、概預(yù)算、綠色建筑與節(jié)能、BIM等諸多領(lǐng)域，目前擁有國內(nèi)設(shè)計院用戶超過15 000家，為我國覆蓋面最大、應(yīng)用最為廣泛的建筑工程設(shè)計CAD集成系統(tǒng)。據(jù)權(quán)威機構(gòu)調(diào)研結(jié)果顯示，PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件在國內(nèi)市場應(yīng)用遠(yuǎn)超其它國內(nèi)外設(shè)計軟件。

PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件包含多種模塊：PMCAD 建模、PK 二維設(shè)計、SATWE 多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計、SLABCAD復(fù)雜樓板設(shè)計、JCCAD 基礎(chǔ)設(shè)計等。其中，SATWE 模塊使用最廣泛，在用PMCAD 建立結(jié)構(gòu)模型后，進入SATWE 模塊中對結(jié)構(gòu)分析所需參數(shù)進行設(shè)置，對特殊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、荷載等補充定義，生成空間結(jié)構(gòu)有限元模型，進行計算分析生成配筋。SLABCAD 模塊是采用有限元的方法對復(fù)雜樓板進行設(shè)計分析，對于規(guī)則樓板可進行板帶配筋計算及裂縫、撓度、沖切驗算。JCCAD 可讀取上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載，交互完成包括柱下獨立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、樁承臺基礎(chǔ)等多種基礎(chǔ)設(shè)計。

1.2 盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件

盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件包含：Model建模模塊、高層結(jié)構(gòu)有限元分析模塊、基礎(chǔ)設(shè)計模塊、施工圖設(shè)計模塊等。YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件可完成框架結(jié)構(gòu)、抗震墻結(jié)構(gòu)、框架-抗震墻結(jié)構(gòu)、板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)的計算與分析。其model模塊具備較好的交互體驗，建模速度較快。且施工圖設(shè)計模塊生成的施工圖符合16G101圖集要求，可提高設(shè)計效率。YJK采用較先進的機械有限元核心計算進行結(jié)構(gòu)分析，可減少計算單元及計算異常，提高計算穩(wěn)定性。

1.3 廣廈結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件

廣廈系列建筑結(jié)構(gòu)軟件由廣東省建筑設(shè)計研究院與深圳廣廈公司聯(lián)合研發(fā)，包含：建筑結(jié)構(gòu)CAD、GSRevit、綜合管廊計算等軟件等。其中，建筑結(jié)構(gòu)CAD 軟件可進行多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。GSRevit 是針對BIM 技術(shù)與裝配式技術(shù)在國內(nèi)廣泛普及，在主流BIM 設(shè)計軟件Revit 上研發(fā)的結(jié)構(gòu)BIM 裝配式設(shè)計軟件。PKPM、YJK 與ETABS 所生成的計算模型均可通過GSRevit接口對接Revit模型。

2 國外建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計主流有限元軟件

2.1 CSI公司系列ETABS

ETABS 是由CSI 公司（美國）開發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，被認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計國際標(biāo)準(zhǔn)，世界主要地標(biāo)建筑廣泛用其進行結(jié)構(gòu)計算。其除一般高層結(jié)構(gòu)計算功能外，還可進行特殊構(gòu)件計算、非線性有限元計算，也可進行隔震計算。ETABS 內(nèi)嵌大部分國家和地區(qū)設(shè)計規(guī)范，包括中國規(guī)范。

2.2 CSI公司系列SAP2000

SAP2000同樣為CSI公司所研發(fā)，在網(wǎng)殼類結(jié)構(gòu)、桁架類結(jié)構(gòu)、不規(guī)則結(jié)構(gòu)等復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體系中有廣泛的使用案例，包含中國及歐美常用規(guī)范，對國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)均適用。軟件采用三維建模，可導(dǎo)入CAD文件輔助建模，確保結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性。其分析功能可提高計算效率并減少內(nèi)存使用。

2.3 Midas系列

Midas（邁達斯）為世界最大鋼鐵公司之一韓國浦項鋼鐵集團自1989 年開始開發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元分析軟件，其在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具備多個計算模塊：MI?DAS/ Building、MIDAS/GEN 及MIDAS/FEA。MIDAS/Building 可完成多、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；MIDAS/GEN針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)和空間特殊結(jié)構(gòu)；；MIDAS/FEA 用于結(jié)構(gòu)非線性分析。Midas 已參與了北京國家游泳中心“水立方”（結(jié)構(gòu)分析）、迪拜哈利法塔（結(jié)構(gòu)、大地工程分析）等世界重大工程的設(shè)計應(yīng)用。

2.4 通用有限元軟件ANSYS

ANSYS 目前普遍用于各大高校及科研設(shè)計單位進行工程分析?？蓪︿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、橋隧結(jié)構(gòu)等在外部荷載條件下的受力、變形和穩(wěn)定性進行分析計算。并且能完成結(jié)構(gòu)靜力分析、動力分析、彈塑性分析、屈曲分析等復(fù)雜有限元計算分析。主要用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與設(shè)計。

2.5 通用有限元軟件ABAQUS

ABAQUS 是國際著名的CAE 軟件，相比其他如ANSYS之類的有限元軟件進入中國較晚，其具有非線性分析技術(shù)、解決大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)和力學(xué)問題的能力以及簡單方便的界面系統(tǒng)，能模擬大型復(fù)雜非線性有限元模型，是最先進的有限元軟件之一。

本軟件主要包含ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit 兩大分析模塊，及前后處理模塊——ABAQUS/CAE。ABAQUS/Standard 為通用隱式分析模塊，主要求解復(fù)雜的非線性靜力及線性動力問題；ABAQUS/ Explicit 為顯式動態(tài)分析模塊，主要求解非線性動力問題及準(zhǔn)靜態(tài)問題，如爆炸、沖擊、高溫金屬軋制等；ABAQUS/CAE 為模型建立模塊，此模塊包含的圖形界面直觀簡潔，操作方便，有效地提高了有限元模型建模效率。

3 有限元計算軟件在典型超限工程中的運用

上海中心大廈（632 m）采用巨型框架-核心筒-外伸臂結(jié)構(gòu)體系。蔣歡軍等人［2］用ABAQUS 對地面以上124 層及頂部鋼桁架進行了三維整體建模，進行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，得到各水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)動力特性和位移反應(yīng)。通過1/50 比例的整體模型振動臺試驗，驗證了塔樓地震破壞機理。何志軍等人［3］采用Etabs 軟件建立了結(jié)構(gòu)整體模型，用梁單元模擬跨高比大于5 的連梁和框架梁柱，用殼單元模擬剪力墻的墻肢和跨高比小于5 的連梁以及樓板，采用Ritz 法求解振型。在分析結(jié)構(gòu)重力荷載的豎向分布特性以及結(jié)構(gòu)自振特性的基礎(chǔ)上，通過反應(yīng)譜和時程分析，對上海中心大廈結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下巨柱和核心筒的軸重比、伸臂桁架和環(huán)帶桁架的內(nèi)力反應(yīng)以及巨柱、核心筒和環(huán)帶桁架的豎向加速度反應(yīng)及分布特點進行了分析。丁潔民等人［4］采用ANSYS軟件研究了兩類典型節(jié)點：伸臂桁架與巨型柱連接節(jié)點和環(huán)帶桁架螺栓拼接節(jié)點，運用有限元對節(jié)點簡化設(shè)計公式進行了驗證。

國家體育場“鳥巢”首次采用CATIA 軟件解決了復(fù)雜建筑的空間建模問題，用ANSYS對三維空間結(jié)構(gòu)進行了分析，計算模型中模擬了屋蓋結(jié)構(gòu)中全部主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)和樓梯結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，并用SAP2000 進行了校核計算，考慮P-△效應(yīng)的幾何非線性影響進行了靜、動力彈塑性分析。

國家游泳中心“水立方”采用上部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與上部鋼結(jié)構(gòu)分別建模分析，用SAP2000 建立了包含全部鋼筋混凝土多筒剪力墻-框架和上部鋼結(jié)構(gòu)屋面、墻體的完整計算模型，進行了靜力彈塑性分析。采用MIDAS/Gen 中的動力彈塑性分析方法對罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形進行了分析。

廣州塔（600 m）采用了筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外框筒為鋼，核心筒為鋼筋混凝土。周定等人［5］采用ANSYS和SAP2000 軟件對其進行了整體模型計算，同時采用MIDAS 和ABAQUS 對計算結(jié)構(gòu)校核。運用ANSYS 軟件對整體結(jié)構(gòu)進行了非線性分析，進行了振動臺抗震試驗。熊偉等人［6］利用ANSYS 計算模型對廣州塔結(jié)構(gòu)進行了穩(wěn)定性分析。通過分析找到了影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素，即外框筒節(jié)點剛度和透空區(qū)長度。郭彥林等人［7］采用1∶15 的模型對廣州塔細(xì)腰段的極限承載力、破壞模態(tài)及機理進行了試驗，揭示了該結(jié)構(gòu)中的群柱失穩(wěn)現(xiàn)象。

廣州國際金融中心（432 m）為巨型鋼管混凝土柱斜交網(wǎng)格外筒與鋼筋混凝土內(nèi)筒組成的筒中筒結(jié)構(gòu)。方小丹等人［8］采用ETABS 軟件對結(jié)構(gòu)進行了計算分析。根據(jù)工程需要，田春雨等人［9］采用1/50 的模型振動臺進行試驗，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)薄弱部位，進而對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了改進。

在深圳平安金融中心（597 m）的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，楊先橋等人［10］將ETABS 轉(zhuǎn)為SAP2000 模型后，又轉(zhuǎn)換為ABAQUS 進行分析，結(jié)果顯示ABAQUS 與ETABS 分析結(jié)果相近，滿足抗震要求。為了解深圳平安金融中心在罕遇地震作用下的表現(xiàn)，黃用軍等人［11］通過仿真模擬與試驗?zāi)M的計算與分析，最終采用巨型斜撐框架?伸臂桁架?型鋼混凝土筒體組合結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元計算軟件未來展望

國內(nèi)用于建筑結(jié)構(gòu)分析的軟件多采用空間有限單元法進行計算，其中桁架、梁、柱、斜撐構(gòu)件采用纖維束或塑性鉸等一維單元，樓板、墻構(gòu)件采用膜單元、板單元或殼單元等二維單元。不同軟件建立的結(jié)構(gòu)計算模型可通過軟件接口進行模型相互轉(zhuǎn)換，以方便進行不同計算結(jié)果的對比分析。

同時，國內(nèi)軟件的施工圖繪制模塊與實際施工圖還有一定差距，在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計師的重復(fù)工作量，未來可考慮將施工圖繪制模塊進行優(yōu)化，從而提高設(shè)計效率。

對于超限高層的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用2個及以上的有限元軟件進行計算分析，以印證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于整體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)中的特殊部位除通過軟件進行仿真模擬計算外，需采用結(jié)構(gòu)試驗對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行必要的分析與對比，為設(shè)計提供有效的科學(xué)依據(jù)。

鑒于日趨復(fù)雜的國際形勢，國產(chǎn)軟件應(yīng)積極投入核心技術(shù)研發(fā)，加快國際化進程，擴大國際市場占有率，并實現(xiàn)超限高層設(shè)計領(lǐng)域完全國產(chǎn)化。只有積極創(chuàng)新，加快結(jié)構(gòu)有限元計算軟件的研發(fā)，才能使國產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)有限元計算軟件在國際市場上占主導(dǎo)地位。