建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元軟件發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

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(lái)越多的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件得以開(kāi)發(fā)并運(yùn)用于各項(xiàng)實(shí)際工程中，目前我國(guó)比較常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件有PKPM、YJK、廣廈等，國(guó)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(guó)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(gè)及以上的不同力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析比較，確認(rèn)計(jì)算結(jié)果合理有效后才能用于工程設(shè)計(jì)。本文對(duì)常用的有限元計(jì)算軟件的發(fā)展及其在典型工程中的運(yùn)用進(jìn)行了概述。

1 國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主流有限元軟件

1.1 PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

PKPM 由中國(guó)建筑科學(xué)研究院于1988 年創(chuàng)立［1］，涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院用戶(hù)超過(guò)15 000家，為我國(guó)覆蓋面最大、應(yīng)用最為廣泛的建筑工程設(shè)計(jì)CAD集成系統(tǒng)。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)研結(jié)果顯示，PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用遠(yuǎn)超其它國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)軟件。

PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件包含多種模塊：PMCAD 建模、PK 二維設(shè)計(jì)、SATWE 多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、SLABCAD復(fù)雜樓板設(shè)計(jì)、JCCAD 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等。其中，SATWE 模塊使用最廣泛，在用PMCAD 建立結(jié)構(gòu)模型后，進(jìn)入SATWE 模塊中對(duì)結(jié)構(gòu)分析所需參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)特殊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、荷載等補(bǔ)充定義，生成空間結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行計(jì)算分析生成配筋。SLABCAD 模塊是采用有限元的方法對(duì)復(fù)雜樓板進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，對(duì)于規(guī)則樓板可進(jìn)行板帶配筋計(jì)算及裂縫、撓度、沖切驗(yàn)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(dú)立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、樁承臺(tái)基礎(chǔ)等多種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

1.2 盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)模塊、施工圖設(shè)計(jì)模塊等。YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算與分析。其model模塊具備較好的交互體驗(yàn)，建模速度較快。且施工圖設(shè)計(jì)模塊生成的施工圖符合16G101圖集要求，可提高設(shè)計(jì)效率。YJK采用較先進(jìn)的機(jī)械有限元核心計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可減少計(jì)算單元及計(jì)算異常，提高計(jì)算穩(wěn)定性。

1.3 廣廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

廣廈系列建筑結(jié)構(gòu)軟件由廣東省建筑設(shè)計(jì)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(jì)算等軟件等。其中，建筑結(jié)構(gòu)CAD 軟件可進(jìn)行多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。GSRevit 是針對(duì)BIM 技術(shù)與裝配式技術(shù)在國(guó)內(nèi)廣泛普及，在主流BIM 設(shè)計(jì)軟件Revit 上研發(fā)的結(jié)構(gòu)BIM 裝配式設(shè)計(jì)軟件。PKPM、YJK 與ETABS 所生成的計(jì)算模型均可通過(guò)GSRevit接口對(duì)接Revit模型。

2 國(guó)外建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主流有限元軟件

2.1 CSI公司系列ETABS

ETABS 是由CSI 公司（美國(guó)）開(kāi)發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，被認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，世界主要地標(biāo)建筑廣泛用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。其除一般高層結(jié)構(gòu)計(jì)算功能外，還可進(jìn)行特殊構(gòu)件計(jì)算、非線(xiàn)性有限元計(jì)算，也可進(jìn)行隔震計(jì)算。ETABS 內(nèi)嵌大部分國(guó)家和地區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范，包括中國(guó)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(lèi)結(jié)構(gòu)、桁架類(lèi)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(guó)及歐美常用規(guī)范，對(duì)國(guó)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(jì)算的準(zhǔn)確性。其分析功能可提高計(jì)算效率并減少內(nèi)存使用。

2.3 Midas系列

Midas（邁達(dá)斯）為世界最大鋼鐵公司之一韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵集團(tuán)自1989 年開(kāi)始開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析軟件，其在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具備多個(gè)計(jì)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(jì)；MIDAS/GEN針對(duì)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(xiàn)性分析。Midas 已參與了北京國(guó)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(jì)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(jì)單位進(jìn)行工程分析。可對(duì)鋼筋混凝土結(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(jìn)行分析計(jì)算。并且能完成結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力分析、彈塑性分析、屈曲分析等復(fù)雜有限元計(jì)算分析。主要用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)。

2.5 通用有限元軟件ABAQUS

ABAQUS 是國(guó)際著名的CAE 軟件，相比其他如ANSYS之類(lèi)的有限元軟件進(jìn)入中國(guó)較晚，其具有非線(xiàn)性分析技術(shù)、解決大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)和力學(xué)問(wèn)題的能力以及簡(jiǎn)單方便的界面系統(tǒng)，能模擬大型復(fù)雜非線(xiàn)性有限元模型，是最先進(jìn)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(xiàn)性靜力及線(xiàn)性動(dòng)力問(wèn)題；ABAQUS/ Explicit 為顯式動(dòng)態(tài)分析模塊，主要求解非線(xiàn)性動(dòng)力問(wèn)題及準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)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(jiǎn)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(jì)算軟件在典型超限工程中的運(yùn)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(duì)地面以上124 層及頂部鋼桁架進(jìn)行了三維整體建模，進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，得到各水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和位移反應(yīng)。通過(guò)1/50 比例的整體模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了塔樓地震破壞機(jī)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?jiǎn)卧M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(guò)反應(yīng)譜和時(shí)程分析，對(duì)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(diǎn)進(jìn)行了分析。丁潔民等人［4］采用ANSYS軟件研究了兩類(lèi)典型節(jié)點(diǎn)：伸臂桁架與巨型柱連接節(jié)點(diǎn)和環(huán)帶桁架螺栓拼接節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用有限元對(duì)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式進(jìn)行了驗(yàn)證。

國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”首次采用CATIA 軟件解決了復(fù)雜建筑的空間建模問(wèn)題，用ANSYS對(duì)三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，計(jì)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(jìn)行了校核計(jì)算，考慮P-△效應(yīng)的幾何非線(xiàn)性影響進(jìn)行了靜、動(dòng)力彈塑性分析。

國(guó)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(jì)算模型，進(jìn)行了靜力彈塑性分析。采用MIDAS/Gen 中的動(dòng)力彈塑性分析方法對(duì)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形進(jìn)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(duì)其進(jìn)行了整體模型計(jì)算，同時(shí)采用MIDAS 和ABAQUS 對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)校核。運(yùn)用ANSYS 軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線(xiàn)性分析，進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)抗震試驗(yàn)。熊偉等人［6］利用ANSYS 計(jì)算模型對(duì)廣州塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。通過(guò)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(diǎn)剛度和透空區(qū)長(zhǎng)度。郭彥林等人［7］采用1∶15 的模型對(duì)廣州塔細(xì)腰段的極限承載力、破壞模態(tài)及機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)，揭示了該結(jié)構(gòu)中的群柱失穩(wěn)現(xiàn)象。

廣州國(guó)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)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(dòng)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)薄弱部位，進(jìn)而對(duì)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。

在深圳平安金融中心（597 m）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，楊先橋等人［10］將ETABS 轉(zhuǎn)為SAP2000 模型后，又轉(zhuǎn)換為ABAQUS 進(jìn)行分析，結(jié)果顯示ABAQUS 與ETABS 分析結(jié)果相近，滿(mǎn)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(guò)仿真模擬與試驗(yàn)?zāi)M的計(jì)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(jì)有限元計(jì)算軟件未來(lái)展望

國(guó)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(jìn)行計(jì)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(jì)算模型可通過(guò)軟件接口進(jìn)行模型相互轉(zhuǎn)換，以方便進(jìn)行不同計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)軟件的施工圖繪制模塊與實(shí)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(jì)師的重復(fù)工作量，未來(lái)可考慮將施工圖繪制模塊進(jìn)行優(yōu)化，從而提高設(shè)計(jì)效率。

對(duì)于超限高層的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用2個(gè)及以上的有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，以印證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)中的特殊部位除通過(guò)軟件進(jìn)行仿真模擬計(jì)算外，需采用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行必要的分析與對(duì)比，為設(shè)計(jì)提供有效的科學(xué)依據(jù)。

鑒于日趨復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)，國(guó)產(chǎn)軟件應(yīng)積極投入核心技術(shù)研發(fā)，加快國(guó)際化進(jìn)程，擴(kuò)大國(guó)際市場(chǎng)占有率，并實(shí)現(xiàn)超限高層設(shè)計(jì)領(lǐng)域完全國(guó)產(chǎn)化。只有積極創(chuàng)新，加快結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件的研發(fā)，才能使國(guó)產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件在國(guó)際市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。