結(jié)構(gòu)軟件優(yōu)缺點(diǎn)

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本人在設(shè)計(jì)院工作，有機(jī)會(huì)接觸多個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，加上自己也喜歡研究軟件，故對各種軟件的優(yōu)缺點(diǎn)有一定的了解?，F(xiàn)在根據(jù)自己的使用體會(huì)，從設(shè)計(jì)人員的角度對各個(gè)軟件作一個(gè)評價(jià)，請各位同行指正。本文僅限于混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算程序。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)軟件 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
　目前的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序主要有：PKPM系列（TAT、SATWE）、TBSA系列（TBSA、TBWE、TBSAP）、BSCW、GSCAD、 SAP系列。其他一些結(jié)構(gòu)計(jì)算程序如ETABS等，雖然功能強(qiáng)大，且在國外也相當(dāng)流行，但國內(nèi)實(shí)際上使用的不 多，故不做詳細(xì)討論。
一、結(jié)構(gòu)計(jì)算程序的分析與比較
　　1、結(jié)構(gòu)主體計(jì)算程序的模型與優(yōu)缺點(diǎn)
從主體計(jì)算程序所采用的模型單元來說
　　TAT和TBSA屬于結(jié)構(gòu)空間分析的第一代程序，其構(gòu)件均采用空間桿系單元，其中梁、柱均采用簡化的空間桿單元，剪力墻則采用空間薄壁桿單元。在形成單剛后再加入剛性樓板的位移協(xié)調(diào)矩陣，引入了樓板無限剛性假設(shè)，大大減少了結(jié)構(gòu)自由度。 SATWE、TBWE和TBSAP在此基礎(chǔ)上加入了墻元，SATWE和TBSAP還加入了樓板分塊剛性假設(shè)與彈性樓板假設(shè)，更能適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。SATWE提供了梁元、等截面圓弧形曲梁單元、柱元、桿元、墻元、彈性樓板單元（包括三角形和矩形薄殼單元、四節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元）和厚板單元（包括三角形厚板單元和四節(jié)點(diǎn)等參厚板單元）。另外，通過與JCCAD的聯(lián)合，還能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同計(jì)算。TBSAP提供的單元除了常用的桿單元、梁柱單元外，還提供了用以計(jì)算板的四邊形或三角形殼元、墻元、用以計(jì)算厚板轉(zhuǎn)換層的八節(jié)點(diǎn)四十八自由度三維元、廣義單元（包括罰單元與集中單元），以及進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算用的彈性地基梁單元、彈性地基柱單元（樁元）、三角形或四邊形彈性地基板單元和地基土元。TBSAP可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)-樓板的整體聯(lián)算。
從計(jì)算準(zhǔn)確性的角度來說
　　SAP84是最為精確的，其單元類型非常豐富，而且能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動(dòng)力等多種計(jì)算。最為關(guān)鍵的是，使用SAP84時(shí)能根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，其?jì)算模型是最為接近實(shí)際結(jié)構(gòu)。 BSCW和GSCAD的情況比較特殊，嚴(yán)格說來這兩個(gè)程序均是前后處理工具，其開發(fā)者并沒有進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算程序的開發(fā)。但BSCW與其計(jì)算程序一起出售，因此有必要提一下。BSCW一直是使用廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院的一個(gè)框剪結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，這個(gè)程序應(yīng)屬于空間協(xié)同分析程序，即結(jié)構(gòu)計(jì)算的第二代程序（第一代為平面分析，第二代為空間協(xié)同，第三代為空間分析）。GSCAD則可以選擇生成SS、TBSA、TAT或是SSW的計(jì)算數(shù)據(jù)。SS和SSW均是廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的，其中SS采用空間桿系模型，與TBSA、TAT屬于同一類軟件；而SSW根據(jù)其軟件說明來看也具有墻元，但不清楚其墻元的類型，而且此程序目前尚未通過鑒定。
薄壁桿件模型的缺點(diǎn)是：
　　 1、沒有考慮剪力墻的剪切變形。
　　 2、變形不協(xié)調(diào)。
　　當(dāng)結(jié)構(gòu)模型中出現(xiàn)拐角剛域時(shí)， 截面的翹曲自由度（對應(yīng)的桿端力為雙力矩）不連續(xù)，造成誤差。另外由于此模型假定薄壁桿件的斷面保持平截面，實(shí)際上忽略了各墻肢的次要變形，增大了結(jié)構(gòu)剛度。同一薄壁桿墻肢數(shù)越多，剛度增加越大；薄壁桿越多，剛度增加越大。但另一方面，對于剪力墻上的洞口，空間桿系程序只能作為梁進(jìn)行分析，將實(shí)際結(jié)構(gòu)中連梁對墻肢的一段連續(xù)約束簡化為點(diǎn)約束，削弱了結(jié)構(gòu)剛度。連梁越高，則削弱越大；連梁越多，則削弱越大。所以計(jì)算時(shí)對實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度是增大還是削弱要看墻肢與連梁的比例。
　　 桿單元點(diǎn)接觸傳力與變形的特點(diǎn)使TBSA、TAT等計(jì)算結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層時(shí)誤差較大。因?yàn)閺膶?shí)際結(jié)構(gòu)來看，剪力墻與轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的連接是線連接（不考慮墻厚的話），實(shí)際作用于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的力是不均勻分布力，而桿系模型只能簡化為一集中力與一彎矩。
　　另一方面，由于一個(gè)薄壁柱只有通過剪心傳遞力與位移，所以在處理多墻肢薄壁柱轉(zhuǎn)換時(shí)十分麻煩，如將剪心與下層柱相連，則令轉(zhuǎn)換梁過于危險(xiǎn)，如設(shè)置實(shí)際并不存在的計(jì)算洞令力傳至轉(zhuǎn)換梁又會(huì)改變上層墻體的變形協(xié)調(diào)條件（不要相信TBSA手冊中所言設(shè)連梁高為層高可以解決問題，一段連續(xù)約束簡化成一個(gè)點(diǎn)約束，誤差決不會(huì)小）。
　　為了解決薄壁柱單元造成剪力墻分析過于粗糙的問題，ETABS、SAP84、SATWE、TBWE、TUS、TBSAP等軟件先后引入了墻單元。對于有墻元模型的軟件，要分清楚其單元類型。
　　墻元有兩種：一是板-梁墻元（又稱Wilson嵌板單元模型），這種模型在國外應(yīng)用較多。其實(shí)質(zhì)是平面單元，把剪力墻簡化為一個(gè)膜單元+邊梁+邊柱，基本上是一個(gè)由平面單元經(jīng)改造成的空間單元。剪力墻洞口間部分模型化為一個(gè)梁單元，削弱了剪力墻實(shí)際的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，由前一段的討論可知這種單元導(dǎo)致整體計(jì)算結(jié)果偏柔；一是由有限元中的四節(jié)點(diǎn)空間殼元縮聚而來的（以下稱為板殼墻元），板殼元既有平面內(nèi)剛度也有平面外剛度，且剪力墻洞口間部分也作為墻元進(jìn)行整體分析，因此板殼墻元更能精確地分析復(fù)雜剪力墻結(jié)構(gòu)。以上幾種帶有墻元的軟件中，ETABS和TUS采用板-梁墻元，SAP84、SATWE和TBSAP均采用殼墻元。TBWE所采用的墻組元實(shí)際上是一種改進(jìn)的薄壁桿件模型，它與普通的薄壁桿件模型的不同之處在于：
　　1、不強(qiáng)求剪力墻為開口截面，可以分析閉口及半開半閉截面；
　　2、其桿件未 知位移取為桿端截面的橫向位移和各節(jié)點(diǎn)的縱向位移，數(shù)目隨墻肢節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而增加，不象普通薄壁桿件那樣固定為14個(gè)，保證了桿件的位移協(xié)調(diào)；
　　3、采用最小勢能原理，建立考慮剪力墻剪切變形的總勢能表達(dá)式，然后對其求導(dǎo)并令其值為0即建立考慮剪切變形的單元?jiǎng)偠染仃?。墻組元實(shí)際上是一種介于薄壁桿件單元和連續(xù)體有限元之間的分析單元。
　　從結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性來說，從好到差排列依次為：板殼墻元、墻組元、板-梁墻元。
　　另外一個(gè)有爭議的問題是對異形柱的處理。異形柱在廣東又叫短肢剪力墻，雖然名稱和剪力墻拉上了關(guān)系， 但其計(jì)算卻不能用剪力墻的方法來算。TBSA用戶手冊建議將異形柱折算成慣性矩相同的矩形截面柱進(jìn)行整體分析，取得內(nèi)力后再進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。這種方法用起來很不方便，另外這種折算只能保證兩個(gè)參數(shù)的正確，其他如截面面積、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)都很難與原構(gòu)件保持一致。
　　目前能直接對異形柱進(jìn)行計(jì)算與繪圖的軟件有BSCW、 GSCAD和PKPM。由于廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院在異形柱的研究方面有比較成熟的理論，因此BSCW和GSCAD對異形柱的計(jì)算與繪圖極為方便可靠，目前廣東省住宅建筑設(shè)計(jì)常采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大量的異形柱，因此這兩個(gè)程序比較流行。在用PMCAD進(jìn)行輸入時(shí)，可以看到有不同類型的截面，采用這些截面輸入的異形柱可以傳遞到TAT或SATWE中進(jìn)行計(jì)算，并在PK中進(jìn)行配筋（僅適用于99年5月以后的Windows版程序），不過PKPM中對異形柱內(nèi)力的求算并不是通過查表進(jìn)行（廣州城市建設(shè)開發(fā)總公司設(shè)計(jì)院編制的廣東省異形柱規(guī)程采用此方法，這些表格是根據(jù)有限元分析的結(jié)果編制的），而是參考了多肢剪力墻的配筋方法，在求出作用于形心的彎矩、軸力、剪力后按照材料力學(xué)公式分解到異形截面每一關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力，通過積分得到每一段柱肢平面內(nèi)的彎矩、軸力和剪力，然后以每一直線段柱肢作為一個(gè)矩形截面，按對稱配筋計(jì)算出其鋼筋面積。
二　結(jié)構(gòu)主體計(jì)算程序的適用性與易用性比較
從適用性（功能）的角度，按強(qiáng)到弱排列依次為：
　　ETABS>SAP84>SATWE、TBSAP>TBWE、GSCAD、TUS>TAT、TBSA >BSCW。ETABS除一般高層計(jì)算功能外，還可計(jì)算鉤、頂、彈簧、結(jié)構(gòu)阻尼運(yùn)動(dòng)、斜板、變截面梁或腋梁等特殊 構(gòu)件和一定的結(jié)構(gòu)非線性變形；
　　SAP84原本是一個(gè)通用有限元程序，后來為結(jié)構(gòu)分析的需要加入了墻元等專用單元，其單元庫最為完備，功能強(qiáng)大；SATWE和TBSAP應(yīng)屬于同一檔次的軟件，都能進(jìn)行樓板和剪力墻的有限元分析，適應(yīng)工程的能力強(qiáng)，而TBWE、GSCAD和TUS則差一些，不能進(jìn)行彈性樓板計(jì)算；BSCW只能進(jìn)行平面為正交布置的結(jié)構(gòu)計(jì)算，是沒有前途的軟件。
從易用性的角度來看
按好到差的順序排列應(yīng)為：
　 TUS>GSCAD、SATWE、TAT>TBSA、TBWE>BSCW>SAP84、ETABS。
　　TUS的圖形界面在WINDOWS下開發(fā)，較之其它國內(nèi)開發(fā)的高層計(jì)算程序的圖形界面更加良好；GSCAD和新版的PKPM 均為WINDOWS界面軟件，但帶有DOS下的影子；SAP84和ETABS則最為麻煩。這個(gè)排列不僅考慮了圖形界面的優(yōu)劣，還盡量反映各種軟件前后處理過程中的方便程度。比如GSCAD、SATWE、TAT在進(jìn)行圖形輸入時(shí)均能做到修改結(jié)構(gòu)平面后不影響原有荷載，而TBSA則沒有實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
從綜合性能來說
　　PKPM系列的SATWE是最好的，主要優(yōu)點(diǎn)在于：能適應(yīng)目前復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算要求，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量小，計(jì)算中可考慮多種因素，施工圖出圖方便。SATWE經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)可以在計(jì)算中考慮多種影響因素，如：
　　1、恒、活載分算；
　　2、梁活載不利布置計(jì)算；
　　3、柱、墻及基礎(chǔ)活載折減；
　　4、鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算；
　　5、上部結(jié)構(gòu)與地下室聯(lián)合工作分析及地下室設(shè)計(jì)；
　　6、斜梁分析與設(shè)計(jì)；
　　7、復(fù)雜砌塊結(jié)構(gòu)有限元分析與抗震驗(yàn)算。
　　這些功能的加入，使結(jié)構(gòu)工程師無需在整體計(jì)算后再手算進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，減輕了工作量。
三、結(jié)構(gòu)前后處理軟件的比較
　　講到這個(gè)問題，可以肯定的是SAP84的輸入是最麻煩的，不知其新的圖形輸入工具（GIS）有無改進(jìn)。其余軟件按數(shù)據(jù)輸入的麻煩程度從難到易排列：BSCW、GSCAD、PKPM、TBSA。當(dāng)然這只是考慮一次性輸入的情況，如果結(jié)構(gòu)平面經(jīng)常修改的話TBSA應(yīng)被列為較麻煩的一類，主要是結(jié)構(gòu)平面一改就要重新輸入該層的荷載。如果想避免這種麻煩的話可以用如SASCAD等軟件，既進(jìn)行前處理，也能進(jìn)行TBSA后處理。PKPM本身的PMCAD已經(jīng)考慮到了這個(gè)問題，GSCAD、SASCAD也解決了這個(gè)問題。
　　以上列舉的結(jié)構(gòu)軟件中只有PKPM、BSCW和GSCAD具有結(jié)構(gòu)后處理功能。后處理的能力由大到小排列應(yīng)為GSCAD> PKPM>BSCW，考慮到廣東地區(qū)的特殊要求，可以說BSCW比PKPM更符合廣東人的習(xí)慣。GSCAD和PKPM在形成施工圖的過程中均可以進(jìn)行大量的人工干預(yù)，相比較而言GSCAD對圖紙的修改更為方便。GSCAD既可以很直觀地在平面圖上修改各種構(gòu)件的配筋，也可以直接修改表格或平法中的數(shù)據(jù)，修改很方便。而且這些數(shù)據(jù)均是聯(lián)動(dòng)的，改動(dòng)在所有的文件中都能實(shí)時(shí)反映出來，另外在修改配筋時(shí)可以方便地查詢計(jì)算配筋量和彎矩包絡(luò)圖，這說明編制者在利用Windows界面改善易用性方面下了一番功夫。而PKPM則只能先在平面簡圖上進(jìn)行修改，然后一次性形成表格或平法圖，但PKPM中可以方便地對各種構(gòu)件進(jìn)行后期驗(yàn)算，如：梁撓度、裂縫等。
　　至于施工圖的質(zhì)量， 對于廣東人來說則是GSCAD最好，修改也容易。PKPM的施工圖比較完備，但圖面比較亂，修改起來也比較麻煩， 1:1的比例繪圖不是大多數(shù)設(shè)計(jì)人員容易接受的，最好能改為真實(shí)尺寸繪圖。這三種軟件的配筋均比較合理， 尤其是板的配筋，這對于結(jié)構(gòu)人員來說是很重要的。 TBSA自身雖然沒有后處理能力，但由于其流行面廣，各種后處理軟件很多，如：SASCAD、JYCAD、TASD、TSSD、 TBCAD、德賽的SDS和BCDS等等。從功能來說，最好的應(yīng)是SASCAD，既可前處理，又可后處理，功能比較完備， 也可以進(jìn)行各種后期驗(yàn)算，免除了手算校核的麻煩。缺點(diǎn)是作為一個(gè)DOS下的程序，使用不如WINDOWS下的程序方便，而且顯示分辨率固定在640X480，且圖面比較亂，出板配筋圖時(shí)一定要人工歸并板，否則板的類型太多，且梁配筋不是很合理。JYCAD（佳友）則是比較早就有了，由于建筑在AUTOCAD R12基礎(chǔ)上，使用起來不大方便， 功能也一般。
　　從發(fā)展來看，SASCAD要好過JYCAD，因?yàn)镾ASCAD已準(zhǔn)備出WINDOWS版，顯示分辨率當(dāng)然不成問題，另外剪力墻施工圖功能也準(zhǔn)備加入。另外還要提一點(diǎn)的是SASCAD是自主開發(fā)的平臺，不象其他軟件是建筑在AUTOCAD的基礎(chǔ)上的。由于目前AUTODESK公司已開始對國內(nèi)設(shè)計(jì)院的D版AUTOCAD軟件進(jìn)行掃蕩，這個(gè)因素也開始進(jìn)入考慮范圍了。這幾種軟件的共同缺點(diǎn)是配筋合理性不如PKPM、BSCW和GSCAD。
　　可以說目前沒有一個(gè)前后處理軟件是完全令人滿意的。如果重視軟件功能的話，應(yīng)選擇SASCAD，但每次出圖都 要仔細(xì)地審核每根梁的鋼筋，后期調(diào)整工作量大，不過其前處理最符合CAD習(xí)慣；如果重視易用性的話，目前應(yīng)選擇GSCAD，前處理比SASCAD麻煩，但后期調(diào)整很方便，在Windows下靈活的調(diào)整方法讓人不以為苦。然而從發(fā)展的眼光看，SASCAD可能是較好的選擇，因?yàn)檫@個(gè)軟件將要出剪力墻配筋圖（這可是除PKPM外其他同類軟件所沒有的功能，最起碼我上面提到的幾個(gè)是沒有的），而且隨之將轉(zhuǎn)換到Windows平臺，更重要的一點(diǎn)是承諾為購買此軟件的設(shè)計(jì)院定制圖表，使之符合各院的習(xí)慣。
　　最理想的結(jié)構(gòu)前后處理軟件應(yīng)具有如下的特征：
　　1、一次輸入可形成多種結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的輸入數(shù)據(jù)，至少包括兩 個(gè)采用不同計(jì)算模型的主體計(jì)算程序的數(shù)據(jù)，比如：TBSA、TAT和SATWE，當(dāng)然如能形成SAP84等有限元軟件的計(jì)算數(shù)據(jù)就更理想了；
　　2、可以使用類似AutoCAD的方法輸入結(jié)構(gòu)平面（SASCAD已做到），當(dāng)修改結(jié)構(gòu)平面時(shí)原有荷載不亂（PKPM、SASCAD、GSCAD均已做到）；
　　3、能進(jìn)行梁裂縫、撓度驗(yàn)算等后期計(jì)算（如PKPM、SASCAD）；
　　4、人工修改配筋時(shí)應(yīng)該既能在平面上直接選取構(gòu)件并以直觀的簡圖修改（如PKPM、SASCAD和GSCAD），又能方便地直接修改所形成的圖表（如GSCAD），并且各種出圖方式之間數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)；
　　5、具備異形柱和剪力墻表格法出 圖和大樣法出圖（目前只有PKPM能出剪力墻配筋圖，SASCAD正在做這個(gè)模塊，其他軟件沒有）；
　　6、允許用戶定 制圖表與出圖風(fēng)格或由開發(fā)者進(jìn)行調(diào)整；7、圖形界面符合Windows下軟件界面風(fēng)格?？偠灾?，前后處理軟件除了要功能強(qiáng)大外，還要易用為主。