结构软件优缺点

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本人在设计院工作，有机会接触多个结构计算软件，加上自己也喜欢研究软件，故对各种软件的优缺点有一定的了解。现在根据自己的使用体会，从设计人员的角度对各个软件作一个评价，请各位同行指正。本文仅限于混凝土结构计算程序。
关键词：结构软件 结构设计
 
　目前的结构计算程序主要有：PKPM系列（TAT、SATWE）、TBSA系列（TBSA、TBWE、TBSAP）、BSCW、GSCAD、 SAP系列。其他一些结构计算程序如ETABS等，虽然功能强大，且在国外也相当流行，但国内实际上使用的不 多，故不做详细讨论。
一、结构计算程序的分析与比较
　　1、结构主体计算程序的模型与优缺点
从主体计算程序所采用的模型单元来说
　　TAT和TBSA属于结构空间分析的第一代程序，其构件均采用空间杆系单元，其中梁、柱均采用简化的空间杆单元，剪力墙则采用空间薄壁杆单元。在形成单刚后再加入刚性楼板的位移协调矩阵，引入了楼板无限刚性假设，大大减少了结构自由度。 SATWE、TBWE和TBSAP在此基础上加入了墙元，SATWE和TBSAP还加入了楼板分块刚性假设与弹性楼板假设，更能适应复杂的结构。SATWE提供了梁元、等截面圆弧形曲梁单元、柱元、杆元、墙元、弹性楼板单元（包括三角形和矩形薄壳单元、四节点等参薄壳单元）和厚板单元（包括三角形厚板单元和四节点等参厚板单元）。另外，通过与JCCAD的联合，还能实现基础-上部结构的整体协同计算。TBSAP提供的单元除了常用的杆单元、梁柱单元外，还提供了用以计算板的四边形或三角形壳元、墙元、用以计算厚板转换层的八节点四十八自由度三维元、广义单元（包括罚单元与集中单元），以及进行基础计算用的弹性地基梁单元、弹性地基柱单元（桩元）、三角形或四边形弹性地基板单元和地基土元。TBSAP可以对结构进行基础-上部结构-楼板的整体联算。
从计算准确性的角度来说
　　SAP84是最为精确的，其单元类型非常丰富，而且能够对结构进行静力、动力等多种计算。最为关键的是，使用SAP84时能根据结构的实际情况进行单元划分，其计算模型是最为接近实际结构。 BSCW和GSCAD的情况比较特殊，严格说来这两个程序均是前后处理工具，其开发者并没有进行结构计算程序的开发。但BSCW与其计算程序一起出售，因此有必要提一下。BSCW一直是使用广东省建筑设计研究院的一个框剪结构计算软件，这个程序应属于空间协同分析程序，即结构计算的第二代程序（第一代为平面分析，第二代为空间协同，第三代为空间分析）。GSCAD则可以选择生成SS、TBSA、TAT或是SSW的计算数据。SS和SSW均是广东省建筑设计研究院开发的，其中SS采用空间杆系模型，与TBSA、TAT属于同一类软件；而SSW根据其软件说明来看也具有墙元，但不清楚其墙元的类型，而且此程序目前尚未通过鉴定。
薄壁杆件模型的缺点是：
　　 1、没有考虑剪力墙的剪切变形。
　　 2、变形不协调。
　　当结构模型中出现拐角刚域时， 截面的翘曲自由度（对应的杆端力为双力矩）不连续，造成误差。另外由于此模型假定薄壁杆件的断面保持平截面，实际上忽略了各墙肢的次要变形，增大了结构刚度。同一薄壁杆墙肢数越多，刚度增加越大；薄壁杆越多，刚度增加越大。但另一方面，对于剪力墙上的洞口，空间杆系程序只能作为梁进行分析，将实际结构中连梁对墙肢的一段连续约束简化为点约束，削弱了结构刚度。连梁越高，则削弱越大；连梁越多，则削弱越大。所以计算时对实际结构的刚度是增大还是削弱要看墙肢与连梁的比例。
　　 杆单元点接触传力与变形的特点使TBSA、TAT等计算结构转换层时误差较大。因为从实际结构来看，剪力墙与转换结构的连接是线连接（不考虑墙厚的话），实际作用于转换结构的力是不均匀分布力，而杆系模型只能简化为一集中力与一弯矩。
　　另一方面，由于一个薄壁柱只有通过剪心传递力与位移，所以在处理多墙肢薄壁柱转换时十分麻烦，如将剪心与下层柱相连，则令转换梁过于危险，如设置实际并不存在的计算洞令力传至转换梁又会改变上层墙体的变形协调条件（不要相信TBSA手册中所言设连梁高为层高可以解决问题，一段连续约束简化成一个点约束，误差决不会小）。
　　为了解决薄壁柱单元造成剪力墙分析过于粗糙的问题，ETABS、SAP84、SATWE、TBWE、TUS、TBSAP等软件先后引入了墙单元。对于有墙元模型的软件，要分清楚其单元类型。
　　墙元有两种：一是板-梁墙元（又称Wilson嵌板单元模型），这种模型在国外应用较多。其实质是平面单元，把剪力墙简化为一个膜单元+边梁+边柱，基本上是一个由平面单元经改造成的空间单元。剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元，削弱了剪力墙实际的变形协调关系，由前一段的讨论可知这种单元导致整体计算结果偏柔；一是由有限元中的四节点空间壳元缩聚而来的（以下称为板壳墙元），板壳元既有平面内刚度也有平面外刚度，且剪力墙洞口间部分也作为墙元进行整体分析，因此板壳墙元更能精确地分析复杂剪力墙结构。以上几种带有墙元的软件中，ETABS和TUS采用板-梁墙元，SAP84、SATWE和TBSAP均采用壳墙元。TBWE所采用的墙组元实际上是一种改进的薄壁杆件模型，它与普通的薄壁杆件模型的不同之处在于：
　　1、不强求剪力墙为开口截面，可以分析闭口及半开半闭截面；
　　2、其杆件未 知位移取为杆端截面的横向位移和各节点的纵向位移，数目随墙肢节点数增加而增加，不象普通薄壁杆件那样固定为14个，保证了杆件的位移协调；
　　3、采用最小势能原理，建立考虑剪力墙剪切变形的总势能表达式，然后对其求导并令其值为0即建立考虑剪切变形的单元刚度矩阵。墙组元实际上是一种介于薄壁杆件单元和连续体有限元之间的分析单元。
　　从结构分析的准确性来说，从好到差排列依次为：板壳墙元、墙组元、板-梁墙元。
　　另外一个有争议的问题是对异形柱的处理。异形柱在广东又叫短肢剪力墙，虽然名称和剪力墙拉上了关系， 但其计算却不能用剪力墙的方法来算。TBSA用户手册建议将异形柱折算成惯性矩相同的矩形截面柱进行整体分析，取得内力后再进行详细的计算。这种方法用起来很不方便，另外这种折算只能保证两个参数的正确，其他如截面面积、转动惯量等参数都很难与原构件保持一致。
　　目前能直接对异形柱进行计算与绘图的软件有BSCW、 GSCAD和PKPM。由于广东省建筑设计研究院在异形柱的研究方面有比较成熟的理论，因此BSCW和GSCAD对异形柱的计算与绘图极为方便可靠，目前广东省住宅建筑设计常采用短肢剪力墙结构，导致大量的异形柱，因此这两个程序比较流行。在用PMCAD进行输入时，可以看到有不同类型的截面，采用这些截面输入的异形柱可以传递到TAT或SATWE中进行计算，并在PK中进行配筋（仅适用于99年5月以后的Windows版程序），不过PKPM中对异形柱内力的求算并不是通过查表进行（广州城市建设开发总公司设计院编制的广东省异形柱规程采用此方法，这些表格是根据有限元分析的结果编制的），而是参考了多肢剪力墙的配筋方法，在求出作用于形心的弯矩、轴力、剪力后按照材料力学公式分解到异形截面每一关键点的应力，通过积分得到每一段柱肢平面内的弯矩、轴力和剪力，然后以每一直线段柱肢作为一个矩形截面，按对称配筋计算出其钢筋面积。
二　结构主体计算程序的适用性与易用性比较
从适用性（功能）的角度，按强到弱排列依次为：
　　ETABS>SAP84>SATWE、TBSAP>TBWE、GSCAD、TUS>TAT、TBSA >BSCW。ETABS除一般高层计算功能外，还可计算钩、顶、弹簧、结构阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊 构件和一定的结构非线性变形；
　　SAP84原本是一个通用有限元程序，后来为结构分析的需要加入了墙元等专用单元，其单元库最为完备，功能强大；SATWE和TBSAP应属于同一档次的软件，都能进行楼板和剪力墙的有限元分析，适应工程的能力强，而TBWE、GSCAD和TUS则差一些，不能进行弹性楼板计算；BSCW只能进行平面为正交布置的结构计算，是没有前途的软件。
从易用性的角度来看
按好到差的顺序排列应为：
　 TUS>GSCAD、SATWE、TAT>TBSA、TBWE>BSCW>SAP84、ETABS。
　　TUS的图形界面在WINDOWS下开发，较之其它国内开发的高层计算程序的图形界面更加良好；GSCAD和新版的PKPM 均为WINDOWS界面软件，但带有DOS下的影子；SAP84和ETABS则最为麻烦。这个排列不仅考虑了图形界面的优劣，还尽量反映各种软件前后处理过程中的方便程度。比如GSCAD、SATWE、TAT在进行图形输入时均能做到修改结构平面后不影响原有荷载，而TBSA则没有实现这一点。
从综合性能来说
　　PKPM系列的SATWE是最好的，主要优点在于：能适应目前复杂的结构计算要求，数据准备工作量小，计算中可考虑多种因素，施工图出图方便。SATWE经过多年发展，已经可以在计算中考虑多种影响因素，如：
　　1、恒、活载分算；
　　2、梁活载不利布置计算；
　　3、柱、墙及基础活载折减；
　　4、钢结构计算；
　　5、上部结构与地下室联合工作分析及地下室设计；
　　6、斜梁分析与设计；
　　7、复杂砌块结构有限元分析与抗震验算。
　　这些功能的加入，使结构工程师无需在整体计算后再手算进行补充计算，减轻了工作量。
三、结构前后处理软件的比较
　　讲到这个问题，可以肯定的是SAP84的输入是最麻烦的，不知其新的图形输入工具（GIS）有无改进。其余软件按数据输入的麻烦程度从难到易排列：BSCW、GSCAD、PKPM、TBSA。当然这只是考虑一次性输入的情况，如果结构平面经常修改的话TBSA应被列为较麻烦的一类，主要是结构平面一改就要重新输入该层的荷载。如果想避免这种麻烦的话可以用如SASCAD等软件，既进行前处理，也能进行TBSA后处理。PKPM本身的PMCAD已经考虑到了这个问题，GSCAD、SASCAD也解决了这个问题。
　　以上列举的结构软件中只有PKPM、BSCW和GSCAD具有结构后处理功能。后处理的能力由大到小排列应为GSCAD> PKPM>BSCW，考虑到广东地区的特殊要求，可以说BSCW比PKPM更符合广东人的习惯。GSCAD和PKPM在形成施工图的过程中均可以进行大量的人工干预，相比较而言GSCAD对图纸的修改更为方便。GSCAD既可以很直观地在平面图上修改各种构件的配筋，也可以直接修改表格或平法中的数据，修改很方便。而且这些数据均是联动的，改动在所有的文件中都能实时反映出来，另外在修改配筋时可以方便地查询计算配筋量和弯矩包络图，这说明编制者在利用Windows界面改善易用性方面下了一番功夫。而PKPM则只能先在平面简图上进行修改，然后一次性形成表格或平法图，但PKPM中可以方便地对各种构件进行后期验算，如：梁挠度、裂缝等。
　　至于施工图的质量， 对于广东人来说则是GSCAD最好，修改也容易。PKPM的施工图比较完备，但图面比较乱，修改起来也比较麻烦， 1:1的比例绘图不是大多数设计人员容易接受的，最好能改为真实尺寸绘图。这三种软件的配筋均比较合理， 尤其是板的配筋，这对于结构人员来说是很重要的。 TBSA自身虽然没有后处理能力，但由于其流行面广，各种后处理软件很多，如：SASCAD、JYCAD、TASD、TSSD、 TBCAD、德赛的SDS和BCDS等等。从功能来说，最好的应是SASCAD，既可前处理，又可后处理，功能比较完备， 也可以进行各种后期验算，免除了手算校核的麻烦。缺点是作为一个DOS下的程序，使用不如WINDOWS下的程序方便，而且显示分辨率固定在640X480，且图面比较乱，出板配筋图时一定要人工归并板，否则板的类型太多，且梁配筋不是很合理。JYCAD（佳友）则是比较早就有了，由于建筑在AUTOCAD R12基础上，使用起来不大方便， 功能也一般。
　　从发展来看，SASCAD要好过JYCAD，因为SASCAD已准备出WINDOWS版，显示分辨率当然不成问题，另外剪力墙施工图功能也准备加入。另外还要提一点的是SASCAD是自主开发的平台，不象其他软件是建筑在AUTOCAD的基础上的。由于目前AUTODESK公司已开始对国内设计院的D版AUTOCAD软件进行扫荡，这个因素也开始进入考虑范围了。这几种软件的共同缺点是配筋合理性不如PKPM、BSCW和GSCAD。
　　可以说目前没有一个前后处理软件是完全令人满意的。如果重视软件功能的话，应选择SASCAD，但每次出图都 要仔细地审核每根梁的钢筋，后期调整工作量大，不过其前处理最符合CAD习惯；如果重视易用性的话，目前应选择GSCAD，前处理比SASCAD麻烦，但后期调整很方便，在Windows下灵活的调整方法让人不以为苦。然而从发展的眼光看，SASCAD可能是较好的选择，因为这个软件将要出剪力墙配筋图（这可是除PKPM外其他同类软件所没有的功能，最起码我上面提到的几个是没有的），而且随之将转换到Windows平台，更重要的一点是承诺为购买此软件的设计院定制图表，使之符合各院的习惯。
　　最理想的结构前后处理软件应具有如下的特征：
　　1、一次输入可形成多种结构计算软件的输入数据，至少包括两 个采用不同计算模型的主体计算程序的数据，比如：TBSA、TAT和SATWE，当然如能形成SAP84等有限元软件的计算数据就更理想了；
　　2、可以使用类似AutoCAD的方法输入结构平面（SASCAD已做到），当修改结构平面时原有荷载不乱（PKPM、SASCAD、GSCAD均已做到）；
　　3、能进行梁裂缝、挠度验算等后期计算（如PKPM、SASCAD）；
　　4、人工修改配筋时应该既能在平面上直接选取构件并以直观的简图修改（如PKPM、SASCAD和GSCAD），又能方便地直接修改所形成的图表（如GSCAD），并且各种出图方式之间数据联动；
　　5、具备异形柱和剪力墙表格法出 图和大样法出图（目前只有PKPM能出剪力墙配筋图，SASCAD正在做这个模块，其他软件没有）；
　　6、允许用户定 制图表与出图风格或由开发者进行调整；7、图形界面符合Windows下软件界面风格。总而言之，前后处理软件除了要功能强大外，还要易用为主。