結構分析設計軟件SATWE和SAP2000中文版功能對比

徐建雄 周圣喬

SATWE軟件是目前國內大部分設計院采用的多高層建筑結構分析設計軟件。SATWE墻元較好地模擬了剪力墻,還有它的后處理功能較為突出,成為國內大范圍使用的結構分析設計軟件。

目前,很多國際結構分析軟件雖然要面對中國規范與西方國家規范的巨大差異和中國工程師對軟件前后處理方面的特殊要求,但陸續開始進入中國市場,大多擁有計算內核方面的優勢。SAP2000是通過建設部專家小組的鑒定,通過建設部鑒定的結構軟件。作為SATWE的老用戶和SAP2000中文版的用戶,愿與大家共同探討一下兩種軟件的功能對比。

1 建模功能

現在一些設計院已經遇到了不同程度的復雜空間結構,用平面建模是無法實現的。在這方面,中文版SAP2000的三維空間建模方式具有較大優勢,能夠實現任何復雜的空間結構體系,建立SATWE很難實現的坡屋面、車道等斜面以及斜梁、斜柱和跨層構件等,而且它還包含了平面建模方式,也基本涵蓋了SATWE平面建模的所有功能,這對于中國工程師實現從平面建模到三維空間建模的過渡是十分有利的。但中文版SAP2000的建模方式也不是盡善盡美,比如說它雖然能夠顯示荷載,但使用起來仍不如SATWE方便,而且它要在三維視圖或立面視圖中進行顯示,國內工程師還比較難以接受。

在構件截面定義方面,兩種軟件對于常規截面形式的定義方式雖有不同,但都比較方便快捷,中文版SAP2000還能處理變截面線單元以及更復雜的任意幾何形式或組合截面形式。

2 單元庫

有限元程序單元庫的質量可以從一個方面反映出軟件的功能和水平,SATWE和中文版SAP2000在這方面差距較大。中文版SAP2000是基于一般有限元軟件的,其單元形式要比SATWE豐富。對于梁、柱及支撐等線單元,二者差不太多。SATWE曾憑借其墻元(在薄殼單元的基礎上凝聚而成)的優勢贏得了市場,而SAP2000直接采用殼元,在計算精度和模擬復雜情況的能力上優于SATWE,但在計算效率上不如SATWE。新規范已經體現出結構分析中樓板所處的重要地位,大量平面復雜結構需要精確的彈性樓板分析。SAP2000中樓板單元的類型比較全,既有真實模擬彈性樓板單元的殼元,也有不考慮平面外樓板剛度貢獻的膜單元(可用于模擬鋼結構分析設計時所需要的組合樓板模型)。

與SATWE相比,中文版SAP2000對于模型底部支承位置、任意節點約束的指定具有更大靈活性,另外中文版SAP2000提供了節點、線和面的邊界彈簧單元,這些也可以實現節點、乃至線單元和面對象的復雜邊界約束條件。

3 分析功能

3.1 靜力分析

在靜力分析功能方面,SATWE與中文版SAP2000也存在著一定的區別。首先SATWE中樓板自重需要工程師統計后以恒載的形式添加上去,而中文版SAP2000中包括樓板的所有構件自重都是由軟件自動計算的;其次SATWE不能夠自動去除梁柱節點重疊區的影響,中文版SAP2000可以考慮這一點,這也導致兩個軟件對同一模型計算出的質量會有少許差別。

在荷載形式方面,SATWE和中文版SAP2000都可以自動生成風荷載模型,但中文版SAP2000還可以更精確的按面對象指定風荷載,這對于復雜立面的建筑非常有利。中文版SAP2000可以施加對象溫度變化荷載,可以模擬支座變形荷載。除此以外,程序還允許工程師自由編輯加載函數,真實模擬機器荷載以及其他更復雜的荷載形式。

3.2 動力分析

在動力分析方面,SATWE和一般結構分析軟件都采用特征向量法進行振型疊加分析,而中文版SAP2000提供了特征向量法和Ritz向量法兩種方法。相比較,后者更為高效,對于相同的計算振型數,結果更精確。

SATWE的地震反應譜是內置在軟件中的,在進行結構地震作用分析時只能選擇考慮兩個方向的反應譜作用,相比之下,中文版SAP2000要靈活得多,它可以引入不同國家的反應譜,可以對默認反應譜作修改,還可以輸入自定義的反應譜,軟件可以自動考慮雙向地震作用,可以輸入任意方向、任意數量的反應譜工況,并可以考慮它們之間的結果比較或構件包絡設計,這對于平面復雜、難以確定主軸方向的結構是十分有用的。

中文版SAP2000在動力時程分析工況定義時可以輸入任意方向、任意數量的地震波,可以模擬橫波、縱波到達結構的時間差異,還可以模擬結構多基激勵,這些高級功能為大跨、復雜結構的分析設計提供了強有力的工具。

3.3 非線性分析

我國現行規范要求,對于“不規則且具有明顯薄弱部位可能導致地震時嚴重破壞的建筑結構,需要進行罕遇地震下的彈塑性變形分析”(GB 50011-2001,3.6.2)。SATWE不具有非線性靜力分析的功能,需要PKPM工程部推出的其他模塊來完成,中文版SAP2000提供了結構靜力彈塑性分析的功能,可以實現對包括有效阻尼的推覆過程分析。而且兩者相比,中文版SAP2000的靜力非線性分析更加全面一些,體現在可以定義框架結構任意位置任意形式的塑性鉸、可以控制塑性鉸出現的條件、并可以對各種性質塑性鉸的應力應變曲線進行所需的自定義等方面。

施工順序加載問題是結構設計工作中越來越被工程師關注的問題,SATWE和中文版SAP2000在這一問題的處理上也存在著本質的區別。由于中文版SAP2000在施工順序加載的每一步都要重新生成剛度矩陣,并重新進行整體驗算,顯然計算量要比SATWE大。除此以外,中文版SAP2000在進行施工順序加載時,可以不拘泥于層作為施工順序單位,而是定義施工順序活動組,這對于特殊結構的施工順序加載是非常有用的。

除了靜力非線性功能外,中文版SAP2000還提供了較全的非線性連接單元,可以模擬如縫、勾、耗能阻尼器以及隔振器的非線性連接形式,并可以進行全面的非線性連接單元的靜力和動力分析,新增加非線性分層殼單元(Layered Shell Element),應用材料方向模型來進行剪力墻結構或相似應用的Pushover分析。

4 設計功能

4.1 設計能力

SATWE主要是處理混凝土框剪結構,雖然結構中也可以建立鋼構件或組合構件,但它不能進行相應構件的設計,鋼結構體系需要在其他模塊中進行設計,不能進行組合構件的設計,因此SATWE在處理混合結構和組合構件方面存在一定的局限性。中文版SAP2000可以在同一界面中對鋼結構、混凝土結構以及鋁結構進行設計,還可以完成冷彎鋼框架結構設計。但PKPM工程部的系列產品涉及的范圍也是比較廣泛的,比如說他們開發了專門進行基礎設計軟件模塊,而中文版SAP2000是不能進行樓板和基礎的設計,需要將數據導入到SAFE中進行驗算,這一點不太方便。

4.2 設計方式

國內工程師對于設計方式的概念可能并不熟悉,因為我們常用的國內軟件一般采用的都是流程式的設計方式,沒有體現交互式設計思想。中文版SAP2000在流程式設計的基礎上,實現了軟件交互式設計,其優勢在于靈活性和可參與性。

中文版SAP2000把工程師的參與性提高到新的水平,這一點主要體現在各種荷載作用函數和施加方式以及設計過程中的參數調整方面。像SATWE一樣的國內軟件,其目標基本上是在既定的水平滿足規范要求,因此它的很多參數都是藏在“黑箱”中,工程師看不到,更不能修改。對于越來越復雜的實際工程,了解或修改這些參數都是必要的。中文版SAP2000將大部分調整參數提供給工程師,必要時可進行修改,大大提高了工程師的主觀能動性,也提高了軟件處理特種結構和復雜結構的能力。

4.3 中國規范的貫入

我國規范規定了大量抗震設計調整和構件細部調整內容,這些內容是相當細化和具體的。國外結構軟件進入中國市場時,中國規范的貫入情況常常受到質疑,引進中國市場的軟件也往往由于這個原因不能廣泛應用于國內結構設計實踐。

作為國產軟件,SATWE跟隨著規范的不斷更新和進步而發展,它對于中國規范的貫入是毋庸置疑的。中文版SAP2000的發布使得市場上多了一種選擇,專家小組對于軟件的中國規范貫入情況給了很高的評價。

通過使用中文版SAP2000,發現其貫入中國規范深入而全面,這在很大程度上既保證了軟件的自動化能力,又給工程師留出了發揮主觀能動性的空間。

4.4 設計后處理

國內用戶對于SATWE軟件后處理功能比較認可,SATWE對于規范所要求的以及結構設計送審報告內容進行了系統的輸出,對于結構構件設計的配筋結果整體平面輸出對后續施工圖繪制非常方便,除此以外,SATWE可以直接繪制結構梁板柱施工圖。但中文版SAP2000不能出施工圖,這是較多結構軟件用戶不能接受的,另外豎向構件的配筋內容需要在立面上去看,比較麻煩,特別是與后處理相當完善的SATWE相比,的確欠缺了很多。

5 結語

我國建筑市場用于結構分析設計的軟件并不多,特別是能夠全面執行中國規范設計的軟件,中國工程師對軟件的選擇余地不大。中國市場中占有率處于絕對優勢的SATWE軟件如果能夠進一步增強自身功能和提高軟件穩定性,它仍將憑其長年培育的忠實用戶和軟件在計算精度和效率方面的平衡以及后處理等特色保持強大的生命力。中文版SAP2000產品的靈活界面、精確的分析內核以及嚴謹的結構設計思想,在軟件本土化方面做了大量富有成效的工作,保證了軟件本身功能和中國規范設計的完整性、靈活性和可操作性,但仍需努力在尊重傳統設計習慣和引導先進設計思維方面尋找平衡,并盡快開發施工圖自動輸出等后處理模塊。