陳岱林：構建全新的結構設計平臺

北京盈建科軟件有限責任公司總經理 陳岱林

結構設計軟件在整個設計軟件中處于最高端，行業從業人員的素質較高，對新事物接受能力較強。結構設計軟件同時也是BIM應用中最薄弱的環節，相對于其它專業，結構設計軟件的技術進步發展不快，但是結構設計市場對新技術的需求和吸納能力最強。

我們立足于解決當前設計應用中的難點熱點問題填補大量需求空白、特別是2010新規范大量新增需求的空白并全面提升軟件的應用范圍、規模、穩定性和計算速度。在確保建筑工程質量安全的前提下，增加了優化設計，為減少配筋量、節省工程造價做了大量改進。

一、全新的結構設計軟件

1、建立全新的軟件集成交互界面，采用目前先進的圖形用戶界面，如先進Ribbon菜單管理；

2、給出突出三維特點的模型與荷載輸入方式；

3、引進采用通用有限元的技術架構全面改進建筑結構有限元計算水平，適應越來越大規模、越來越復雜建筑工程需要；

4、立足于解決當前設計應用中的一批難點熱點問題，提高智能化設計水平；

5、充分實現新的設計規范一系列全新的條文要求。

軟件建立自足開發的三維圖像平臺上，采用目前先進的圖形用戶界面，如先進的Direct3D圖形技術和Ribbon菜單管理，并廣泛吸取了當今BIM方面領先軟件Revit和Autocad2010的特點。采用美觀緊湊的圖形菜單，將各模塊集成在一起，各模塊之間即時無縫切換，操作簡捷順暢。

各級Ribbon菜單說明：一級：主要功能模塊，包括建筑模型荷載輸入、上部結構計算、基礎設計、砌體設計、施工圖設計共五個功能模塊。它們以深藍色表示。二級：每個功能模塊的一級控制菜單。它們在打開一級菜單后展開顯示，為白色。模型荷載輸入模塊下有“軸線網格、構件輸入、樓板輸入、荷載輸入、樓層組裝”共五個一級菜單。上部結構計算下有“前處理及計算、設計結果”兩項一級菜單。三級：點取每個白色的二級菜單后，該菜單的字從白色轉為黑色，并展開三級菜單。這級菜單是最具Rabbin特色的形式，以彩色圖形圖標為特色。四級：如果Rabbin彩色圖標下標志有藍色或者綠色箭頭，說明該菜單下存在下級菜單。此時只要將鼠標靠近這種帶箭頭的圖標，其下級菜單就會馬上出現，這就是四級菜單。藍色箭頭時，點取了四級菜單的某一項后，四級菜單就會馬上收起。綠色箭頭時，點取了四級菜單的某一項后，四級菜單仍會保留在原位上。這種四級菜單常需要連續執行，保留在原位利于用戶的下一次操作。

二、突出三維特點的模型與荷載輸入方式

1、操作更加順暢。某一類構件（或荷載）布置時，該類構件的截面列表常駐于屏幕左側，用戶點取某個尺寸的截面后，移動鼠標即可將其布置在平面相應的網格節點位置，選擇和布置的操作是連續的。

2、突出三維操作。構件布置可以在平面視圖狀態進行，也可以在三維的軸測狀態進行。在平面視圖狀態，程序采用線框方式顯示軸線網格和已經布置的構件，線框顯示方式不會造成構件之間、構件和軸線網格之間的遮擋。但是一旦切換到三維顯示狀態，程序自動按照實體模型方式顯示，因為在三維下只有實體方式才能清晰地表現布置的狀態。在三維顯示狀態下，程序按照用戶設置的層高自動將平面軸線網格轉換成三維空間網格，原來的平面網格仍在該層平面底部以紅色顯示，同時各個節點處生成高度為層高的白色豎直線，在層頂位置生成與底部平面網格相同的網格，以白色顯示。這樣做是為了方便各種構件的布置，比如點取豎直線布置柱、點取層頂部的輔助線布置梁等。

3、可在組裝后的三維模型上布置。用戶還可以在組裝好的全樓或幾個樓層的三維模型上布置或修改構件。單層模型和組裝好的模型可以隨時切換。這種方式可以實現對多個樓層的同時操作。對于上下層柱或者上下層墻需要對齊的操作，或者跨越多個樓層的躍層支撐的輸入，在這樣的各層組裝的模型上操作更加方便、直觀。用戶可以對組裝模型任意切選出一部分進行各種布置、修改操作。

三、通用有限元的技術架構，力學計算與專業設計分離管理

上部結構計算采用通用有限元的技術架構，力學計算與專業設計分離管理。在本系統中除了上部結構整體計算，還有基礎的筏板、地梁、樁筏的有限元計算、砌體結構的砌體墻有限元計算、豎向導荷計算等等，我們對這些所有的計算都調用了統一的有限元計算模塊，從而保證了計算核心的質量、維護和發展。在核心有限元計算方面，聯合了專業領先的團隊，通過盈建科軟件，把國內最好的力學有限元技術推廣到建筑行業。

系統充分采用了當前大量可用的先進技術，如：死活單元技術實現一種模型多項計算；合理應用偏心剛域、主從節點、協調與非協調單元等技術；在墻元的優化計算及準確性、適應性及穩定性計算方面做了大量改進；新的偶然偏心算法（瑞利-里茲投影反應譜法）以及高水平的重力二階效應算法等等。

其中，大量應用死活單元技術和自動單元分組實現一個模型下作多種不同要求的計算功能，通過單元組來控制單元生死，從而高效地實現多個模型的計算。多點約束（MPC）的應用是指MPC定義的是一種節點自由度的耦合關系，即令指定的自由度與一個或多個自由度建立某種關系。剛性連接在偏心剛域、轉換梁處理、多節點柱、轉換梁處理、替代短梁、短墻歸并處理、墻墻不協調關系方面具有較好的應用。通過多點約束（MPC）的應用，可以達到減少計算單元數量，避免計算異常，提高計算的穩定性等效果。

全新的設計平臺提供偶然偏心新算法，提高了偶然偏心的計算精度與效率。在《高規》4.3.3 指出：計算單向地震作用時應考慮偶然偏心的影響。每層質心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式采用：

目前，偶然偏心有三種算法：

完全重分析法——重新組裝剛度矩陣或質量矩陣，并求解結構固有振動；反應譜分析；計算量極大，目前結構分析軟件均不采用。

等效扭矩法（傳統法）——繼承未偏心結構的固有分析結果，用未偏心的地震力生成偏心地震力，并求解等效的地震位移。

瑞利-里茲投影反應譜法（新算法）——近似的結構固有振型分析、反應譜分析。其優點是計算結果與完全重分析法接近，計算量極小，速度快，內存消耗小。

上部結構計算采用通用有限元的技術架構，采用了領先的快速求解器，使程序的解題規模大大增加，計算速度大幅提快，同時穩定性得到了增強。可以切實改變目前應用軟件常出現的計算規模受限，計算常出錯退出、且找不到原因的狀況。

四、設計中的難點熱點問題

1.專業化、智能化特點突出。對于多塔結構實現對合塔與分塔狀況自動拆分、分別計算并結果選大。強制剛性板假定與非剛性板假定集成進行少墻框架結構中框架部分的地震剪力取框架、框剪兩種結構計算較大值。最不利地震方向的地震作用自動計算。對層間受剪承載力突變形成的薄弱層自動放大調整。

2010規范要求：“對多塔樓結構，宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結果進行結構設計。人工分塔分別計算要耗費大量的工時，要對每個構件的計算結果選大，在手工操作上更幾乎是不可能的。多塔結構設計——可自動處理復雜情況，完全的自動劃分，極少的人工干預。可以自動實現規范條文。YJK軟件多塔可自動處理復雜情況，完全的自動劃分，極少的人工干預。

2.強剛模型與非強剛模型可集成計算。參數設置目的是為設計人員提供明確信息，防止因誤選導致得到錯誤的結果。填補手工計算不可能完成的空白，改變人工的多次反復計算為自動的連續計算，避免關鍵規范計算要求的遺漏，有效避免用戶的失誤操作。

3.提供準確便捷處理結構設計的功能，自動生成復雜情況模擬施工加載次序，對轉換梁自動采用細分的殼元計算轉換柱的補充定義可多層同時操作。軸壓比限值、抗震等級、邊緣構件屬性綜合定義以及對按照普通梁輸入的連梁自動采用細分的殼單元計算。轉換梁自動按殼單元計算。傳統軟件處理轉換梁模型的方法缺陷：用梁單元計算轉換梁，不能真實反映轉換梁的剛度。處理方法：托墻梁剛度放大系數。YJK軟件處理轉換梁模型的方法：采用殼元模型計算，自動進行單元劃分，使細分的單元和上部承托的剪力墻單元保持協調。為設計計算的合理形、正確性提供了更好的方案。

4.提供更全面的構件設計功能。減少連梁內力或配筋的措施：分縫連梁、交叉斜筋等；梁配筋考慮樓板翼緣作用；對帶邊框柱或型鋼、型鋼混凝土柱剪力墻按照組合截面配筋；剪力墻組合軸壓比計算；剪力墻邊緣構件的設計以及型鋼混凝土構件可按不同規程計算。

五、全新實用的基礎設計軟件

傳統基礎設計軟件主要存在：基礎類型多，計算模式復雜，多采用不同的模塊計算不同類型基礎；沉降計算原理框圖混亂，結果不可信；操作不好用，功能不齊全，運行不穩定。

全新的設計平臺在以下方面都有創新點：

基礎建模——筏板的布置和編輯適應任意的平面布置，方便的單樁、群樁的布置，方便地生成多邊形承臺；基礎計算——無論何種基礎形式，都是統一的建模、計算、結果輸出三個步驟；除了單柱的獨基、承臺外，都是統一的有限元計算；高質量的單元劃分，一鍵操作；計算容量不再受限；沉降二次計算及技術條件——沉降試算、有限元結果計算、剛度回代再次計算作為最終結果；沉降計算考慮各種類型基礎互相之間的影響；算結果集中統一管理；開放接口——Etabs、Midas、Revit、Abqus、PKPM接口，并建立一個平臺，發揮各種綜合優勢，一模多算，達到各軟件模型信息共享，避免重復勞動。