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1、常用建筑结构设计计算软件分析与比较常用建筑构造设计软件分析与比拟CommentaryontheCommonlyUsedArchitecturalStructureSoftwares陈志阳福建省惠安开成建筑工程学校362141庄丽环福建省惠安高级中学362100提要：通过对构造设计软件的使用，对常用建筑构造设计软件从计算模型与单元库、适用性和易用性及前后期处理等方面进行介绍。ABSTRACT：Accordingtopersonalunderstanding,thearticlecomparethecommonlyusedarchitecturalstructuresoftwaresinthere
2、spectofcalculationmodel,elementslibrary,applicability,easyusing,frontandbacktreatment.关键词：模型单元库适用性易用性前后期处理KEYWORD：model,elements,library,applicability,easyusing,frontandbacktreatment目前常用的钢筋混凝土构造主体计算程序主要有：PKPM系列TAT、SATWE、TBSA系列TBSA、TBWE、TBSAP、BSCW、GSCAD及SAP系列。其他一些构造计算程序如ETABS等，固然功能很强大，并且在国外也相当流行，但国内实
3、际上使用的不多，故不做具体讨论。一、构造主体计算程序的模型与单元库分析从主体计算程序所采用的模型单元来讲，TAT和TBSA属于构造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、柱均采用空间杆单元，剪力墙则采用空间薄壁杆单元。在构成单刚后再参加刚性楼板的位移协调矩阵，引入了楼板无限刚性假设，大大减少了构造自由度。SATWE，TBWE和TBSAP在此基础上参加了墙元，SATWE和TBSAP还参加了楼板分块刚性假设与弹性楼板假设，更能适应复杂的构造体系。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
4、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-上部构造的整体协同计算。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、广义单元包括筏单元与集中单元，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能够对构造进行基础-上部构造-楼板的整体联算。从弹性计算数值准确性的角度来讲SAP84是较为准确的，其单元类型非常丰富，而且能够对构造进行静力、动力等多种计算。最为关键的是，使用SAP84时能根据构造的实际情况进行单元划分，
5、其计算模型是最为接近实际构造的。BSCW和GSCAD的情况比拟特殊，严格讲来这两个程序均是前后处理工具，其开发者并没有进行构造计算程序的开发。但BSCW与其计算程序一起出售，因而有必要提一下。BSCW一直是使用广东省建筑设计研究院的一个框剪构造计算软件，这个程序应属于空间协同分析程序，即构造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则能够选择生成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根据其软件讲明来看也具有墙元，但不清楚其墙元的类型，而且此
6、程序目前尚未通过鉴定。现有大部分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。当构造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，易造成数值计算误差。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，增大了构造刚度。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，将实际构造中连梁对墙肢的一段连续约束简化为点约束，削弱了构造刚度。连梁越高，则削弱越大；连梁越多，则削弱越大。所以计算时对实际构造的刚度是增大还是削弱要看墙肢与连梁的比例情况。杆单元点接触传力
7、与变形的特点使TBSA，TAT等计算构造转换层时数值误差较大。由于从实际构造来看，剪力墙与转换构造的连接是线连接若不考虑墙厚，实际作用于转换构造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，由于一个薄壁柱只要通过剪心传递力与位移，所以在处理多墙肢薄壁柱转换时比拟费事。如将剪心与下层柱相连，则使转换梁过于危险，如设置实际并不存在的计算洞口使力传至转换梁又会改变上层墙体的变形协调条件TBSA手册中讲设连梁高为层高，一段连续约束简化成一个点约束，误差很难估计出来。为了解决早期薄壁柱单元造成剪力墙分析模型模拟中的困难，ETABS，SAP84，SATWE，TBWE，TUS，TBSA
8、P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。其本质是平面单元，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，由前面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下面称为板壳墙元，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，因而板壳墙元更能准确地分析复杂剪力墙构造。以上几种带有墙元的软件中，ETABS和TUS采用板-梁墙元，S
9、AP84、SATWE和TBSAP均采用壳墙元。TBWE所采用的墙组元实际上是一种改良的薄壁杆件模型，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，能够分析闭口截面和半开半闭截面；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剪力墙单元。从构造分析的数值精度来讲，从好到差排列依次为：板壳墙元、墙组元、板-梁墙元。
10、另外一个有争议的问题是对异形柱的处理。异形柱在广东省又叫短肢剪力墙，固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用户手册中建议将异形柱折算成惯性矩一样的矩形截面柱进行整体分析，获得内力后再进行具体的计算。这种方法用起来不方便，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拟成熟的理论，因而BSCW和GSCAD对异形柱的计算与绘图方便可靠，目前广东省住宅建筑设计常采用短肢剪力墙构造，导致大量的异形柱，因而这两个
11、程序比拟流行。在用PMCAD进行输入时，能够看到有不同类型的截面，采用这些截面输入的异形柱能够传递到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，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、剪力后根据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、构造主体计算程序的适用性与易用性从适用性功能的角度，按强到弱排列依次为：ETABS，SAP84，SATWE，TBSAP，
12、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、构造阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊构件和一定的构造非线性变形；SAP84本来是一个通用有限元程序，后来为构造分析的需要参加了墙元等专用单元，其单元库最为完备，通用性广泛；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，适应工程应用的能力强，TBWE、GSCAD和TUS不能进行弹性楼板计算；BSCW只能进行平面为正交布置的构造计算。从易用性的角度来看从好到差的顺序排列应为：TUS，GSCAD，SATWE，TAT，TBSA，TBWE，BSCW，SAP8
13、4，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愈加友好；GSCAD和新版的PKPM均为WINDOWS界面软件，但留有DOS下的影子；SAP84和ETABS使用则最为费事。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经过中的方便程度。比方GSCAD、SATWE、TAT在进行图形输入时均能做到修改构造平面后不影响原有荷载，而TBSA则没有实现这一点。从综合性能来讲PKPM系列的SATWE是较好的，主要优点在于：能适应目前复杂的构造计算要求，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经太多年升版，已经能够在计算
14、中考虑多种因素影响，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、钢构造计算；5、上部构造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、复杂砌块构造有限元分析与抗震验算。这些功能的参加，使构造工程师无需在整体计算后再手算进行补充计算，减轻了工程设计的工作量。三、构造前后期处理软件按数据输入的费事程度从难到易排列：SAP84，BSCW，GSCAD，PKPM，TBSA。当然这只是考虑一次性输入的情况，假如构造平面经常修改的话TBSA应被列为较费事的一类，主要是构造平面一改就要重新输入该层的荷载。假如想避免这种费事的话能够用如SASCAD等软件，既进行前处理
15、，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。PKPM，BSCW和GSCAD具有构造后处理功能。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，能够讲BSCW比PKPM更符合广东人的习惯。GSCAD和PKPM在构成施工图的经过中均能够进行大量的人工干涉，相比拟而言GSCAD对图纸的修改更为方便。GSCAD既能够很直观地在平面图上修改各种构件的配筋，可以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，另外在修改配筋时能够方便地查询计算配筋
16、量和弯矩包络图，这讲明编制者在利用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，然后一次性构成表格或平法图，但PKPM中能够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，对于广东省设计人员来讲则是GSCAD最好，修改也容易。PKPM的施工图比拟完备，但图面比拟乱，修改起来也比拟费事，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拟合理，尤其是板的配筋，这对于构造人员来讲是很重要的。TBSA本身固然没有后处理能力，但由于其流行面广，各种后处理软件很多，如：SASCAD、JYCAD、TASD、
17、TSSD、TBCAD、德赛的SDS和BCDS等等。从功能来讲，最好的应是SASCAD，既可前处理，又可后处理，功能比拟完备，可以以进行各种后期验算，免除了手算校核的费事。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，且图面比拟乱，出板配筋图时一定要人工归并板，否则板的类型过多，且梁配筋不是很合理。JYCAD佳友则是比拟早就有了，由于建筑在AutoCADR12基础上，使用起来不大方便，功能也一般。从发展来看，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参加。另外还要提一点的是SASCAD是自主开发
18、的平台，不象其他软件是建筑在AUTOCAD的基础上的。由于目前Autodesk公司已开场对国内设计院的盗版AUTOCAD软件进行扫荡，这个因素也开场进入考虑范围了。这几种软件的共同缺点是配筋合理性不如PKPM、BSCW和GSCAD。能够讲目前没有一个前后期处理软件是完全令人满意的。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；假如重视易用性的话，目前应选择GSCAD，前处理比SASCAD费事，但后期调整很方便，在Windows下灵敏的调整方法让人得心应手。然而从发展的目光看，SASCAD可能是较好的选择，由于这个软件将要出剪力墙配筋图这
19、可是除PKPM外其他同类软件所没有的功能，最最少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。最理想的构造前后期处理软件应具有如下的特征：1、一次输入可构成多种构造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，比方：TBSA、TAT和SATWE，当然如能构成SAP84等有限元软件的计算数据就更理想了；2、能够使用类似AutoCAD的方法输入构造平面如SASCAD，当修改构造平面时原有荷载不乱如PKPM，SASCAD，GSCAD；3、能进行梁裂缝、挠度验算等后期计算如PKPM，SASCAD；
20、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，GSCAD，又能方便地直接修改所构成的图表如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要PKPM能出剪力墙配筋图，SASCAD正在做这个模块，其他软件尚没有；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下软件界面交互风格。总而言之，前后期处理软件除了要功能强大外，更重要的还是易用为主。参考文献：1、构造分析及程序设计，华南理工大学出版社，ISBN7-5623-1173-02、PKPM系列微机建筑构造CAD系统软件使用讲明书3、TBSA系列建筑构造系统软件使用讲明书4、SAP系列建筑构造系统软件使用讲明书作者地址：福建省惠安开成建筑工程学校邮政编码：362141联络0595-*作者简历:姓名:陈志阳性别:男出生年月:1974.9职务(职称):一级注册建造师；高级工程师工作单位：福建省惠安开成建筑工程学校通讯地址：福建省惠安开成建筑工程学校362141联络0595-*E-mail:bothchenhttpdocsj/doc/54bdead86f1aff00bed51eb7.