陈岱林：构建全新的结构设计平台

北京盈建科软件有限责任公司总经理 陈岱林

结构设计软件在整个设计软件中处于最高端，行业从业人员的素质较高，对新事物接受能力较强。结构设计软件同时也是BIM应用中最薄弱的环节，相对于其它专业，结构设计软件的技术进步发展不快，但是结构设计市场对新技术的需求和吸纳能力最强。

我们立足于解决当前设计应用中的难点热点问题填补大量需求空白、特别是2010新规范大量新增需求的空白并全面提升软件的应用范围、规模、稳定性和计算速度。在确保建筑工程质量安全的前提下，增加了优化设计，为减少配筋量、节省工程造价做了大量改进。

一、全新的结构设计软件

1、建立全新的软件集成交互界面，采用目前先进的图形用户界面，如先进Ribbon菜单管理；

2、给出突出三维特点的模型与荷载输入方式；

3、引进采用通用有限元的技术架构全面改进建筑结构有限元计算水平，适应越来越大规模、越来越复杂建筑工程需要；

4、立足于解决当前设计应用中的一批难点热点问题，提高智能化设计水平；

5、充分实现新的设计规范一系列全新的条文要求。

软件建立自足开发的三维图像平台上，采用目前先进的图形用户界面，如先进的Direct3D图形技术和Ribbon菜单管理，并广泛吸取了当今BIM方面领先软件Revit和Autocad2010的特点。采用美观紧凑的图形菜单，将各模块集成在一起，各模块之间即时无缝切换，操作简捷顺畅。

各级Ribbon菜单说明：一级：主要功能模块，包括建筑模型荷载输入、上部结构计算、基础设计、砌体设计、施工图设计共五个功能模块。它们以深蓝色表示。二级：每个功能模块的一级控制菜单。它们在打开一级菜单后展开显示，为白色。模型荷载输入模块下有“轴线网格、构件输入、楼板输入、荷载输入、楼层组装”共五个一级菜单。上部结构计算下有“前处理及计算、设计结果”两项一级菜单。三级：点取每个白色的二级菜单后，该菜单的字从白色转为黑色，并展开三级菜单。这级菜单是最具Rabbin特色的形式，以彩色图形图标为特色。四级：如果Rabbin彩色图标下标志有蓝色或者绿色箭头，说明该菜单下存在下级菜单。此时只要将鼠标靠近这种带箭头的图标，其下级菜单就会马上出现，这就是四级菜单。蓝色箭头时，点取了四级菜单的某一项后，四级菜单就会马上收起。绿色箭头时，点取了四级菜单的某一项后，四级菜单仍会保留在原位上。这种四级菜单常需要连续执行，保留在原位利于用户的下一次操作。

二、突出三维特点的模型与荷载输入方式

1、操作更加顺畅。某一类构件（或荷载）布置时，该类构件的截面列表常驻于屏幕左侧，用户点取某个尺寸的截面后，移动鼠标即可将其布置在平面相应的网格节点位置，选择和布置的操作是连续的。

2、突出三维操作。构件布置可以在平面视图状态进行，也可以在三维的轴测状态进行。在平面视图状态，程序采用线框方式显示轴线网格和已经布置的构件，线框显示方式不会造成构件之间、构件和轴线网格之间的遮挡。但是一旦切换到三维显示状态，程序自动按照实体模型方式显示，因为在三维下只有实体方式才能清晰地表现布置的状态。在三维显示状态下，程序按照用户设置的层高自动将平面轴线网格转换成三维空间网格，原来的平面网格仍在该层平面底部以红色显示，同时各个节点处生成高度为层高的白色竖直线，在层顶位置生成与底部平面网格相同的网格，以白色显示。这样做是为了方便各种构件的布置，比如点取竖直线布置柱、点取层顶部的辅助线布置梁等。

3、可在组装后的三维模型上布置。用户还可以在组装好的全楼或几个楼层的三维模型上布置或修改构件。单层模型和组装好的模型可以随时切换。这种方式可以实现对多个楼层的同时操作。对于上下层柱或者上下层墙需要对齐的操作，或者跨越多个楼层的跃层支撑的输入，在这样的各层组装的模型上操作更加方便、直观。用户可以对组装模型任意切选出一部分进行各种布置、修改操作。

三、通用有限元的技术架构，力学计算与专业设计分离管理

上部结构计算采用通用有限元的技术架构，力学计算与专业设计分离管理。在本系统中除了上部结构整体计算，还有基础的筏板、地梁、桩筏的有限元计算、砌体结构的砌体墙有限元计算、竖向导荷计算等等，我们对这些所有的计算都调用了统一的有限元计算模块，从而保证了计算核心的质量、维护和发展。在核心有限元计算方面，联合了专业领先的团队，通过盈建科软件，把国内最好的力学有限元技术推广到建筑行业。

系统充分采用了当前大量可用的先进技术，如：死活单元技术实现一种模型多项计算；合理应用偏心刚域、主从节点、协调与非协调单元等技术；在墙元的优化计算及准确性、适应性及稳定性计算方面做了大量改进；新的偶然偏心算法（瑞利-里兹投影反应谱法）以及高水平的重力二阶效应算法等等。

其中，大量应用死活单元技术和自动单元分组实现一个模型下作多种不同要求的计算功能，通过单元组来控制单元生死，从而高效地实现多个模型的计算。多点约束（MPC）的应用是指MPC定义的是一种节点自由度的耦合关系，即令指定的自由度与一个或多个自由度建立某种关系。刚性连接在偏心刚域、转换梁处理、多节点柱、转换梁处理、替代短梁、短墙归并处理、墙墙不协调关系方面具有较好的应用。通过多点约束（MPC）的应用，可以达到减少计算单元数量，避免计算异常，提高计算的稳定性等效果。

全新的设计平台提供偶然偏心新算法，提高了偶然偏心的计算精度与效率。在《高规》4.3.3 指出：计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式采用：

目前，偶然偏心有三种算法：

完全重分析法——重新组装刚度矩阵或质量矩阵，并求解结构固有振动；反应谱分析；计算量极大，目前结构分析软件均不采用。

等效扭矩法（传统法）——继承未偏心结构的固有分析结果，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-里兹投影反应谱法（新算法）——近似的结构固有振型分析、反应谱分析。其优点是计算结果与完全重分析法接近，计算量极小，速度快，内存消耗小。

上部结构计算采用通用有限元的技术架构，采用了领先的快速求解器，使程序的解题规模大大增加，计算速度大幅提快，同时稳定性得到了增强。可以切实改变目前应用软件常出现的计算规模受限，计算常出错退出、且找不到原因的状况。

四、设计中的难点热点问题

1.专业化、智能化特点突出。对于多塔结构实现对合塔与分塔状况自动拆分、分别计算并结果选大。强制刚性板假定与非刚性板假定集成进行少墙框架结构中框架部分的地震剪力取框架、框剪两种结构计算较大值。最不利地震方向的地震作用自动计算。对层间受剪承载力突变形成的薄弱层自动放大调整。

2010规范要求：“对多塔楼结构，宜按整体模型和各塔楼分开的模型分别计算，并采用较不利的结果进行结构设计。人工分塔分别计算要耗费大量的工时，要对每个构件的计算结果选大，在手工操作上更几乎是不可能的。多塔结构设计——可自动处理复杂情况，完全的自动划分，极少的人工干预。可以自动实现规范条文。YJK软件多塔可自动处理复杂情况，完全的自动划分，极少的人工干预。

2.强刚模型与非强刚模型可集成计算。参数设置目的是为设计人员提供明确信息，防止因误选导致得到错误的结果。填补手工计算不可能完成的空白，改变人工的多次反复计算为自动的连续计算，避免关键规范计算要求的遗漏，有效避免用户的失误操作。

3.提供准确便捷处理结构设计的功能，自动生成复杂情况模拟施工加载次序，对转换梁自动采用细分的壳元计算转换柱的补充定义可多层同时操作。轴压比限值、抗震等级、边缘构件属性综合定义以及对按照普通梁输入的连梁自动采用细分的壳单元计算。转换梁自动按壳单元计算。传统软件处理转换梁模型的方法缺陷：用梁单元计算转换梁，不能真实反映转换梁的刚度。处理方法：托墙梁刚度放大系数。YJK软件处理转换梁模型的方法：采用壳元模型计算，自动进行单元划分，使细分的单元和上部承托的剪力墙单元保持协调。为设计计算的合理形、正确性提供了更好的方案。

4.提供更全面的构件设计功能。减少连梁内力或配筋的措施：分缝连梁、交叉斜筋等；梁配筋考虑楼板翼缘作用；对带边框柱或型钢、型钢混凝土柱剪力墙按照组合截面配筋；剪力墙组合轴压比计算；剪力墙边缘构件的设计以及型钢混凝土构件可按不同规程计算。

五、全新实用的基础设计软件

传统基础设计软件主要存在：基础类型多，计算模式复杂，多采用不同的模块计算不同类型基础；沉降计算原理框图混乱，结果不可信；操作不好用，功能不齐全，运行不稳定。

全新的设计平台在以下方面都有创新点：

基础建模——筏板的布置和编辑适应任意的平面布置，方便的单桩、群桩的布置，方便地生成多边形承台；基础计算——无论何种基础形式，都是统一的建模、计算、结果输出三个步骤；除了单柱的独基、承台外，都是统一的有限元计算；高质量的单元划分，一键操作；计算容量不再受限；沉降二次计算及技术条件——沉降试算、有限元结果计算、刚度回代再次计算作为最终结果；沉降计算考虑各种类型基础互相之间的影响；算结果集中统一管理；开放接口——Etabs、Midas、Revit、Abqus、PKPM接口，并建立一个平台，发挥各种综合优势，一模多算，达到各软件模型信息共享，避免重复劳动。