徐建雄 周圣喬

SATWE軟件是目前國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)院采用的多高層建筑結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)大范圍使用的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件。

目前,很多國(guó)際結(jié)構(gòu)分析軟件雖然要面對(duì)中國(guó)規(guī)范與西方國(guó)家規(guī)范的巨大差異和中國(guó)工程師對(duì)軟件前后處理方面的特殊要求,但陸續(xù)開始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),大多擁有計(jì)算內(nèi)核方面的優(yōu)勢(shì)。SAP2000是通過建設(shè)部專家小組的鑒定,通過建設(shè)部鑒定的結(jié)構(gòu)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(duì)比。

1 建模功能

現(xiàn)在一些設(shè)計(jì)院已經(jīng)遇到了不同程度的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu),用平面建模是無法實(shí)現(xiàn)的。在這方面,中文版SAP2000的三維空間建模方式具有較大優(yōu)勢(shì),能夠?qū)崿F(xiàn)任何復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系,建立SATWE很難實(shí)現(xiàn)的坡屋面、車道等斜面以及斜梁、斜柱和跨層構(gòu)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(duì)于中國(guó)工程師實(shí)現(xiàn)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(jìn)行顯示,國(guó)內(nèi)工程師還比較難以接受。

在構(gòu)件截面定義方面,兩種軟件對(duì)于常規(guī)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(fù)雜的任意幾何形式或組合截面形式。

2 單元庫(kù)

有限元程序單元庫(kù)的質(zhì)量可以從一個(gè)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(duì)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(chǔ)上凝聚而成)的優(yōu)勢(shì)贏得了市場(chǎng),而SAP2000直接采用殼元,在計(jì)算精度和模擬復(fù)雜情況的能力上優(yōu)于SATWE,但在計(jì)算效率上不如SATWE。新規(guī)范已經(jīng)體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)分析中樓板所處的重要地位,大量平面復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shí)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(xiàn)的膜單元(可用于模擬鋼結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)時(shí)所需要的組合樓板模型)。

與SATWE相比,中文版SAP2000對(duì)于模型底部支承位置、任意節(jié)點(diǎn)約束的指定具有更大靈活性,另外中文版SAP2000提供了節(jié)點(diǎn)、線和面的邊界彈簧單元,這些也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)、乃至線單元和面對(duì)象的復(fù)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(qū)別。首先SATWE中樓板自重需要工程師統(tǒng)計(jì)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(gòu)件自重都是由軟件自動(dòng)計(jì)算的;其次SATWE不能夠自動(dòng)去除梁柱節(jié)點(diǎn)重疊區(qū)的影響,中文版SAP2000可以考慮這一點(diǎn),這也導(dǎo)致兩個(gè)軟件對(duì)同一模型計(jì)算出的質(zhì)量會(huì)有少許差別。

在荷載形式方面,SATWE和中文版SAP2000都可以自動(dòng)生成風(fēng)荷載模型,但中文版SAP2000還可以更精確的按面對(duì)象指定風(fēng)荷載,這對(duì)于復(fù)雜立面的建筑非常有利。中文版SAP2000可以施加對(duì)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(shù),真實(shí)模擬機(jī)器荷載以及其他更復(fù)雜的荷載形式。

3.2 動(dòng)力分析

在動(dòng)力分析方面,SATWE和一般結(jié)構(gòu)分析軟件都采用特征向量法進(jìn)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(duì)于相同的計(jì)算振型數(shù),結(jié)果更精確。

SATWE的地震反應(yīng)譜是內(nèi)置在軟件中的,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震作用分析時(shí)只能選擇考慮兩個(gè)方向的反應(yīng)譜作用,相比之下,中文版SAP2000要靈活得多,它可以引入不同國(guó)家的反應(yīng)譜,可以對(duì)默認(rèn)反應(yīng)譜作修改,還可以輸入自定義的反應(yīng)譜,軟件可以自動(dòng)考慮雙向地震作用,可以輸入任意方向、任意數(shù)量的反應(yīng)譜工況,并可以考慮它們之間的結(jié)果比較或構(gòu)件包絡(luò)設(shè)計(jì),這對(duì)于平面復(fù)雜、難以確定主軸方向的結(jié)構(gòu)是十分有用的。

中文版SAP2000在動(dòng)力時(shí)程分析工況定義時(shí)可以輸入任意方向、任意數(shù)量的地震波,可以模擬橫波、縱波到達(dá)結(jié)構(gòu)的時(shí)間差異,還可以模擬結(jié)構(gòu)多基激勵(lì),這些高級(jí)功能為大跨、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。

3.3 非線性分析

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求,對(duì)于“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導(dǎo)致地震時(shí)嚴(yán)重破壞的建筑結(jié)構(gòu),需要進(jìn)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(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析的功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)在可以定義框架結(jié)構(gòu)任意位置任意形式的塑性鉸、可以控制塑性鉸出現(xiàn)的條件、并可以對(duì)各種性質(zhì)塑性鉸的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行所需的自定義等方面。

施工順序加載問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中越來越被工程師關(guān)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(zhì)的區(qū)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(jìn)行整體驗(yàn)算,顯然計(jì)算量要比SATWE大。除此以外,中文版SAP2000在進(jìn)行施工順序加載時(shí),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(dòng)組,這對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)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(jìn)行全面的非線性連接單元的靜力和動(dòng)力分析,新增加非線性分層殼單元(Layered Shell Element),應(yīng)用材料方向模型來進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)或相似應(yīng)用的Pushover分析。

4 設(shè)計(jì)功能

4.1 設(shè)計(jì)能力

SATWE主要是處理混凝土框剪結(jié)構(gòu),雖然結(jié)構(gòu)中也可以建立鋼構(gòu)件或組合構(gòu)件,但它不能進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)件的設(shè)計(jì),鋼結(jié)構(gòu)體系需要在其他模塊中進(jìn)行設(shè)計(jì),不能進(jìn)行組合構(gòu)件的設(shè)計(jì),因此SATWE在處理混合結(jié)構(gòu)和組合構(gòu)件方面存在一定的局限性。中文版SAP2000可以在同一界面中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)以及鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),還可以完成冷彎鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但PKPM工程部的系列產(chǎn)品涉及的范圍也是比較廣泛的,比如說他們開發(fā)了專門進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件模塊,而中文版SAP2000是不能進(jìn)行樓板和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì),需要將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SAFE中進(jìn)行驗(yàn)算,這一點(diǎn)不太方便。

4.2 設(shè)計(jì)方式

國(guó)內(nèi)工程師對(duì)于設(shè)計(jì)方式的概念可能并不熟悉,因?yàn)槲覀兂Ｓ玫膰?guó)內(nèi)軟件一般采用的都是流程式的設(shè)計(jì)方式,沒有體現(xiàn)交互式設(shè)計(jì)思想。中文版SAP2000在流程式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了軟件交互式設(shè)計(jì),其優(yōu)勢(shì)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(diǎn)主要體現(xiàn)在各種荷載作用函數(shù)和施加方式以及設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)調(diào)整方面。像SATWE一樣的國(guó)內(nèi)軟件,其目標(biāo)基本上是在既定的水平滿足規(guī)范要求,因此它的很多參數(shù)都是藏在“黑箱”中,工程師看不到,更不能修改。對(duì)于越來越復(fù)雜的實(shí)際工程,了解或修改這些參數(shù)都是必要的。中文版SAP2000將大部分調(diào)整參數(shù)提供給工程師,必要時(shí)可進(jìn)行修改,大大提高了工程師的主觀能動(dòng)性,也提高了軟件處理特種結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。

4.3 中國(guó)規(guī)范的貫入

我國(guó)規(guī)范規(guī)定了大量抗震設(shè)計(jì)調(diào)整和構(gòu)件細(xì)部調(diào)整內(nèi)容,這些內(nèi)容是相當(dāng)細(xì)化和具體的。國(guó)外結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)時(shí),中國(guó)規(guī)范的貫入情況常常受到質(zhì)疑,引進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)的軟件也往往由于這個(gè)原因不能廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐。

作為國(guó)產(chǎn)軟件,SATWE跟隨著規(guī)范的不斷更新和進(jìn)步而發(fā)展,它對(duì)于中國(guó)規(guī)范的貫入是毋庸置疑的。中文版SAP2000的發(fā)布使得市場(chǎng)上多了一種選擇,專家小組對(duì)于軟件的中國(guó)規(guī)范貫入情況給了很高的評(píng)價(jià)。

通過使用中文版SAP2000,發(fā)現(xiàn)其貫入中國(guó)規(guī)范深入而全面,這在很大程度上既保證了軟件的自動(dòng)化能力,又給工程師留出了發(fā)揮主觀能動(dòng)性的空間。

4.4 設(shè)計(jì)后處理

國(guó)內(nèi)用戶對(duì)于SATWE軟件后處理功能比較認(rèn)可,SATWE對(duì)于規(guī)范所要求的以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)送審報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的輸出,對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的配筋結(jié)果整體平面輸出對(duì)后續(xù)施工圖繪制非常方便,除此以外,SATWE可以直接繪制結(jié)構(gòu)梁板柱施工圖。但中文版SAP2000不能出施工圖,這是較多結(jié)構(gòu)軟件用戶不能接受的,另外豎向構(gòu)件的配筋內(nèi)容需要在立面上去看,比較麻煩,特別是與后處理相當(dāng)完善的SATWE相比,的確欠缺了很多。

5 結(jié)語

我國(guó)建筑市場(chǎng)用于結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)的軟件并不多,特別是能夠全面執(zhí)行中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的軟件,中國(guó)工程師對(duì)軟件的選擇余地不大。中國(guó)市場(chǎng)中占有率處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的SATWE軟件如果能夠進(jìn)一步增強(qiáng)自身功能和提高軟件穩(wěn)定性,它仍將憑其長(zhǎng)年培育的忠實(shí)用戶和軟件在計(jì)算精度和效率方面的平衡以及后處理等特色保持強(qiáng)大的生命力。中文版SAP2000產(chǎn)品的靈活界面、精確的分析內(nèi)核以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的完整性、靈活性和可操作性,但仍需努力在尊重傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣和引導(dǎo)先進(jìn)設(shè)計(jì)思維方面尋找平衡,并盡快開發(fā)施工圖自動(dòng)輸出等后處理模塊。