陳岱林：構(gòu)建全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)

北京盈建科軟件有限責(zé)任公司總經(jīng)理 陳岱林

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在整個(gè)設(shè)計(jì)軟件中處于最高端，行業(yè)從業(yè)人員的素質(zhì)較高，對(duì)新事物接受能力較強(qiáng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件同時(shí)也是BIM應(yīng)用中最薄弱的環(huán)節(jié)，相對(duì)于其它專業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的技術(shù)進(jìn)步發(fā)展不快，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)市場(chǎng)對(duì)新技術(shù)的需求和吸納能力最強(qiáng)。

我們立足于解決當(dāng)前設(shè)計(jì)應(yīng)用中的難點(diǎn)熱點(diǎn)問(wèn)題填補(bǔ)大量需求空白、特別是2010新規(guī)范大量新增需求的空白并全面提升軟件的應(yīng)用范圍、規(guī)模、穩(wěn)定性和計(jì)算速度。在確保建筑工程質(zhì)量安全的前提下，增加了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為減少配筋量、節(jié)省工程造價(jià)做了大量改進(jìn)。

一、全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

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

2、給出突出三維特點(diǎn)的模型與荷載輸入方式；

3、引進(jìn)采用通用有限元的技術(shù)架構(gòu)全面改進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算水平，適應(yīng)越來(lái)越大規(guī)模、越來(lái)越復(fù)雜建筑工程需要；

4、立足于解決當(dāng)前設(shè)計(jì)應(yīng)用中的一批難點(diǎn)熱點(diǎn)問(wèn)題，提高智能化設(shè)計(jì)水平；

5、充分實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)規(guī)范一系列全新的條文要求。

軟件建立自足開發(fā)的三維圖像平臺(tái)上，采用目前先進(jìn)的圖形用戶界面，如先進(jìn)的Direct3D圖形技術(shù)和Ribbon菜單管理，并廣泛吸取了當(dāng)今BIM方面領(lǐng)先軟件Revit和Autocad2010的特點(diǎn)。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(shí)無(wú)縫切換，操作簡(jiǎn)捷順暢。

各級(jí)Ribbon菜單說(shuō)明：一級(jí)：主要功能模塊，包括建筑模型荷載輸入、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、砌體設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)共五個(gè)功能模塊。它們以深藍(lán)色表示。二級(jí)：每個(gè)功能模塊的一級(jí)控制菜單。它們?cè)诖蜷_一級(jí)菜單后展開顯示，為白色。模型荷載輸入模塊下有“軸線網(wǎng)格、構(gòu)件輸入、樓板輸入、荷載輸入、樓層組裝”共五個(gè)一級(jí)菜單。上部結(jié)構(gòu)計(jì)算下有“前處理及計(jì)算、設(shè)計(jì)結(jié)果”兩項(xiàng)一級(jí)菜單。三級(jí)：點(diǎn)取每個(gè)白色的二級(jí)菜單后，該菜單的字從白色轉(zhuǎn)為黑色，并展開三級(jí)菜單。這級(jí)菜單是最具Rabbin特色的形式，以彩色圖形圖標(biāo)為特色。四級(jí)：如果Rabbin彩色圖標(biāo)下標(biāo)志有藍(lán)色或者綠色箭頭，說(shuō)明該菜單下存在下級(jí)菜單。此時(shí)只要將鼠標(biāo)靠近這種帶箭頭的圖標(biāo)，其下級(jí)菜單就會(huì)馬上出現(xiàn)，這就是四級(jí)菜單。藍(lán)色箭頭時(shí)，點(diǎn)取了四級(jí)菜單的某一項(xiàng)后，四級(jí)菜單就會(huì)馬上收起。綠色箭頭時(shí)，點(diǎn)取了四級(jí)菜單的某一項(xiàng)后，四級(jí)菜單仍會(huì)保留在原位上。這種四級(jí)菜單常需要連續(xù)執(zhí)行，保留在原位利于用戶的下一次操作。

二、突出三維特點(diǎn)的模型與荷載輸入方式

1、操作更加順暢。某一類構(gòu)件（或荷載）布置時(shí)，該類構(gòu)件的截面列表常駐于屏幕左側(cè)，用戶點(diǎn)取某個(gè)尺寸的截面后，移動(dòng)鼠標(biāo)即可將其布置在平面相應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置，選擇和布置的操作是連續(xù)的。

2、突出三維操作。構(gòu)件布置可以在平面視圖狀態(tài)進(jìn)行，也可以在三維的軸測(cè)狀態(tài)進(jìn)行。在平面視圖狀態(tài)，程序采用線框方式顯示軸線網(wǎng)格和已經(jīng)布置的構(gòu)件，線框顯示方式不會(huì)造成構(gòu)件之間、構(gòu)件和軸線網(wǎng)格之間的遮擋。但是一旦切換到三維顯示狀態(tài)，程序自動(dòng)按照實(shí)體模型方式顯示，因?yàn)樵谌S下只有實(shí)體方式才能清晰地表現(xiàn)布置的狀態(tài)。在三維顯示狀態(tài)下，程序按照用戶設(shè)置的層高自動(dòng)將平面軸線網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成三維空間網(wǎng)格，原來(lái)的平面網(wǎng)格仍在該層平面底部以紅色顯示，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wǎng)格相同的網(wǎng)格，以白色顯示。這樣做是為了方便各種構(gòu)件的布置，比如點(diǎn)取豎直線布置柱、點(diǎn)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(gè)樓層的三維模型上布置或修改構(gòu)件。單層模型和組裝好的模型可以隨時(shí)切換。這種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)樓層的同時(shí)操作。對(duì)于上下層柱或者上下層墻需要對(duì)齊的操作，或者跨越多個(gè)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(duì)組裝模型任意切選出一部分進(jìn)行各種布置、修改操作。

三、通用有限元的技術(shù)架構(gòu)，力學(xué)計(jì)算與專業(yè)設(shè)計(jì)分離管理

上部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用通用有限元的技術(shù)架構(gòu)，力學(xué)計(jì)算與專業(yè)設(shè)計(jì)分離管理。在本系統(tǒng)中除了上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，還有基礎(chǔ)的筏板、地梁、樁筏的有限元計(jì)算、砌體結(jié)構(gòu)的砌體墻有限元計(jì)算、豎向?qū)Ш捎?jì)算等等，我們對(duì)這些所有的計(jì)算都調(diào)用了統(tǒng)一的有限元計(jì)算模塊，從而保證了計(jì)算核心的質(zhì)量、維護(hù)和發(fā)展。在核心有限元計(jì)算方面，聯(lián)合了專業(yè)領(lǐng)先的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)盈建科軟件，把國(guó)內(nèi)最好的力學(xué)有限元技術(shù)推廣到建筑行業(yè)。

系統(tǒng)充分采用了當(dāng)前大量可用的先進(jìn)技術(shù)，如：死活單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種模型多項(xiàng)計(jì)算；合理應(yīng)用偏心剛域、主從節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)與非協(xié)調(diào)單元等技術(shù)；在墻元的優(yōu)化計(jì)算及準(zhǔn)確性、適應(yīng)性及穩(wěn)定性計(jì)算方面做了大量改進(jìn)；新的偶然偏心算法（瑞利-里茲投影反應(yīng)譜法）以及高水平的重力二階效應(yīng)算法等等。

其中，大量應(yīng)用死活單元技術(shù)和自動(dòng)單元分組實(shí)現(xiàn)一個(gè)模型下作多種不同要求的計(jì)算功能，通過(guò)單元組來(lái)控制單元生死，從而高效地實(shí)現(xiàn)多個(gè)模型的計(jì)算。多點(diǎn)約束（MPC）的應(yīng)用是指MPC定義的是一種節(jié)點(diǎn)自由度的耦合關(guān)系，即令指定的自由度與一個(gè)或多個(gè)自由度建立某種關(guān)系。剛性連接在偏心剛域、轉(zhuǎn)換梁處理、多節(jié)點(diǎn)柱、轉(zhuǎn)換梁處理、替代短梁、短墻歸并處理、墻墻不協(xié)調(diào)關(guān)系方面具有較好的應(yīng)用。通過(guò)多點(diǎn)約束（MPC）的應(yīng)用，可以達(dá)到減少計(jì)算單元數(shù)量，避免計(jì)算異常，提高計(jì)算的穩(wěn)定性等效果。

全新的設(shè)計(jì)平臺(tái)提供偶然偏心新算法，提高了偶然偏心的計(jì)算精度與效率。在《高規(guī)》4.3.3 指出：計(jì)算單向地震作用時(shí)應(yīng)考慮偶然偏心的影響。每層質(zhì)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(zhì)量矩陣，并求解結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)；反應(yīng)譜分析；計(jì)算量極大，目前結(jié)構(gòu)分析軟件均不采用。

等效扭矩法（傳統(tǒng)法）——繼承未偏心結(jié)構(gòu)的固有分析結(jié)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(yīng)譜法（新算法）——近似的結(jié)構(gòu)固有振型分析、反應(yīng)譜分析。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果與完全重分析法接近，計(jì)算量極小，速度快，內(nèi)存消耗小。

上部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用通用有限元的技術(shù)架構(gòu)，采用了領(lǐng)先的快速求解器，使程序的解題規(guī)模大大增加，計(jì)算速度大幅提快，同時(shí)穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)?？梢郧袑?shí)改變目前應(yīng)用軟件常出現(xiàn)的計(jì)算規(guī)模受限，計(jì)算常出錯(cuò)退出、且找不到原因的狀況。

四、設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)熱點(diǎn)問(wèn)題

1.專業(yè)化、智能化特點(diǎn)突出。對(duì)于多塔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)合塔與分塔狀況自動(dòng)拆分、分別計(jì)算并結(jié)果選大。強(qiáng)制剛性板假定與非剛性板假定集成進(jìn)行少墻框架結(jié)構(gòu)中框架部分的地震剪力取框架、框剪兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算較大值。最不利地震方向的地震作用自動(dòng)計(jì)算。對(duì)層間受剪承載力突變形成的薄弱層自動(dòng)放大調(diào)整。

2010規(guī)范要求：“對(duì)多塔樓結(jié)構(gòu)，宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計(jì)算，并采用較不利的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。人工分塔分別計(jì)算要耗費(fèi)大量的工時(shí)，要對(duì)每個(gè)構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果選大，在手工操作上更幾乎是不可能的。多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——可自動(dòng)處理復(fù)雜情況，完全的自動(dòng)劃分，極少的人工干預(yù)?？梢宰詣?dòng)實(shí)現(xiàn)規(guī)范條文。YJK軟件多塔可自動(dòng)處理復(fù)雜情況，完全的自動(dòng)劃分，極少的人工干預(yù)。

2.強(qiáng)剛模型與非強(qiáng)剛模型可集成計(jì)算。參數(shù)設(shè)置目的是為設(shè)計(jì)人員提供明確信息，防止因誤選導(dǎo)致得到錯(cuò)誤的結(jié)果。填補(bǔ)手工計(jì)算不可能完成的空白，改變?nèi)斯さ亩啻畏磸?fù)計(jì)算為自動(dòng)的連續(xù)計(jì)算，避免關(guān)鍵規(guī)范計(jì)算要求的遺漏，有效避免用戶的失誤操作。

3.提供準(zhǔn)確便捷處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能，自動(dòng)生成復(fù)雜情況模擬施工加載次序，對(duì)轉(zhuǎn)換梁自動(dòng)采用細(xì)分的殼元計(jì)算轉(zhuǎn)換柱的補(bǔ)充定義可多層同時(shí)操作。軸壓比限值、抗震等級(jí)、邊緣構(gòu)件屬性綜合定義以及對(duì)按照普通梁輸入的連梁自動(dòng)采用細(xì)分的殼單元計(jì)算。轉(zhuǎn)換梁自動(dòng)按殼單元計(jì)算。傳統(tǒng)軟件處理轉(zhuǎn)換梁模型的方法缺陷：用梁?jiǎn)卧?jì)算轉(zhuǎn)換梁，不能真實(shí)反映轉(zhuǎn)換梁的剛度。處理方法：托墻梁剛度放大系數(shù)。YJK軟件處理轉(zhuǎn)換梁模型的方法：采用殼元模型計(jì)算，自動(dòng)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，使?xì)分的單元和上部承托的剪力墻單元保持協(xié)調(diào)。為設(shè)計(jì)計(jì)算的合理形、正確性提供了更好的方案。

4.提供更全面的構(gòu)件設(shè)計(jì)功能。減少連梁內(nèi)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(duì)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(jì)算；剪力墻邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)以及型鋼混凝土構(gòu)件可按不同規(guī)程計(jì)算。

五、全新實(shí)用的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件

傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件主要存在：基礎(chǔ)類型多，計(jì)算模式復(fù)雜，多采用不同的模塊計(jì)算不同類型基礎(chǔ)；沉降計(jì)算原理框圖混亂，結(jié)果不可信；操作不好用，功能不齊全，運(yùn)行不穩(wěn)定。

全新的設(shè)計(jì)平臺(tái)在以下方面都有創(chuàng)新點(diǎn)：

基礎(chǔ)建模——筏板的布置和編輯適應(yīng)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(tái)；基礎(chǔ)計(jì)算——無(wú)論何種基礎(chǔ)形式，都是統(tǒng)一的建模、計(jì)算、結(jié)果輸出三個(gè)步驟；除了單柱的獨(dú)基、承臺(tái)外，都是統(tǒng)一的有限元計(jì)算；高質(zhì)量的單元?jiǎng)澐?，一鍵操作；計(jì)算容量不再受限；沉降二次計(jì)算及技術(shù)條件——沉降試算、有限元結(jié)果計(jì)算、剛度回代再次計(jì)算作為最終結(jié)果；沉降計(jì)算考慮各種類型基礎(chǔ)互相之間的影響；算結(jié)果集中統(tǒng)一管理；開放接口——Etabs、Midas、Revit、Abqus、PKPM接口，并建立一個(gè)平臺(tái)，發(fā)揮各種綜合優(yōu)勢(shì)，一模多算，達(dá)到各軟件模型信息共享，避免重復(fù)勞動(dòng)。