[转贴]：如何选择高层建筑结构分析软件

21st

我写这篇文章的时候，PKPM还是DOS版的，所以不一定反应现在的结构软件的特性，过时了！嘻嘻！

如何选择高层建筑结构分析软件

       有限元分析的数学方法, 使建筑结构的电算成为可能。在我国建筑行业，越来越多的工程采用了结构分析软件进行设计，提高了设计效率和水平，特别是在高层建筑中，已经成为必须的设计手段。
      目前，国内比较成熟、应用比较广泛的结构分析软件，主要是：TBSA（中国建研院高层室）和PKPM（中国建研院PKPM　CAD工程部）。其中TBSA常与PIEMCAD搭配使用，而PKPM从砖混、框架、剪立墙到基础，自成一套完整的体系，两者各有千秋。除此之外，最近几年国内又出现了：TUS/ADBW（清华大学）、BSSAD（浙江省建筑设计研究院）、ETS4（中国建研院计算中心）； 国外还有：SUPPER　SAP（美国AIS公司）、SAP 90（美国加州大学）、STAND　Ⅲ（REI公司）等结构分析软件。
　　
      一、高层结构分析软件数学模型（仅对楼板、剪力墙而言)及其计算差别：
　　现有高层建筑结构分析软件中，对剪力墙和楼板的模型化假定是关键，它直接决定了高层结构分析模型的科学性，同时也决定了分析软件的精度和可信度。近年来，国内外在高层建筑分析与设计中，对于剪力墙，应用较多的分析模型
主要有三种：
     １、薄壁杆件模型
　　这种模型以薄壁杆单元模拟工程中的剪力墙，其代表性的软件有：TAT(中国建研院PKPM CAD工程部)，TBSA(中国建研院高层室)等。薄壁杆件分开口和闭口两类。TAT及TBSA均采用开口薄壁杆件模型。其基本假定为：(1) 在小变形条件下，杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持刚性，即不变形；在出平面方向(杆轴方向)可以翘曲。(2) 杆件平面上的剪应变为零，即认为相交于某点的母线与外轮廓线变形后仍保持相互垂直关系。这种模型的优点是自由度少，分析效率高，在普通微机上即可完成多、高层结构的分析和设计。但薄壁杆件模型也存在明显的缺陷：(1) 薄壁杆件两条基本假定的限制，由于第一条假定的限制，以薄壁杆件理论为基础研制的软件不能考虑楼板的弹性变形的影响，而只能采用楼板平面内无限刚假定；第二条假定忽略了剪切变形影响。对于复杂连接的剪力墙，高估了其刚度。(2) 用连梁单元模拟上下层剪力墙洞口间的部分，并用刚臂把连梁单元与薄壁杆件的形心或剪心连接起来，这样的结构模型与结构原形相差甚远，造成连梁单元内力严重失真。(3)当剪力墙连接复杂，洞口不对齐，有较大集中荷载等情况存在时，不满足薄壁杆件理论的基本假定及几何要求，用TAT、TBSA 分析时会有一定的误差。工程应用表明：对于高度较大，结构布置，特别是剪力墙布置比较规则的结构，薄壁杆模型是比较理想的，精度足以满足工程设计要求，但对高度较低或结构布置比较复杂的结构，薄壁杆件模型不理想。
     ２、板-梁墙元模型
     这种模型以膜元或壳元，边柱和层间处刚性梁模拟层高范围内的一片剪力墙，其代表性软件有：ETABS(美国加州大学)，TUS/ADBW(清华大学)，BSSAD(浙江省建筑设计院 ) ，ETS4(中国建研院计算中心)等，这种模型把无洞口或有较小洞口的一片剪力墙化为一个单元，把有较大洞口的一片剪力墙化为一个由板单元和连系梁组成的板-梁体系。板-梁墙元的引进使剪力墙的几何描述和前处理得到简化，避免了剪力墙单元的划分，使得自由度数有所减少，分析效率也得到提高。这种模型的缺陷表现在：(1)板-梁墙元模型是按“柱线”把剪力墙划分成一个个板单元的，为变形协调，“柱线”从上至下应对齐，贯通，但当剪力墙洞口不对齐(不等宽)，各层与剪力墙搭接的梁平面有变化时，将导致“柱线”又密又多，增加了许多板单元，使板单元又细又长，刚度奇异，使结果失真。(2)用梁单元模拟洞口部分的剪力墙， 削弱了剪力墙原型的变形协调关系，使分析结果偏差。
      ３、壳元墙元模型
     即用空间壳元或在壳元基础上经静力凝聚而成的超单元--墙元模拟剪力墙，其代表性软件有：SUPER SAP(美国 AIS公司)，SAP90(美国加州大学) STANDIII(REI公司)及SATWE(中国建研院PKPM CAD工程部)等，由于剪力墙既承受水平荷载作用，又承受竖向荷载作用，而它本身既有平面内刚度，又有平面外刚度，故从有限元目前的发展水平来看，用壳元模拟剪力墙是比较切合实际的，上述软件中除SATWE 外均为优秀的结构通用有限元分析软件，但由于它们前处理功能弱(数据交互图形输入功能差，剪力墙单元自动划分难度大)，后处理功能也不够(难以考虑建筑结构专业特点)，难以让广大结构设计人员接受。为克服上面壳元模型中剪力墙单元划分的困难，PKPM CAD工程部在研制高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE过程中，引进了SAP84的墙元概念，创建了通过墙元(壳元墙元)（注一）在四节点等参平面薄壳单元的基础上凝聚而成的，这不仅简化了剪力墙的几何描述，解决了剪力墙单元自动划分问题，而且通过子结构技术，减少了结构总自由度数，提高了分析效率，从而确保了SATWE 的实用性。SATWE也对楼板的模型简化给予了足够的重视， 引进了弹性楼板单元来描述弹性楼板（注二），使得多塔，错层结构，楼板局部开大洞及特殊楼板结构的分析都能够得到精度保证。总之，SATWE软件集TAT，TBSA等软件前后处理功能强，操作简单和SUPER SAP等软件中结构模型化先进， 分析精度高的优点于一身，有很好的实用性。
      二、软件分析结果的对比
　　1、SATWE和SAP92的理论基础一致， 故分析结果比较接近。
　　2、SATWE和TAT，TBSA的差异， 除对剪力墙和楼板模型化不同外，在风荷载导算及错层构件质量的分配上也有差别。SATWE导算的风荷略大于TAT，TBSA的风荷载。TAT，TBSA 分析的错层结构的周期比SATWE，SAP92的略大。
　　3 、 对于普通框架结构或带支撑的框架结构， TAT ，SATWE和SAP92三种软件分析结果相近。
　　4、对于框剪，剪力墙结构，SATWE与SAP92 的分析结果
基本一致，但TAT的分析结果有误差。
　　5、对于板-柱体系，SATWE 软件能充分考虑楼板的弹性变形，自动进行楼板单元划分，使分析结果更为合理。
　　综上所述， 基于三种模型的高层结构分析软件在一定的范围内到分析合理，效率最高。故工程设计人员应明确工程特点，灵活而有效地选择各种分析软件，在省时高效的同时，使工程计算结果精度得到保证，设计更为合理。
　　二、软件前、后处理模块的比较：
　　前处理模块主要为计算主程序生成有关的数据文件，后处理模块者则根据计算结果，生成相应的施工图。目前前处理模块比较成熟，主要问题在后处理模块上，体现在：合理的选取配筋、方便的修改配筋、完善的表示方法…。总之，软件编程人员与设计人员缺乏交流，后处理模块与实际设计的要求相差太远。
　　１、PIEMCAD的优缺点：
　　PIEMCAD后处理中采用了“平法表示”，提高了图纸效率。其前、后处理程序采用C++编程的图形界面，有完善的图形操作和修改功能，人机界面友好，形象直观，简单易学。但其钢筋归并的结果严重失真；缺少完善、方便的尺寸标注；对于多塔楼、错层、斜柱等特殊结构，虽然TBSA V5.0已经能够近行有关的计算，但目前版本的PIEMCAD尚不能进行处理；打印、绘图功能太弱；对成图的修改缺乏灵活的手段…
　　２、PKPM的优缺点：
　　相对于PIEMCAD和TBSA，PKPM则显得更为成熟。PKPM采用汉字FORTAN编程，用户界面、图形操作对于新手有一定的难度，但也不失于准确、灵活；有着完善的尺寸标注功能，符合设计要求；功能模块齐全，从砖混、混凝土结构到基础，以及各种特殊结构形式，几乎涵盖了建筑结构设计领域内的所有项目；对成图的修改、添加，比较方便；钢筋的归并、选取比较合理，修改也很方便；施工图表示方法多样，可以用平法出图。缺点在于：各个模块过于零乱，缺乏统一的设计界面；PMCAD中“荷载标准层”有画蛇添足之感；缺乏完善的帮助和提示信息；操作界面太土，不够美观…
　　综上所述，单就前、后处理模块而言，PKPM要优于PIEMCAD和TBSA，PKPM更接近实际设计的要求。
　　　　注：
　　（注一）SATWE 的墙元是在四节点等参平面薄壳单元的基础上凝聚而成，该薄壳是平面应力膜和板的迭加，有六个自由度，三个为膜自由度(U，V，Q，Z)，另三个为板弯曲自由度(W，QX，QY)。
　　（注二）SATWE是以三角形薄壳单元、 矩形薄壳单元和四节点等参平面薄壳单元模拟普通的弹性楼板单元；对于转换层厚板单元，SATWE 以三角形厚板单元和四节点等参厚板单元模拟

cklbb

请问，SATWE和TAT哪一个的计算结果更正确

冷雨无声

我现在只用satwe

2002zjp

我也是只用satwe。TAT说他能算底框，你相信吗？（骗子）

success8880

我的感觉和你差不多

leeou

其实SATWE是很使用的，我对比过SATWE和TAT，同一个PM数据，它们的计算结果是一样的。

ehz

我对比过SATWE和TAT，同一个PM数据，对框架剪力墙结构，它们的计算结果差别佷大

大地

最初由 leeou 发布
[B]其实SATWE是很使用的，我对比过SATWE和TAT，同一个PM数据，它们的计算结果是一样的。 [/B]

你真的做过比较吗？你这样一个结果有点不可思议。因为SATWE和TAT的剪力墙模型是完全不同，结果应该不会一样的。假如说TBSA与TAT比，计算结果相差不多，我信。

残月寒星

不相信TAT计算结果偏差很大！
应该用SATWE

alan2002

我也觉得SATWE更可靠一些

zhanghui616

对于高层计算还是SATWE的计算理想些，尤其是大空间，大开洞，的结构。
对于多层TAT的计算结果好一些，偏安全。
但是高层的框架，框剪结构和框支的用TBSA要好一些.

牧猪人

两者各有千秋

za134

现在的趋势是用satware不相信，也没有办法，难道手算吗？

bai_pppp

最初由 cklbb 发布
[B]请问，SATWE和TAT哪一个的计算结果更正确 [/B]

没有哪个更正确的说法，只有哪个更适用。
框架结构SATWE与TAT差不多；
框架或剪力墙SATWE更好一些。

tansz

有剪力墙的结构最好用satwe，特别是平面及竖向结构复杂的结构形式。转换层结构用tbsa是非常不合适，tbsa是薄壁柱模型计算剪力墙，对于上下层柱墙偏心采用拐角刚域处理，如框支柱上部是较长L形墙其计算结果对框支梁非常不准，很不安全。如一定要用tbsa算转换层结构，则需在L形墙转角处开一计算洞口，并用有限元补充分析。