簡介： 本人在設計院工作，有機會接觸多個結構計算軟件，加上自己也喜歡研究軟件，故對各種軟件的優(yōu)缺點有一定的了解�，F(xiàn)在根據(jù)自己的使用體會，從設計人員的角度對各個軟件作一個評價，請各位同行指正。本文僅限于混凝土結構計算程序。
關鍵字：結構軟件 結構設計

目前的結構計算程序主要有：PKPM系列（TAT、SATWE）、TBSA系列（TBSA、TBWE、TBSAP）、BSCW、GSCAD、 SAP系列。其他一些結構計算程序如ETABS等，雖然功能強大，且在國外也相當流行，但國內(nèi)實際上使用的不 多，故不做詳細討論。

一、結構計算程序的分析與比較

　　1、結構主體計算程序的模型與優(yōu)缺點

從主體計算程序所采用的模型單元來說

　　TAT和TBSA屬于結構空間分析的第一代程序，其構件均采用空間桿系單元，其中梁、柱均采用簡化的空間桿單元，剪力墻則采用空間薄壁桿單元。在形成單剛后再加入剛性樓板的位移協(xié)調(diào)矩陣，引入了樓板無限剛性假設，大大減少了結構自由度。 SATWE、TBWE和TBSAP在此基礎上加入了墻元，SATWE和TBSAP還加入了樓板分塊剛性假設與彈性樓板假設，更能適應復雜的結構。SATWE提供了梁元、等截面圓弧形曲梁單元、柱元、桿元、墻元、彈性樓板單元（包括三角形和矩形薄殼單元、四節(jié)點等參薄殼單元）和厚板單元（包括三角形厚板單元和四節(jié)點等參厚板單元）。另外，通過與JCCAD的聯(lián)合，還能實現(xiàn)基礎-上部結構的整體協(xié)同計算。TBSAP提供的單元除了常用的桿單元、梁柱單元外，還提供了用以計算板的四邊形或三角形殼元、墻元、用以計算厚板轉換層的八節(jié)點四十八自由度三維元、廣義單元（包括罰單元與集中單元），以及進行基礎計算用的彈性地基梁單元、彈性地基柱單元（樁元）、三角形或四邊形彈性地基板單元和地基土元。TBSAP可以對結構進行基礎-上部結構-樓板的整體聯(lián)算。

從計算準確性的角度來說

　　SAP84是最為精確的，其單元類型非常豐富，而且能夠?qū)�結構進行靜力、動力等多種計算。最為關鍵的是，使用SAP84時能根據(jù)結構的實際情況進行單元劃分，其計算模型是最為接近實際結構。 BSCW和GSCAD的情況比較特殊，嚴格說來這兩個程序均是前后處理工具，其開發(fā)者并沒有進行結構計算程序的開發(fā)。但BSCW與其計算程序一起出售，因此有必要提一下。BSCW一直是使用廣東省建筑設計研究院的一個框剪結構計算軟件，這個程序應屬于空間協(xié)同分析程序，即結構計算的第二代程序（第一代為平面分析，第二代為空間協(xié)同，第三代為空間分析）。GSCAD則可以選擇生成SS、TBSA、TAT或是SSW的計算數(shù)據(jù)。SS和SSW均是廣東省建筑設計研究院開發(fā)的，其中SS采用空間桿系模型，與TBSA、TAT屬于同一類軟件；而SSW根據(jù)其軟件說明來看也具有墻元，但不清楚其墻元的類型，而且此程序目前尚未通過鑒定。

薄壁桿件模型的缺點是：

　　 1、沒有考慮剪力墻的剪切變形。

　　 2、變形不協(xié)調(diào)。

　　當結構模型中出現(xiàn)拐角剛域時， 截面的翹曲自由度（對應的桿端力為雙力矩）不連續(xù)，造成誤差。另外由于此模型假定薄壁桿件的斷面保持平截面，實際上忽略了各墻肢的次要變形，增大了結構剛度。同一薄壁桿墻肢數(shù)越多，剛度增加越大；薄壁桿越多，剛度增加越大。但另一方面，對于剪力墻上的洞口，空間桿系程序只能作為梁進行分析，將實際結構中連梁對墻肢的一段連續(xù)約束簡化為點約束，削弱了結構剛度。連梁越高，則削弱越大；連梁越多，則削弱越大。所以計算時對實際結構的剛度是增大還是削弱要看墻肢與連梁的比例。

　　 桿單元點接觸傳力與變形的特點使TBSA、TAT等計算結構轉換層時誤差較大。因為從實際結構來看，剪力墻與轉換結構的連接是線連接（不考慮墻厚的話），實際作用于轉換結構的力是不均勻分布力，而桿系模型只能簡化為一集中力與一彎矩。

　　另一方面，由于一個薄壁柱只有通過剪心傳遞力與位移，所以在處理多墻肢薄壁柱轉換時十分麻煩，如將剪心與下層柱相連，則令轉換梁過于危險，如設置實際并不存在的計算洞令力傳至轉換梁又會改變上層墻體的變形協(xié)調(diào)條件（不要相信TBSA手冊中所言設連梁高為層高可以解決問題，一段連續(xù)約束簡化成一個點約束，誤差決不會小）。

　　為了解決薄壁柱單元造成剪力墻分析過于粗糙的問題，ETABS、SAP84、SATWE、TBWE、TUS、TBSAP等軟件先后引入了墻單元。對于有墻元模型的軟件，要分清楚其單元類型。

　　墻元有兩種：一是板-梁墻元（又稱Wilson嵌板單元模型），這種模型在國外應用較多。其實質(zhì)是平面單元，把剪力墻簡化為一個膜單元+邊梁+邊柱，基本上是一個由平面單元經(jīng)改造成的空間單元。剪力墻洞口間部分模型化為一個梁單元，削弱了剪力墻實際的變形協(xié)調(diào)關系，由前一段的討論可知這種單元導致整體計算結果偏柔；一是由有限元中的四節(jié)點空間殼元縮聚而來的（以下稱為板殼墻元），板殼元既有平面內(nèi)剛度也有平面外剛度，且剪力墻洞口間部分也作為墻元進行整體分析，因此板殼墻元更能精確地分析復雜剪力墻結構。以上幾種帶有墻元的軟件中，ETABS和TUS采用板-梁墻元，SAP84、SATWE和TBSAP均采用殼墻元。TBWE所采用的墻組元實際上是一種改進的薄壁桿件模型，它與普通的薄壁桿件模型的不同之處在于：

　　1、不強求剪力墻為開口截面，可以分析閉口及半開半閉截面；

　　2、其桿件未 知位移取為桿端截面的橫向位移和各節(jié)點的縱向位移，數(shù)目隨墻肢節(jié)點數(shù)增加而增加，不象普通薄壁桿件那樣固定為14個，保證了桿件的位移協(xié)調(diào)；

　　3、采用最小勢能原理，建立考慮剪力墻剪切變形的總勢能表達式，然后對其求導并令其值為0即建立考慮剪切變形的單元剛度矩陣。墻組元實際上是一種介于薄壁桿件單元和連續(xù)體有限元之間的分析單元。

　　從結構分析的準確性來說，從好到差排列依次為：板殼墻元、墻組元、板-梁墻元。

　　另外一個有爭議的問題是對異形柱的處理。異形柱在廣東又叫短肢剪力墻，雖然名稱和剪力墻拉上了關系， 但其計算卻不能用剪力墻的方法來算。TBSA用戶手冊建議將異形柱折算成慣性矩相同的矩形截面柱進行整體分析，取得內(nèi)力后再進行詳細的計算。這種方法用起來很不方便，另外這種折算只能保證兩個參數(shù)的正確，其他如截面面積、轉動慣量等參數(shù)都很難與原構件保持一致。

　　目前能直接對異形柱進行計算與繪圖的軟件有BSCW、 GSCAD和PKPM。由于廣東省建筑設計研究院在異形柱的研究方面有比較成熟的理論，因此BSCW和GSCAD對異形柱的計算與繪圖極為方便可靠，目前廣東省住宅建筑設計常采用短肢剪力墻結構，導致大量的異形柱，因此這兩個程序比較流行。在用PMCAD進行輸入時，可以看到有不同類型的截面，采用這些截面輸入的異形柱可以傳遞到TAT或SATWE中進行計算，并在PK中進行配筋（僅適用于99年5月以后的Windows版程序），不過PKPM中對異形柱內(nèi)力的求算并不是通過查表進行（廣州城市建設開發(fā)總公司設計院編制的廣東省異形柱規(guī)程采用此方法，這些表格是根據(jù)有限元分析的結果編制的），而是參考了多肢剪力墻的配筋方法，在求出作用于形心的彎矩、軸力、剪力后按照材料力學公式分解到異形截面每一關鍵點的應力，通過積分得到每一段柱肢平面內(nèi)的彎矩、軸力和剪力，然后以每一直線段柱肢作為一個矩形截面，按對稱配筋計算出其鋼筋面積。

二　結構主體計算程序的適用性與易用性比較

從適用性（功能）的角度，按強到弱排列依次為：

　　ETABS>SAP84>SATWE、TBSAP>TBWE、GSCAD、TUS>TAT、TBSA >BSCW。ETABS除一般高層計算功能外，還可計算鉤、頂、彈簧、結構阻尼運動、斜板、變截面梁或腋梁等特殊 構件和一定的結構非線性變形；

　　SAP84原本是一個通用有限元程序，后來為結構分析的需要加入了墻元等專用單元，其單元庫最為完備，功能強大；SATWE和TBSAP應屬于同一檔次的軟件，都能進行樓板和剪力墻的有限元分析，適應工程的能力強，而TBWE、GSCAD和TUS則差一些，不能進行彈性樓板計算；BSCW只能進行平面為正交布置的結構計算，是沒有前途的軟件。

從易用性的角度來看

按好到差的順序排列應為：

　 TUS>GSCAD、SATWE、TAT>TBSA、TBWE>BSCW>SAP84、ETABS。

　　TUS的圖形界面在WINDOWS下開發(fā)，較之其它國內(nèi)開發(fā)的高層計算程序的圖形界面更加良好；GSCAD和新版的PKPM 均為WINDOWS界面軟件，但帶有DOS下的影子；SAP84和ETABS則最為麻煩。這個排列不僅考慮了圖形界面的優(yōu)劣，還盡量反映各種軟件前后處理過程中的方便程度。比如GSCAD、SATWE、TAT在進行圖形輸入時均能做到修改結構平面后不影響原有荷載，而TBSA則沒有實現(xiàn)這一點。

從綜合性能來說

　　PKPM系列的SATWE是最好的，主要優(yōu)點在于：能適應目前復雜的結構計算要求，數(shù)據(jù)準備工作量小，計算中可考慮多種因素，施工圖出圖方便。SATWE經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)可以在計算中考慮多種影響因素，如：

　　1、恒、活載分算；

　　2、梁活載不利布置計算；

　　3、柱、墻及基礎活載折減；

　　4、鋼結構計算；

　　5、上部結構與地下室聯(lián)合工作分析及地下室設計；

　　6、斜梁分析與設計；

　　7、復雜砌塊結構有限元分析與抗震驗算。

　　這些功能的加入，使結構工程師無需在整體計算后再手算進行補充計算，減輕了工作量。

三、結構前后處理軟件的比較

　　講到這個問題，可以肯定的是SAP84的輸入是最麻煩的，不知其新的圖形輸入工具（GIS）有無改進。其余軟件按數(shù)據(jù)輸入的麻煩程度從難到易排列：BSCW、GSCAD、PKPM、TBSA。當然這只是考慮一次性輸入的情況，如果結構平面經(jīng)常修改的話TBSA應被列為較麻煩的一類，主要是結構平面一改就要重新輸入該層的荷載。如果想避免這種麻煩的話可以用如SASCAD等軟件，既進行前處理，也能進行TBSA后處理。PKPM本身的PMCAD已經(jīng)考慮到了這個問題，GSCAD、SASCAD也解決了這個問題。

　　以上列舉的結構軟件中只有PKPM、BSCW和GSCAD具有結構后處理功能。后處理的能力由大到小排列應為GSCAD> PKPM>BSCW，考慮到廣東地區(qū)的特殊要求，可以說BSCW比PKPM更符合廣東人的習慣。GSCAD和PKPM在形成施工圖的過程中均可以進行大量的人工干預，相比較而言GSCAD對圖紙的修改更為方便。GSCAD既可以很直觀地在平面圖上修改各種構件的配筋，也可以直接修改表格或平法中的數(shù)據(jù)，修改很方便。而且這些數(shù)據(jù)均是聯(lián)動的，改動在所有的文件中都能實時反映出來，另外在修改配筋時可以方便地查詢計算配筋量和彎矩包絡圖，這說明編制者在利用Windows界面改善易用性方面下了一番功夫。而PKPM則只能先在平面簡圖上進行修改，然后一次性形成表格或平法圖，但PKPM中可以方便地對各種構件進行后期驗算，如：梁撓度、裂縫等。

　　至于施工圖的質(zhì)量， 對于廣東人來說則是GSCAD最好，修改也容易。PKPM的施工圖比較完備，但圖面比較亂，修改起來也比較麻煩， 1:1的比例繪圖不是大多數(shù)設計人員容易接受的，最好能改為真實尺寸繪圖。這三種軟件的配筋均比較合理， 尤其是板的配筋，這對于結構人員來說是很重要的。 TBSA自身雖然沒有后處理能力，但由于其流行面廣，各種后處理軟件很多，如：SASCAD、JYCAD、TASD、TSSD、 TBCAD、德賽的SDS和BCDS等等。從功能來說，最好的應是SASCAD，既可前處理，又可后處理，功能比較完備， 也可以進行各種后期驗算，免除了手算校核的麻煩。缺點是作為一個DOS下的程序，使用不如WINDOWS下的程序方便，而且顯示分辨率固定在640X480，且圖面比較亂，出板配筋圖時一定要人工歸并板，否則板的類型太多，且梁配筋不是很合理。JYCAD（佳友）則是比較早就有了，由于建筑在AUTOCAD R12基礎上，使用起來不大方便， 功能也一般。

　　從發(fā)展來看，SASCAD要好過JYCAD，因為SASCAD已準備出WINDOWS版，顯示分辨率當然不成問題，另外剪力墻施工圖功能也準備加入。另外還要提一點的是SASCAD是自主開發(fā)的平臺，不象其他軟件是建筑在AUTOCAD的基礎上的。由于目前AUTODESK公司已開始對國內(nèi)設計院的D版AUTOCAD軟件進行掃蕩，這個因素也開始進入考慮范圍了。這幾種軟件的共同缺點是配筋合理性不如PKPM、BSCW和GSCAD。

　　可以說目前沒有一個前后處理軟件是完全令人滿意的。如果重視軟件功能的話，應選擇SASCAD，但每次出圖都 要仔細地審核每根梁的鋼筋，后期調(diào)整工作量大，不過其前處理最符合CAD習慣；如果重視易用性的話，目前應選擇GSCAD，前處理比SASCAD麻煩，但后期調(diào)整很方便，在Windows下靈活的調(diào)整方法讓人不以為苦。然而從發(fā)展的眼光看，SASCAD可能是較好的選擇，因為這個軟件將要出剪力墻配筋圖（這可是除PKPM外其他同類軟件所沒有的功能，最起碼我上面提到的幾個是沒有的），而且隨之將轉換到Windows平臺，更重要的一點是承諾為購買此軟件的設計院定制圖表，使之符合各院的習慣。

　　最理想的結構前后處理軟件應具有如下的特征：

　　1、一次輸入可形成多種結構計算軟件的輸入數(shù)據(jù)，至少包括兩 個采用不同計算模型的主體計算程序的數(shù)據(jù)，比如：TBSA、TAT和SATWE，當然如能形成SAP84等有限元軟件的計算數(shù)據(jù)就更理想了；

　　2、可以使用類似AutoCAD的方法輸入結構平面（SASCAD已做到），當修改結構平面時原有荷載不亂（PKPM、SASCAD、GSCAD均已做到）；

　　3、能進行梁裂縫、撓度驗算等后期計算（如PKPM、SASCAD）；

　　4、人工修改配筋時應該既能在平面上直接選取構件并以直觀的簡圖修改（如PKPM、SASCAD和GSCAD），又能方便地直接修改所形成的圖表（如GSCAD），并且各種出圖方式之間數(shù)據(jù)聯(lián)動；

　　5、具備異形柱和剪力墻表格法出 圖和大樣法出圖（目前只有PKPM能出剪力墻配筋圖，SASCAD正在做這個模塊，其他軟件沒有）；

　　6、允許用戶定 制圖表與出圖風格或由開發(fā)者進行調(diào)整；7、圖形界面符合Windows下軟件界面風格�？偠�言之，前后處理軟件除了要功能強大外，還要易用為主。