结构分析设计软件SATWE和SAP2000中文版功能对比

徐建雄 周圣乔

SATWE软件是目前国内大部分设计院采用的多高层建筑结构分析设计软件。SATWE墙元较好地模拟了剪力墙,还有它的后处理功能较为突出,成为国内大范围使用的结构分析设计软件。

目前,很多国际结构分析软件虽然要面对中国规范与西方国家规范的巨大差异和中国工程师对软件前后处理方面的特殊要求,但陆续开始进入中国市场,大多拥有计算内核方面的优势。SAP2000是通过建设部专家小组的鉴定,通过建设部鉴定的结构软件。作为SATWE的老用户和SAP2000中文版的用户,愿与大家共同探讨一下两种软件的功能对比。

1 建模功能

现在一些设计院已经遇到了不同程度的复杂空间结构,用平面建模是无法实现的。在这方面,中文版SAP2000的三维空间建模方式具有较大优势,能够实现任何复杂的空间结构体系,建立SATWE很难实现的坡屋面、车道等斜面以及斜梁、斜柱和跨层构件等,而且它还包含了平面建模方式,也基本涵盖了SATWE平面建模的所有功能,这对于中国工程师实现从平面建模到三维空间建模的过渡是十分有利的。但中文版SAP2000的建模方式也不是尽善尽美,比如说它虽然能够显示荷载,但使用起来仍不如SATWE方便,而且它要在三维视图或立面视图中进行显示,国内工程师还比较难以接受。

在构件截面定义方面,两种软件对于常规截面形式的定义方式虽有不同,但都比较方便快捷,中文版SAP2000还能处理变截面线单元以及更复杂的任意几何形式或组合截面形式。

2 单元库

有限元程序单元库的质量可以从一个方面反映出软件的功能和水平,SATWE和中文版SAP2000在这方面差距较大。中文版SAP2000是基于一般有限元软件的,其单元形式要比SATWE丰富。对于梁、柱及支撑等线单元,二者差不太多。SATWE曾凭借其墙元(在薄壳单元的基础上凝聚而成)的优势赢得了市场,而SAP2000直接采用壳元,在计算精度和模拟复杂情况的能力上优于SATWE,但在计算效率上不如SATWE。新规范已经体现出结构分析中楼板所处的重要地位,大量平面复杂结构需要精确的弹性楼板分析。SAP2000中楼板单元的类型比较全,既有真实模拟弹性楼板单元的壳元,也有不考虑平面外楼板刚度贡献的膜单元(可用于模拟钢结构分析设计时所需要的组合楼板模型)。

与SATWE相比,中文版SAP2000对于模型底部支承位置、任意节点约束的指定具有更大灵活性,另外中文版SAP2000提供了节点、线和面的边界弹簧单元,这些也可以实现节点、乃至线单元和面对象的复杂边界约束条件。

3 分析功能

3.1 静力分析

在静力分析功能方面,SATWE与中文版SAP2000也存在着一定的区别。首先SATWE中楼板自重需要工程师统计后以恒载的形式添加上去,而中文版SAP2000中包括楼板的所有构件自重都是由软件自动计算的;其次SATWE不能够自动去除梁柱节点重叠区的影响,中文版SAP2000可以考虑这一点,这也导致两个软件对同一模型计算出的质量会有少许差别。

在荷载形式方面,SATWE和中文版SAP2000都可以自动生成风荷载模型,但中文版SAP2000还可以更精确的按面对象指定风荷载,这对于复杂立面的建筑非常有利。中文版SAP2000可以施加对象温度变化荷载,可以模拟支座变形荷载。除此以外,程序还允许工程师自由编辑加载函数,真实模拟机器荷载以及其他更复杂的荷载形式。

3.2 动力分析

在动力分析方面,SATWE和一般结构分析软件都采用特征向量法进行振型叠加分析,而中文版SAP2000提供了特征向量法和Ritz向量法两种方法。相比较,后者更为高效,对于相同的计算振型数,结果更精确。

SATWE的地震反应谱是内置在软件中的,在进行结构地震作用分析时只能选择考虑两个方向的反应谱作用,相比之下,中文版SAP2000要灵活得多,它可以引入不同国家的反应谱,可以对默认反应谱作修改,还可以输入自定义的反应谱,软件可以自动考虑双向地震作用,可以输入任意方向、任意数量的反应谱工况,并可以考虑它们之间的结果比较或构件包络设计,这对于平面复杂、难以确定主轴方向的结构是十分有用的。

中文版SAP2000在动力时程分析工况定义时可以输入任意方向、任意数量的地震波,可以模拟横波、纵波到达结构的时间差异,还可以模拟结构多基激励,这些高级功能为大跨、复杂结构的分析设计提供了强有力的工具。

3.3 非线性分析

我国现行规范要求,对于“不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构,需要进行罕遇地震下的弹塑性变形分析”(GB 50011-2001,3.6.2)。SATWE不具有非线性静力分析的功能,需要PKPM工程部推出的其他模块来完成,中文版SAP2000提供了结构静力弹塑性分析的功能,可以实现对包括有效阻尼的推覆过程分析。而且两者相比,中文版SAP2000的静力非线性分析更加全面一些,体现在可以定义框架结构任意位置任意形式的塑性铰、可以控制塑性铰出现的条件、并可以对各种性质塑性铰的应力应变曲线进行所需的自定义等方面。

施工顺序加载问题是结构设计工作中越来越被工程师关注的问题,SATWE和中文版SAP2000在这一问题的处理上也存在着本质的区别。由于中文版SAP2000在施工顺序加载的每一步都要重新生成刚度矩阵,并重新进行整体验算,显然计算量要比SATWE大。除此以外,中文版SAP2000在进行施工顺序加载时,可以不拘泥于层作为施工顺序单位,而是定义施工顺序活动组,这对于特殊结构的施工顺序加载是非常有用的。

除了静力非线性功能外,中文版SAP2000还提供了较全的非线性连接单元,可以模拟如缝、勾、耗能阻尼器以及隔振器的非线性连接形式,并可以进行全面的非线性连接单元的静力和动力分析,新增加非线性分层壳单元(Layered Shell Element),应用材料方向模型来进行剪力墙结构或相似应用的Pushover分析。

4 设计功能

4.1 设计能力

SATWE主要是处理混凝土框剪结构,虽然结构中也可以建立钢构件或组合构件,但它不能进行相应构件的设计,钢结构体系需要在其他模块中进行设计,不能进行组合构件的设计,因此SATWE在处理混合结构和组合构件方面存在一定的局限性。中文版SAP2000可以在同一界面中对钢结构、混凝土结构以及铝结构进行设计,还可以完成冷弯钢框架结构设计。但PKPM工程部的系列产品涉及的范围也是比较广泛的,比如说他们开发了专门进行基础设计软件模块,而中文版SAP2000是不能进行楼板和基础的设计,需要将数据导入到SAFE中进行验算,这一点不太方便。

4.2 设计方式

国内工程师对于设计方式的概念可能并不熟悉,因为我们常用的国内软件一般采用的都是流程式的设计方式,没有体现交互式设计思想。中文版SAP2000在流程式设计的基础上,实现了软件交互式设计,其优势在于灵活性和可参与性。

中文版SAP2000把工程师的参与性提高到新的水平,这一点主要体现在各种荷载作用函数和施加方式以及设计过程中的参数调整方面。像SATWE一样的国内软件,其目标基本上是在既定的水平满足规范要求,因此它的很多参数都是藏在“黑箱”中,工程师看不到,更不能修改。对于越来越复杂的实际工程,了解或修改这些参数都是必要的。中文版SAP2000将大部分调整参数提供给工程师,必要时可进行修改,大大提高了工程师的主观能动性,也提高了软件处理特种结构和复杂结构的能力。

4.3 中国规范的贯入

我国规范规定了大量抗震设计调整和构件细部调整内容,这些内容是相当细化和具体的。国外结构软件进入中国市场时,中国规范的贯入情况常常受到质疑,引进中国市场的软件也往往由于这个原因不能广泛应用于国内结构设计实践。

作为国产软件,SATWE跟随着规范的不断更新和进步而发展,它对于中国规范的贯入是毋庸置疑的。中文版SAP2000的发布使得市场上多了一种选择,专家小组对于软件的中国规范贯入情况给了很高的评价。

通过使用中文版SAP2000,发现其贯入中国规范深入而全面,这在很大程度上既保证了软件的自动化能力,又给工程师留出了发挥主观能动性的空间。

4.4 设计后处理

国内用户对于SATWE软件后处理功能比较认可,SATWE对于规范所要求的以及结构设计送审报告内容进行了系统的输出,对于结构构件设计的配筋结果整体平面输出对后续施工图绘制非常方便,除此以外,SATWE可以直接绘制结构梁板柱施工图。但中文版SAP2000不能出施工图,这是较多结构软件用户不能接受的,另外竖向构件的配筋内容需要在立面上去看,比较麻烦,特别是与后处理相当完善的SATWE相比,的确欠缺了很多。

5 结语

我国建筑市场用于结构分析设计的软件并不多,特别是能够全面执行中国规范设计的软件,中国工程师对软件的选择余地不大。中国市场中占有率处于绝对优势的SATWE软件如果能够进一步增强自身功能和提高软件稳定性,它仍将凭其长年培育的忠实用户和软件在计算精度和效率方面的平衡以及后处理等特色保持强大的生命力。中文版SAP2000产品的灵活界面、精确的分析内核以及严谨的结构设计思想,在软件本土化方面做了大量富有成效的工作,保证了软件本身功能和中国规范设计的完整性、灵活性和可操作性,但仍需努力在尊重传统设计习惯和引导先进设计思维方面寻找平衡,并尽快开发施工图自动输出等后处理模块。