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摘要：本文以Etabs、Sap2000、Midas等有限元软件的精细化模型为背景，与国内传统设计软件PKPM和YJK的工程应用进行对比，总结了复杂结构建立模型过程中需要注意的问题，简要介绍了国内外设计流程的区别，对国内工程师承接国外工程设计有一定参考意义。
关键词：建筑结构建模有限元软件 刚性隔板
0 引言
由于国内建筑行业发展迅猛，设计周期短，对模型建立、检查往往停留在整体指标及荷载是否有遗漏等较浅的层面，这对结构设计有一定的安全隐患。
实际上，建筑结构模型的建立对结构内力有很大程度的影响，更合理的模型模拟对结构安全度有很大程度的提升。而不合理的模拟有时表面上减少了工程造价，实际上对结构安全的牺牲往往超出工程师的预估。
1建模对比
Etabs、Sap2000、Midas是完全集成的面向对象的分析、设计、优化和数字环境的结构分析和设计软件。可以采用平面、立面和自定义视平面进行功能强大的3D建模（如右图）。传统软件PKPM及YJK基本上仍然是2D建模结合3D视图功能。前者是真正基于有限元理论基础上开发的工程应用软件，在材料定义、边界条件等应用上完全由工程师进行定义，而后者是完全由国内市场所需，将内力分析与设计高度融合，实现快速设计快速出图。
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a.在异形洞口、构件边角部应对单元划分适当加密，防止应力过度集中现象导致设计结果偏差过大。
b.单元大小变化趋势不宜过大，矩形单元的精度通常高于三角形单元。
2模型要素
PKPM及YJK软件是结构类软件的特例，极大的促进了工程设计速度并减少了工程师的工作量。但在国际上，通常，通过有限元软件建立的建筑结构模型，需工程师考虑以下方面（如右图所示的Etabs扩展功能，可以快速找到相应建模定义模块，而YJK和PKPM相对繁琐，集成度较低）：
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材料属性定义
a.结构刚度的构成（材料属性及本构关系的定义、梁柱等线单元、板墙等壳单元）；
b.楼板的近似模拟（刚性隔板及半刚性隔板、刚性板、弹性板、膜单元等）；
c.节点约束及单元局部坐标系；
d.刚域指定；
e.质量源；
f.静力荷载及伪静力荷载（恒荷、附加恒荷、活荷载、风、地震等等）；
g.温度作用及混凝土徐变、收缩；
h.结构模态（自振周期）；
i.P-Δ效应；
j.指定施工次序等；
k.承载力极限状态荷载组合及正常使用极限状态荷载组合；
l.设计的适用规范及标准。有限元软件的设计结果，通常只作为工程师的参考，不被大多数国家级地区直接认可，这是国内和国际结构设计的最大区别。
3模型建立要点
3.1单元模拟与单元划分
线单元和面单元的模拟应保证力的传递与真实情况较为接近或稍偏安全为宜。一般情况，梁柱可用线单元模拟，而板墙则采用面单元模拟。对于边长比值接近4的扁柱，因线单元模拟的刚度误差较大而多数工程师倾向于采用面单元模拟。这点也得到了国内施工图审查一定程度的关注。
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结构支座的边界条件
3.2边界条件假定
PKPM及YJK对结构边界采用了参数化处理的方法，不够直观。边界条件的假定应由工程师根据设计目标进行修改确定，包括位移边界和荷载边界及自由度边界。以板的边界为例，地基中筏板宜采用弹簧支座，又如美国规范（ACI318R-14）中板边界按各边梁刚度与板刚度相对比值进行设置。
自动线约束，是一种线单元处于面单元时，保证线与面变形协调的设置。只有指定了自动线约束，各个单元变形才是协调的。
对于底层结构在基础的嵌固，以英标为代表的香港、新加坡、欧洲的工程师倾向于使用铰支座模拟，这增加了其上部结构梁柱节点的安全度。以美标为代表的美国、中国倾向于使用固端制作模拟（限制了底部的转角约束）。而实际情况介于两者之间，前者更偏向安全和保守，在经济发达地区，宜根据客户需求为建筑提供更高的安全可靠度。
3.3刚域指定
PKPM及YJK在刚域指定必须通过参数化进行，不可由工程师干预：Etabs和Midas均可人工干预。按国内规范，通常情况下中柱应指定刚域，而边柱不宜指定刚域，而在实际设计中，往往忽视了这一点。
3.4刚性平面假定
刚性平面假定通常用于整体指标计算，因而PKPM及YJK在刚性平面指定是必须通过参数化进行，不可由工程师干预。YJK的自动按刚性平面假定计算整体指标按弹性板（膜）计算配筋是软件在结构设计的一个突破。Etabs和Midas可由人工干预，指定由部分或全部竖向构件构成刚性隔板（或半刚性隔板），从而实现整体指标计算所需的平面无限刚假定条件。
其中，部分刚性隔板的假定结合人为指定抗侧力构件，既由部分竖向构件承担结构所有地震力、其余竖向及水平构件均可进入弹塑性乃至塑性阶段，这可以极大地提高结构在超级地震下的安全度，这也是发达国家在结构设计领域所提出安全岛的概念在软件中的实现过程。
国内传统的PKPM及YJK软件应允许工程师对部分楼面进行部分刚性平面假定的指定功能，以实现简化模型、减少局部振动的干扰、实现高定位建筑的安全岛。
3.5分析结果
a.各工况内力及变形；
b.结果模型整体数据；
c.相关中国规范参数查看
周期、剪重比、结构总重、倾覆弯矩、结构位移、0.2q0调整信息、刚重比信息、振型参与系数、层刚度比、层间位移角、层间位移比、刚重比等
d.反应谱查看。
3.6设计结果
通用有限元软件需对使用规范进行特别指定，且其设计过程不为国外大多数国家及地区的认可，如下：
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混凝土框架结构设计；
●中国规范参数指定
●计算结果查看
混凝土剪力墙设计；
●中国规范参数指定
●计算结果查看
钢框架及组合梁设计；
●中国规范参数指定
●计算结果查看
YJK的钢结构设计结果采用混凝土结构模式显示，不合常理。
3.7PKPM与Etabs软件功能比较
Etabs是完全3D的结构分析软件；可在三维视图进行模型编辑运行，体现在下面方面；
PKPM/YJK（space系列除外）基本上是2D的结构分析软件；
a.斜杆处理；通用有限元软件编辑较为方便，可在3D视图下进行编辑。
b.空间交叉杆件处理；同上。
c.立面开洞处理；PKPM/YJK在立面开洞处经常会出现墙悬空的提示，导致内力分析结果异常；
d.特殊连接方式处理，铰接及刚接的处理；
e.截面编辑设计处理；适用于组合结构的截面设计。
f.构件偏心处理，偏心放置与构件偏置的区别。
3.8其他注意事项
a.不同版本文件数据交换时应注意校核；
b.使用Etabs、SAP2000及Midas时，对比PKPM及YJK软件模型，可提高对程序内核及参数实现途径进行理解，应对软件分析及设计结果加强校核；出现设计结果差异较大时，往往是因某些人为因素导致；
c.PKPM及YJK在参数化的处理有利于工程设计效率，但不利于工程师知识及能力的提高，如对地震反应谱的应用（如上图）。
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4.总结
国内外设计流程有较大差别，一定程度上给工程师造成了设计软件使用上的障碍。PKPM/YJK软件建模过程自动化程度相对高，软件自动处理的内容较多，很多参数化设置有利于工程设计质量的提高，但需要工程师对各种参数的意义深入学习理解；通用有限元软件Etabs和Midas所有信息均需工程师把控，对工程师知识水平要求较高，这些软件与中国规范的结合程度及自动成图功能均弱于YJK及PKPM。
参考文献为软件使用手册及相关说明
1.Etabs分析手册.
2.YJK常见问题
论文作者:刘爱坤
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/7
标签：单元论文; 结构论文; 软件论文; 刚性论文; 工程师论文; 边界论文; 荷载论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;