王佳慧，李 莎，李德慧

（北京理工大学珠海学院数理与土木工程学院 珠海519000）

随着科技的发展，越来越多的结构计算软件得以开发并运用于各项实际工程中，目前我国比较常见的建筑结构计算软件有PKPM、YJK、广厦等，国外较为普 及 的 有Etabs、SAP2000、Midas、ANSYS、ABAQUS等。由于工程结构中需要分析研究的具体部位不同，以及结构在不同荷载下的变形破坏有所差别，因而采用的分析软件亦不相同。我国抗震规范规定复杂结构在多遇地震作用下应采用2个及以上的不同力学模型进行计算分析比较，确认计算结果合理有效后才能用于工程设计。本文对常用的有限元计算软件的发展及其在典型工程中的运用进行了概述。

1 国内建筑结构设计主流有限元软件

1.1 PKPM结构设计软件

PKPM 由中国建筑科学研究院于1988 年创立［1］，涵盖结构设计、施工、概预算、绿色建筑与节能、BIM等诸多领域，目前拥有国内设计院用户超过15 000家，为我国覆盖面最大、应用最为广泛的建筑工程设计CAD集成系统。据权威机构调研结果显示，PKPM结构设计软件在国内市场应用远超其它国内外设计软件。

PKPM 结构设计软件包含多种模块：PMCAD 建模、PK 二维设计、SATWE 多高层结构设计、SLABCAD复杂楼板设计、JCCAD 基础设计等。其中，SATWE 模块使用最广泛，在用PMCAD 建立结构模型后，进入SATWE 模块中对结构分析所需参数进行设置，对特殊的结构、构件、荷载等补充定义，生成空间结构有限元模型，进行计算分析生成配筋。SLABCAD 模块是采用有限元的方法对复杂楼板进行设计分析，对于规则楼板可进行板带配筋计算及裂缝、挠度、冲切验算。JCCAD 可读取上部结构传递的荷载，交互完成包括柱下独立基础、墙下条形基础、筏板基础、桩承台基础等多种基础设计。

1.2 盈建科结构设计软件

盈建科结构设计软件包含：Model建模模块、高层结构有限元分析模块、基础设计模块、施工图设计模块等。YJK 结构设计软件可完成框架结构、抗震墙结构、框架-抗震墙结构、板柱-抗震墙结构和筒体结构等建筑结构的计算与分析。其model模块具备较好的交互体验，建模速度较快。且施工图设计模块生成的施工图符合16G101图集要求，可提高设计效率。YJK采用较先进的机械有限元核心计算进行结构分析，可减少计算单元及计算异常，提高计算稳定性。

1.3 广厦结构设计软件

广厦系列建筑结构软件由广东省建筑设计研究院与深圳广厦公司联合研发，包含：建筑结构CAD、GSRevit、综合管廊计算等软件等。其中，建筑结构CAD 软件可进行多高层建筑结构设计。GSRevit 是针对BIM 技术与装配式技术在国内广泛普及，在主流BIM 设计软件Revit 上研发的结构BIM 装配式设计软件。PKPM、YJK 与ETABS 所生成的计算模型均可通过GSRevit接口对接Revit模型。

2 国外建筑结构设计主流有限元软件

2.1 CSI公司系列ETABS

ETABS 是由CSI 公司（美国）开发的建筑结构设计软件，被认为结构设计国际标准，世界主要地标建筑广泛用其进行结构计算。其除一般高层结构计算功能外，还可进行特殊构件计算、非线性有限元计算，也可进行隔震计算。ETABS 内嵌大部分国家和地区设计规范，包括中国规范。

2.2 CSI公司系列SAP2000

SAP2000同样为CSI公司所研发，在网壳类结构、桁架类结构、不规则结构等复杂空间结构体系中有广泛的使用案例，包含中国及欧美常用规范，对国内外建筑结构均适用。软件采用三维建模，可导入CAD文件辅助建模，确保结构计算的准确性。其分析功能可提高计算效率并减少内存使用。

2.3 Midas系列

Midas（迈达斯）为世界最大钢铁公司之一韩国浦项钢铁集团自1989 年开始开发的结构设计有限元分析软件，其在建筑结构领域具备多个计算模块：MI⁃DAS/ Building、MIDAS/GEN 及MIDAS/FEA。MIDAS/Building 可完成多、高层建筑结构设计；MIDAS/GEN针对复杂结构和空间特殊结构；；MIDAS/FEA 用于结构非线性分析。Midas 已参与了北京国家游泳中心“水立方”（结构分析）、迪拜哈利法塔（结构、大地工程分析）等世界重大工程的设计应用。

2.4 通用有限元软件ANSYS

ANSYS 目前普遍用于各大高校及科研设计单位进行工程分析。可对钢筋混凝土结构、钢结构、桥隧结构等在外部荷载条件下的受力、变形和稳定性进行分析计算。并且能完成结构静力分析、动力分析、弹塑性分析、屈曲分析等复杂有限元计算分析。主要用于复杂结构的数值模拟与设计。

2.5 通用有限元软件ABAQUS

ABAQUS 是国际著名的CAE 软件，相比其他如ANSYS之类的有限元软件进入中国较晚，其具有非线性分析技术、解决大量复杂结构和力学问题的能力以及简单方便的界面系统，能模拟大型复杂非线性有限元模型，是最先进的有限元软件之一。

本软件主要包含ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit 两大分析模块，及前后处理模块——ABAQUS/CAE。ABAQUS/Standard 为通用隐式分析模块，主要求解复杂的非线性静力及线性动力问题；ABAQUS/ Explicit 为显式动态分析模块，主要求解非线性动力问题及准静态问题，如爆炸、冲击、高温金属轧制等；ABAQUS/CAE 为模型建立模块，此模块包含的图形界面直观简洁，操作方便，有效地提高了有限元模型建模效率。

3 有限元计算软件在典型超限工程中的运用

上海中心大厦（632 m）采用巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系。蒋欢军等人［2］用ABAQUS 对地面以上124 层及顶部钢桁架进行了三维整体建模，进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，得到各水准地震作用下结构动力特性和位移反应。通过1/50 比例的整体模型振动台试验，验证了塔楼地震破坏机理。何志军等人［3］采用Etabs 软件建立了结构整体模型，用梁单元模拟跨高比大于5 的连梁和框架梁柱，用壳单元模拟剪力墙的墙肢和跨高比小于5 的连梁以及楼板，采用Ritz 法求解振型。在分析结构重力荷载的竖向分布特性以及结构自振特性的基础上，通过反应谱和时程分析，对上海中心大厦结构在竖向地震作用下巨柱和核心筒的轴重比、伸臂桁架和环带桁架的内力反应以及巨柱、核心筒和环带桁架的竖向加速度反应及分布特点进行了分析。丁洁民等人［4］采用ANSYS软件研究了两类典型节点：伸臂桁架与巨型柱连接节点和环带桁架螺栓拼接节点，运用有限元对节点简化设计公式进行了验证。

国家体育场“鸟巢”首次采用CATIA 软件解决了复杂建筑的空间建模问题，用ANSYS对三维空间结构进行了分析，计算模型中模拟了屋盖结构中全部主结构、次结构和楼梯结构的构件，并用SAP2000 进行了校核计算，考虑P-△效应的几何非线性影响进行了静、动力弹塑性分析。

国家游泳中心“水立方”采用上部钢筋混凝土结构与上部钢结构分别建模分析，用SAP2000 建立了包含全部钢筋混凝土多筒剪力墙-框架和上部钢结构屋面、墙体的完整计算模型，进行了静力弹塑性分析。采用MIDAS/Gen 中的动力弹塑性分析方法对罕遇地震作用下结构的弹塑性变形进行了分析。

广州塔（600 m）采用了筒中筒结构体系，外框筒为钢，核心筒为钢筋混凝土。周定等人［5］采用ANSYS和SAP2000 软件对其进行了整体模型计算，同时采用MIDAS 和ABAQUS 对计算结构校核。运用ANSYS 软件对整体结构进行了非线性分析，进行了振动台抗震试验。熊伟等人［6］利用ANSYS 计算模型对广州塔结构进行了稳定性分析。通过分析找到了影响结构稳定性的主要因素，即外框筒节点刚度和透空区长度。郭彦林等人［7］采用1∶15 的模型对广州塔细腰段的极限承载力、破坏模态及机理进行了试验，揭示了该结构中的群柱失稳现象。

广州国际金融中心（432 m）为巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒与钢筋混凝土内筒组成的筒中筒结构。方小丹等人［8］采用ETABS 软件对结构进行了计算分析。根据工程需要，田春雨等人［9］采用1/50 的模型振动台进行试验，发现了结构薄弱部位，进而对主体结构设计进行了改进。

在深圳平安金融中心（597 m）的结构设计中，杨先桥等人［10］将ETABS 转为SAP2000 模型后，又转换为ABAQUS 进行分析，结果显示ABAQUS 与ETABS 分析结果相近，满足抗震要求。为了解深圳平安金融中心在罕遇地震作用下的表现，黄用军等人［11］通过仿真模拟与试验模拟的计算与分析，最终采用巨型斜撑框架⁃伸臂桁架⁃型钢混凝土筒体组合结构。

4 结构设计有限元计算软件未来展望

国内用于建筑结构分析的软件多采用空间有限单元法进行计算，其中桁架、梁、柱、斜撑构件采用纤维束或塑性铰等一维单元，楼板、墙构件采用膜单元、板单元或壳单元等二维单元。不同软件建立的结构计算模型可通过软件接口进行模型相互转换，以方便进行不同计算结果的对比分析。

同时，国内软件的施工图绘制模块与实际施工图还有一定差距，在一定程度上增加了结构设计师的重复工作量，未来可考虑将施工图绘制模块进行优化，从而提高设计效率。

对于超限高层的整体结构应采用2个及以上的有限元软件进行计算分析，以印证计算结果的准确性。对于整体结构或结构中的特殊部位除通过软件进行仿真模拟计算外，需采用结构试验对结构的力学性能进行必要的分析与对比，为设计提供有效的科学依据。

鉴于日趋复杂的国际形势，国产软件应积极投入核心技术研发，加快国际化进程，扩大国际市场占有率，并实现超限高层设计领域完全国产化。只有积极创新，加快结构有限元计算软件的研发，才能使国产建筑结构有限元计算软件在国际市场上占主导地位。