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中国钢结构建筑市场设计软件基本情况及中国自主开发软件的未来走向

简介： 本文初步总结了目前中国钢结构建筑市场设计软件的情况，从使用角度重点介绍了三种典型软件的特点，比较了中外软件的优劣，对中国自主开发软件提出建议，对于发展中国钢结构建筑市场设计软件有一定的借鉴作用。
关键字：钢结构 建筑市场 设计软件

　　一、引言
　　中国轻钢结构建筑设计的发展可大致划分为三个阶段。第一阶段：七十年代末期至八十年代中期。这一时期是中国轻钢结构建筑启蒙阶段，所承建的建筑均由国外公司采用国外规范和设计软件，在国外设计、制作，运输至中国安装建设。尽管也有设计院做过钢结构设计，但由于采用普钢规范和传统的工艺和材料，严格讲不在轻钢建筑的设计范畴。第二阶段：八十年代中期至九十年代中上期。这一时期已有国外的钢结构公司开始在中国设立办事机构，并有一些公司从国外带来设计软件，在中国进行设计，采用的规范仍然是国外的规范。这期间国内的一些科研机构和高等院校，开始着手研究开发（轻）钢结构设计软件。但设计的主体仍然是国外公司采用国外规范。第三阶段：九十年代中期至现在。这期间，一些国际知名品牌公司看好中国钢结构建筑市场，纷纷通过独资、合资、合作的方式在中国设立分支机构。这时的设计主体已转移至中国本土设计，至九九年下半年中国颁布《门式刚架轻型房屋钢结构设计规范》之前，所采用的规范仍然是国外的规范。与此同时，国内的设计院和高等院校自主开发的设计软件，已开始成熟并投入市场。《门式规范》的颁布，对中国钢结构建筑设计软件的开发及推广普及起到了极大的推动作用。另外，九十年代末，国内的个别设计院和高等院校也开始与国外专业软件公司合作，共同开发适合中国国情的钢结构设计软件。
　　从以上（轻）钢结构建筑设计发展的阶段分析，国内目前的轻钢结构设计软件虽然以国外的软件为主，但国内开发的软件也有了迅速的发展，并在市场占有率上超过了国外。现国内大约有十几个版本的国外软件，两个版本的国内软件。《门式规范》的颁布，意味着今后轻钢结构设计应主要以中国规范为主，国外的设计也应通过校核和规范选择等手段，使之符合中国规范的要求。因此，对中国自主开发的软件来讲，既为发展提供了广阔的发展空间，同时也提出了更高的要求。鉴于此，有必要对目前国内的设计软件情况进行一次分析比较,从发展的角度对中国自主开发的软件提出一些具体的意见和建议。
　　二、中国钢结构建筑软件的一般情况
　　钢结构建筑设计软件应当包括高、中、低层各类建筑的设计软件，但鉴于目前国内钢结构建筑主要以低层建筑为主，即人们常讲的轻钢结构建筑，因此，本文所谈到的钢结构建筑软件亦主要是指轻钢结构建筑设计软件。
　　（一）、国内钢结构建筑设计软件的种类
　　目前国内的钢结构设计软件主要有两大类：
　　一类是中国自主开发的软件，主要有上海同济大学土木工程学院开发的空间钢结构杆系系统CAD软件----3D3S；中国建筑科学研究院开发的建筑设计软件系统PKPM系列中的钢结构设计软件----STS；首钢设计院开发即将投入市场的钢结构设计软件---MES
　　另一类是专业钢结构公司或设计院持有的国外的设计软件。这类情况中还分两种类型：一种是持有本公司自主开发的软件，比如上海宝成钢构持有VP公司的VP Commander软件；另一类是持有国外专业软件公司出售的钢结构设计软件，比如天津麦塔力钢构公司、BUTLER公司、清华大学持有REI公司的STAAD Ⅲ软件。在国内市场上还有如芬兰Tekla oy公司的Xsteel、德赛公司的SCIA、REI公司的STAAD PRO、SSDD、英国爱司卡特公司的STURCAD等。
　　除此之外，亦有一些设计院或公司在使用别人的软件的同时，在不同的平台上自己开发一些适合不同用途的软件，比如北京京冶公司钢结构所开发的钢结构设计软件----京冶体系 ；还有一些设计院或公司对国外的专业软件进行了改进，使得这些软件更适合设计使用，比如郑州华电公司对STRUCAD 6.0版的软件进行了二次开发，大大提高了软件的使用效率和准确性。
　　（二）、持有软件企业、设计院的分布情况
　　钢结构设计软件最初从国外进入中国，开始时只为外资公司拥有。到九十年代中期，国内的设计院方开始开发自己的软件，一些企业方开始购买软件。其情况大致可划分为：
　　1、外资公司（含合资公司）持有以美国规范MBMA、UBC、AISC、AISA、AWS为设计依据的国外的设计软件，如上海美建钢构公司持有的MSA、马泰力克公司持有的MBS等；
　　2、国内企业持有的软件主要是国内开发的3D3S、STS。该部分涉及企业的商业机密，故不举例；
　　3、有影响的设计院持有的软件情况。这部分情况比较复杂，有些设计院不止持有一套软件，但有影响的设计院的情况大体 ：北京大学力学系持有自主开发的结构分析软件----SPA84；清华大学持有STAAD Ⅲ/PRO；同济大学自主开发的3D3S；中国建筑科学研究院自主开发的STS；包钢设计院持有3D3S；北京钢铁设计院持有STS 等等。
　　（三）、持有软件企业的地域分布情况
　　在地域分布上主要体现了五大板块：
　　1、上海板块：这一板块是最成熟、最有影响的地区，设计软件基本是国外软件，其预制轻钢结构质量最佳，对中国钢结构市场起着主导作用。代表企业如BUTLER、ABC、冠达尔、上海宝成等都是国内一流的钢结构企业；
　　2、杭州板块：这一板块以3D3S为主，其钢结构成本低，在中低价位的市场内最据竞争力。代表企业如东南网架、大地钢构、杭萧钢构等都是国内知名企业；
　　3、天津板块：这一板块以STAAD Ⅲ、STS、3D3S为主，由于其是北方地区最早从事轻钢结构的地区，所以对北方地区的影响甚远。代表企业如天津万力圆、万力成等均是知名度较高的企业；
　　4、北京板块：这个板块以清华大学使用STAAD Ⅲ/PRO为主要代表，间有个别企业、设计院使用STS、3D3S、STAAD Ⅲ/PRO或SSDD，比如中国华电钢构既有3D3S，又有SSDD。另外，首钢设计院亦独立开发了一套设计软件。目前看，这个板块的综合能力最强，其发展势头最猛；
　　5、广东板块：这个板块是中国较早发展的地区之一，以台资企业为主，现在在广东地区已独占熬头。
　　除上述五大板块以外，还有个别设计院、企业散居在全国各地，一般的讲，与上述情况相仿，其中，马泰力克MBS为国际最新的软件，可能会在后期钢结构建筑市场上占有一席之地。
　　（四）、软件使用性能的分类情况
　　CAD设计软件的编制是计算机的专业理论。由于本文作者都是使用软件的工程师，非计算机专业，故，只能从软件的使用性能方面进行分析。另外，从性能上分析，更有益于软件的普及及提高。
　　1、结构分析功能软件。这类软件一般作为结构力学的精确计算程序，在建模输入时没有较多的条件限制，能真实反映实际结构的力学模型。这类软件有SPA84、3D3S、STS等；
　　2、结构分析及优化设计功能软件。这类软件除已进行结构分析外，还能对结构分析进行优化设计，亦可以选择不同的规范对截面尺寸进行检查，从而使设计结果符合相应的规范。这类软件有STAAD Ⅲ；
　　3、结构分析、优化设计及工程智能化软件。这类软件是目前最先进的设计软件，在钢结构建筑市场上占据最重要的位置。这类软件如MSA、MBS、VP COMMANDER、SSDD、XSTEEL、SCIA及STRUCAD。
　　三、典型软件的特点分析
　　（一）、3D3S
　　3D3S至今已开发到3.5版本,是国内最重要的(轻)钢结构设计软件。其主要特点是：
　　1、这是一套高度集成化的软件。除可进行钢结构一般结构的分析计算外，对于门式刚架、桁架、框架、塔架及钢屋架、吊车梁等都具有快速建模的功能，尤其对门式刚架结构建模十分迅速便捷。其特有的满应力优化模块，在运算时可以对门式刚架进行反复叠代、计算，以确定最佳的截面。目前，就门式刚架而言，在钢结构分析方面，已于国外的软件达到基本相当的水平；
　　2、秉承WIN 98的优势环境，人机交互式数据输入输出，使得操作简单明了，同时，与AUTOCAD完全接口，许多命令与AUTOCAD命令类似，为中国工程师所熟习；对数据的修改、施工图的生成等，亦符合中国工程师的习惯，简单明确、易于掌握；
　　3、该套软件后处理功能也比较完善。除可以自动生成计算报告（如位移报告、内力报告、节点设计报告、反力报告等）外，还可以生成一系列施工图、节点图、材料表和报价分析报告等，更能快速生成结构的空间骨架效果图、各平面结构布置图。
　　3D3S是一套集各种钢结构空间杆系的设计软件，但目前用户更看好他的对于轻钢结构的设计计算，因此，从某种意义上说，他更是一套轻钢结构的设计软件。
　　（二）、STAAD
　　STAAD是美国REI（RESEACH ENGINEERING）公司与其在大连的分公司阿依艾工程软件有限公司共同推出的，其产品在全世界拥有超过11万以上的用户，是国际上具有较高知名度的工程软件之一，也是在国内水平最高的软件。目前在国内市场上有STAAD Ⅲ、STAAD PRO和SSDD三个版本。清华大学、BUTLER、中国华电等许多知名院校和公司都拥有这套软件。其特点是：
　　1、STAAD Ⅲ是一个综合性的力学分析计算软件其分析功能强大，包括结构力学分析、有限元模块和各种规范的检验等。还为用户提供了各种可选择的模块，如构件设计、管道工程、钢结构详图设计、结构估价等。STAAD PRO是其配套的绘图软件，可根据STAAD Ⅲ输入的数据自动生成总体图、施工图、节点图、加工详图、放样图等。
　　2、STAAD Ⅲ分析与设计部分具有相当强的通用性和适应性。
　　一是它的基本图库中内置了一些标准结构模型，通过这些基本结构进行编辑组合，可以方便地形成最终的整体结构，计算的结果准确可靠。对于复杂的组合结构可以分块建模，然后进行组装，其特有的前处理模块可以大大减少结构建模的工作量。
　　二是结构分析可采用不同的分析方法，包括线型、非线型、P-DELTA等。动力分析可输入反应谱曲线或进行时程分析。
　　三是STAAD Ⅲ具有相当齐全的规范库。这为不同的结构类型与其相适合的规范进行检验提供了便利条件，同时使力学分析的通用性与结构计算的通用性有机地结合起来。STAAD Ⅲ中的钢结构规范种类主要包括美国AISC、AASHTO以及加拿大、欧洲、英国、日本和中国的规范，同时包括这些国家的型钢表；除钢结构规范外，还包括各国的混凝土结构规范，以及美国的木结构、铝结构规范。
　　3、STAAD Ⅲ的前处理与后处理功能亦十分强大。通过STAAD Ⅲ输入的构件可以为杆系单元，也可以为四节点或八节点的有限单元，杆件可定义为梁、柱、桁架、变节面构件或仅受拉、压的构件。结构支坐可以为固接、铰接、弹簧连接等。对于指定的框架、桁架结构可自动选择截面进行优化设计，对于门式刚架允许输入变节面构件。STAAD Ⅲ的后处理部分可生成结构内力图等一系列几何简图，可编辑出较为完善的计算报告及各构件的详细检验报告。
　　最近，中国建筑金属结构协会钢结构学术委员会与REI工程软件（大连）有限公司联合推出的钢结构设计与绘图软件SSDD是以STAAD Ⅲ/PRO为计算核心按《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程》CECS102：98开发的钢结构设计软件，对于标准的双坡单跨、双坡多跨、单坡单跨、单坡多跨门式刚架可以实现快速建模，截面可以用户定义的型钢表中选择，也可以将当前型钢存入表中。SSDD按照中国的有关规范进行荷载组合并自动给出最不利的荷载组合，以便进行规范校核确定构件截面。每根构件的设计结果可以以图形或文字方式给出。可以预计，SSDD将成为中国轻钢结构领域最优秀的设计软件。
　　（三）、VP COMMANDER
　　上海宝成公司1995年从美国VACRO-PRUDEN建筑公司引入钢结构设计软件VP COMMANDER，是集轻钢结构系统报价、设计、工程管理、工厂制作一体的专用软件。其主要特点：
　　　　　　　　　　　　1、工业标准化。VP COMMANDER钢结构系统从报价、设计以及制作到施工，都具有显著的工业标准化的特点其软件数据库内置了900个标准节点，包括结构、配件、孔位、节点板、门窗、五金和泛水收边等，使得设计体现了鲜明的标准化特点；
　　2、设计软件高度可视化。VP COMMANDER的设计按初步设计进行详图设计，并可根据异常报告进行详细设计。详细设计的基础在于设计软件的高度可视化，VP COMMANDER系统有一个优秀的CAD平台，框架节点如梁柱、支撑、包边、檩条等构件历历在目，每个构件点中后，都能得到其三维坐标和其孔位三维坐标以及构件类别、属性、查询目录及工厂制作详图索引号，其CAD向CAM 的转化相当完善；
　　3、结构设计优化。VP COMMANDER可根据结构形式、荷载等自动进行框架结构优化，设计者只要通过IA进行人工干预，在IA中都可以得到水平和垂直的净空尺寸、构件水平结构变形。人工干预都要进行如局部稳定性、翼缘宽厚比等效验，每次干预后，该框架都能自动更新。这样设计的钢结构具有非常好的“性价比”，即优化。
　　4、详细的VP COMMANDER输入、输出流。
　　VP COMMANDER输入流：结构形式、荷载、檩条系统、维护系统等。部分输入也可在详图设计时表现，如加劲板、牛腿等；
　　VP COMMANDER输出流：输入信息报告、荷载组合报告、设计报告、框架报告、支坐反力报告、详图转换异常报告、CAD-CAM转换报告、报价、构件表、详图报告以及工程管理报告。
　　VP COMMANDER软件是目前国内轻钢结构领域内最优秀的软件。
　　四、国内外软件的比较
　　（一）、整体比较
　　根据上述软件性能的分析，我们亦大体了解了中外软件的一些情况。总体上讲，与最先进的国外软件进行比较，国内的软件虽然还有很大差距，但这种差距正在逐渐缩小。
　　1、中国软件的优势
　　① 设计分析结果：目前无论是3D3S，还是STS，或者是其他的软件，在简单结构（如门式刚架、框架）设计分析结果上，已经基本达到国外软件的水平，用钢量的计算也已和国外的软件基本相当。尽管这主要是设计理论、设计规范的问题，但体现在软件上仍然反映了软件的基本水平；
　　② 前处理：数据的输入简单明了，没有复杂的数据分类、整理。其实这反映了中国软件的建模性能比较好，这也是反映一套软件水平的又一项指标；
　　③ 后处理：中国软件的设计报告更符合中国工程师的习惯，有益于软件的推广和普及；
　　④ 操作简单：友好的WIN命令模式，使得操作简单，易于学习。
　　2、中国软件的差距
　　① 所采用的结构分析理论还有限，影响到对于复杂结构（如空间结构）的分析的能力和准确性；
　　② 自动优化的功能还不够完善，有时也不太准确；
　　③ 结构设计的系统性还不足。目前国内各个版本的设计软件都只有主体结构的分析和设计，还没有维护系统的分析与设计（如排版图、泛水收边等），这反映了设计软件不能成体系地完成设计任务。这是国内软件与国外软件差距较大的部分；
　　④ 标准节点库小。维护系统的各种构件、节点、包角等，基本是空白；
　　⑤ 后处理功能方面国内软件的差距最大，自动生成图纸的功能还很弱，生成加工详图的功能还处在较低的水平上；还不能形成管理文件，CAD-CAM的智能转化还是一个空白。
　　以上的比较只是一般的比较。事实上设计软件制作的无论多么完美，也终究是设计的辅助工具，它不可能代替工程师的设计经验，一个优秀的工程设计如果没有体现工程师的思维与智慧将是缺乏创造性的。
　　（二）、典型软件的比较
　　3D3S是国产最好的软件之一，VP COMMANDER是国内最好的软件之一。现将这两个软件的特点进行比较，可能更有益于自主开发软件的不断提高。

3D3S
VP COMMANDER
使用年限
3~4年
20年（在中国使用）
结构分析
杆件系统（含楔形单元）有限元
迦辽金近似计算
操作平台
WINDOWS系列
UNIX（已有WIN、NT版本）
运算速度
快（一般难度项目2~10分钟）
中等（一般难度项目20分钟）
CAD能力
一般（优秀输入，操作复杂，梁柱等节点表现不好）
优秀（三维输入输出，详图、孔位等附件表现明确）
CAM能力
一般（可生成一般详图）
优秀（生成详图与计算机操作数据程序文件、加工文件
空间分析能力
一般
一般
塑性理论应用
无
无
结构优化
满应力法
以重量为目标函数的非线性规划法
中国规范
满足
一般
界面友好性
优秀（快捷键，但无操作向导，帮助文件过于简单）
有一般的操作程序，有详细的设计手册和设计过程
输出流
个别报告有误，如CHECK报告运行一次无法覆盖更新
设计报告过于简单
开放性
一般
有DESIGN TOOL
数据库
少
具有VP标准节点库（900个）、WAREHOSE项（包括用于预埋固定件）、包边库、板材库等。
结构材料
不限
16Mn
加工详图
半自动（部分靠手工）
自动（不符合中国制图规范）
生成施工图
半自动（部分靠手工）
全面
使用范围
一般钢结构、塔架、门式刚架、桁架、钢屋架、吊车梁
门式刚架
与工厂制造紧密性
传统
高（通过光纤计算机操作翼缘生产线、腹板生产线、焊接生产线）
　　五、中国钢结构建筑设计软件的未来走向
　　随着力学与建材科学的日新月异，中国钢结构建筑设计软件将会有飞跃性的发展，表现在设计软件的前处理、结构计算和后处理部分则是：
　　（一）、前处理部分即图形及计算信息的输入部分。这部分的主要功能是输入结构几何图形、材料信息、截面尺寸等，是为结构分析做准备的，因此，他的功能必须与分析模块的功能相匹配。如果其计算核心是一个功能强大的通用结构分析软件，那么，其前处理也应该是一个输入灵活、适应强的模块，其快速建模功能亦能生成一个基本的结构骨架，然后，利用其强大的编辑器对所生成的二维或三维模型进行快速准确的编辑修正。如果设计计算核心是一个针对性强的模块，如针对门式刚架、桁架，那么这类软件的前处理功能应该更加完善，特别是其快速建模的功能不应该仅是主体骨架，而且应尽可能多的包括一些次结构，如屋面及柱间支撑系杆、檩条、维护板材以及桁架中的节点板等等，即他生成的应该是一个完整的结构体系。这样，在设计计算中才能真实地反映各个构件在整体结构中所起的作用。
　　另外，前处理部分直接关系到该软件是否为大多数工程师所接受。输入界面友好的基本要求是方便快捷、准确，并易于掌握。多数工程师不可能花费大量时间学习一套应用软件，尤其是数据输入部分。
　　（二）、结构计算模块部分。这是一套设计软件的核心。
　　1、新的结构分析理论的应用
　　前处理部分的所有工作都是为了进行结构计算作准备的。运算速度快、计算结果准确是任何一个结构设计软件所应具备的。因此，运用最先进的结构分析理论，利用最先进的计算机技术使所开发的软件满足上述要求是软件设计的潮流和方向。一般的分析方法不仅包括线性分析方法，还应包括非线性分析方法、P-△二级稳定性分析方法，即钢结构设计更要考虑支撑受力的复杂性、节点处的应力环境与剪切变形、钢结构的温度效应影响性、梁柱结构分析的局部稳定性与整体稳定性，及考虑P-△效应的二阶分析等。
　　2、结构建模的深入研究。结构建模要从单质点的计算模型向多质点集中质量参数模型，以及多串点并列集中参数层模型的方向发展；动力建模还要从半时程分析向弹-塑性时程分析的方向发展。结构分析不仅可以分析空间杆系系统，还应能分析空间组合结构；计算程序不仅能提供二维结构计算，还能满足比较复杂的三维空间结构的计算。
　　3、多规范的选择。不同的结构类型和不同的材料应采用与其相适合的规范。一套完整的软件，不仅应包括中国自身的规范，还要包括国外发达国家的规范；不仅包括本国某几个材料的规范，还应包括其他重要的建材领域的规范。这样，会使整套软件的适应性更广，发展的空间更大。
　　4、设立强大的数据库。
　　（三）、后处理部分。目前我国软件在生成设计报告方面已经比较成熟，但在工程绘图方面还有很大的差距，在CAM方面还是一个空白。后处理部分应向以下的方向发展：
　　1、自动生成详细的设计报告（目前国内软件已很好）。
　　2、自动生成准确的工程图纸。包括结构图、设计图、施工图、节点图、放样图、安装图；不仅包括主结构，还要包括次结构、排版图、收边泛水图等；
　　3、自动生成工程管理文件，包括计划文件、加工文件、采购文件和运输文件；
　　4、工业CAM，即自动生成数控设备的工作文件，无须出图，即可实现CAD→CAM的智能化转化。
　　以上是我们多年来从事钢结构设计对应用的一些钢结构设计软件的点滴体会。由于我们都是从事应用，对于软件本身的知识知之甚少，文中肯定有不少偏颇之处，但我们衷心希望国内的软件设计者与工程技术人员能够紧密配合，共同努力使我国的钢结构软件的技术水平有更大的提高，并在国际钢结构软件市场上最终占有重要的一席之地。谢谢！