中國鋼結構建筑市場設計軟件基本情況與中國自主開發(fā)軟件的未來走向

1、從使用角度重點介紹了三種典型軟件的中國鋼結構建筑市場設計軟件基本情況及中國自主開發(fā)軟件的未來走向簡介：本文初步總結了目前中國鋼結構建筑市場設計軟件的情況，特點，比較了中外軟件的優(yōu)劣，對中國自主開發(fā)軟件提出建議，對于發(fā)展中國鋼結構建筑市場設計軟件有 一定的借鑒作用。關鍵字：鋼結構建筑市場設計軟件一、引言在國外設計、中國輕鋼結構建筑設計的發(fā)展可大致劃分為三個階段。第一階段：七十年代末期至八十年代中期。這一時期是中國輕鋼結構建筑啟蒙階段，所承建的建筑均由國外公司采用國外規(guī)范和設計軟件，制作，運輸至中國安裝建設。 盡管也有設計院做過鋼結構設計， 但由于采用普鋼規(guī)范和傳統的工藝和材料， 嚴格講不在輕鋼建

2、筑的設計范疇。第二階段：八十年代中期至九十年代中上期。這一時期已有國外的鋼結 構公司開始在中國設立辦事機構，并有一些公司從國外帶來設計軟件，在中國進行設計，采用的規(guī)范仍然 是國外的規(guī)范。這期間國內的一些科研機構和高等院校，開始著手研究開發(fā)（輕）鋼結構設計軟件。但設 計的主體仍然是國外公司采用國外規(guī)范。第三階段：九十年代中期至現在。這期間，一些國際知名品牌公 司看好中國鋼結構建筑市場，紛紛通過獨資、合資、合作的方式在中國設立分支機構。這時的設計主體已 轉移至中國本土設計，至九九年下半年中國頒布門式剛架輕型房屋鋼結構設計規(guī)范之前，所采用的規(guī) 范仍然是國外的規(guī)范。 與此同時，國內的設計院和高等院校自

3、主開發(fā)的設計軟件，已開始成熟并投入市場。門式規(guī)范的頒布，對中國鋼結構建筑設計軟件的開發(fā)及推廣普及起到了極大的推動作用。另外，九十 年代末，國內的個別設計院和高等院校也開始與國外專業(yè)軟件公司合作，共同開發(fā)適合中國國情的鋼結構 設計軟件。從以上（輕）鋼結構建筑設計發(fā)展的階段分析，國內目前的輕鋼結構設計軟件雖然以國外的軟件為主,但國內開發(fā)的軟件也有了迅速的發(fā)展，并在市場占有率上超過了國外。現國內大約有十幾個版本的國外軟 件，兩個版本的國內軟件。門式規(guī)范的頒布，意味著今后輕鋼結構設計應主要以中國規(guī)范為主，國外 的設計也應通過校核和規(guī)范選擇等手段，使之符合中國規(guī)范的要求。因此，對中國自主開發(fā)的軟件來講，

4、 既為發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間，同時也提出了更高的要求。鑒于此，有必要對目前國內的設計軟件情況 進行一次分析比較，從發(fā)展的角度對中國自主開發(fā)的軟件提出一些具體的意見和建議。二、中國鋼結構建筑軟件的一般情況鋼結構建筑設計軟件應當包括高、中、低層各類建筑的設計軟件，但鑒于目前國內鋼結構建筑主要以 低層建筑為主，即人們常講的輕鋼結構建筑，因此，本文所談到的鋼結構建筑軟件亦主要是指輕鋼結構建 筑設計軟件。（一）、國內鋼結構建筑設計軟件的種類目前國內的鋼結構設計軟件主要有兩大類:CAD軟件一類是中國自主開發(fā)的軟件，主要有上海同濟大學土木工程學院開發(fā)的空間鋼結構桿系系統-3D3S ;中國建筑科學研究院開發(fā)

5、的建筑設計軟件系統PKPM系列中的鋼結構設計軟件-STS ;首鋼設計院開發(fā)即將投入市場的鋼結構設計軟件-MES另一類是專業(yè)鋼結構公司或設計院持有的國外的設計軟件。這類情況中還分兩種類型：一種是持有本 公司自主開發(fā)的軟件，比如上海寶成鋼構持有 VP 公司的 VP Commander 軟件;另一類是持有國外專業(yè)軟 件公司出售的鋼結構設計軟件， 比如天津麥塔力鋼構公司、 BUTLER 公司、清華大學持有 REI 公司的 STAAD m軟件。在國內市場上還有如芬蘭Tekla oy公司的Xsteel、德賽公司的SCIA、REI公司的STAAD PRO、STURCAD 等。SSDD、英國愛司卡特公司的除此

6、之外，亦有一些設計院或公司在使用別人的軟件的同時，在不同的平臺上自己開發(fā)一些適合不同 用途的軟件，比如北京京冶公司鋼結構所開發(fā)的鋼結構設計軟件 京冶體系國外的專業(yè)軟件進行了改進，使得這些軟件更適合設計使用，比如鄭州華電公司對 件進行了二次開發(fā)，大大提高了軟件的使用效率和準確性。;還有一些設計院或公司對STRUCAD 6.0 版的軟二）、持有軟件企業(yè)、設計院的分布情況鋼結構設計軟件最初從國外進入中國，開始時只為外資公司擁有。到九十年代中期，開始開發(fā)自己的軟件，一些企業(yè)方開始購買軟件。其情況大致可劃分為：國內的設計院方1、外資公司（含合資公司）持有以美國規(guī)范MBMA 、 UBC、 AISC、 AI

7、SA、的設計軟件，如上海美建鋼構公司持有的MSA、馬泰力克公司持有的 MBS等；AWS為設計依據的國外2、國內企業(yè)持有的軟件主要是國內開發(fā)的3D3S、STS。該部分涉及企業(yè)的商業(yè)機密,故不舉例；但有影響3、有影響的設計院持有的軟件情況。這部分情況比較復雜，有些設計院不止持有一套軟件，SPA84 ;清華大學持有 STAAD mSTS;包鋼設計院持有 3D3S ;北京鋼的設計院的情況大體 ：北京大學力學系持有自主開發(fā)的結構分析軟件/PRO;同濟大學自主開發(fā)的 3D3S;中國建筑科學研究院自主開發(fā)的 鐵設計院持有 STS 等等。三）、持有軟件企業(yè)的地域分布情況在地域分布上主要體現了五大板塊：1、上海

8、板塊：這一板塊是最成熟、最有影響的地區(qū)，設計軟件基本是國外軟件，其預制輕鋼結構質量 最佳，對中國鋼結構市場起著主導作用。代表企業(yè)如 BUTLER 、 ABC 、冠達爾、上海寶成等都是國內一流 的鋼結構企業(yè);2、杭州板塊：這一板塊以 3D3S 為主，其鋼結構成本低，在中低價位的市場內最據競爭力。代表企業(yè) 如東南網架、大地鋼構、杭蕭鋼構等都是國內知名企業(yè);3、天津板塊：這一板塊以 STAAD m、 STS、 3D3S 為主，由于其是北方地區(qū)最早從事輕鋼結構的地區(qū)，所以對北方地區(qū)的影響甚遠。代表企業(yè)如天津萬力圓、萬力成等均是知名度較高的企業(yè);4、北京板塊：這個板塊以清華大學使用 STAAD m /P

9、RO為主要代表，間有個別企業(yè)、設計院使用STS、 3D3S、STAAD m /PRO或SSDD，比如中國華電鋼構既有 3D3S,又有SSDD。另外，首鋼設計院亦獨立 開發(fā)了一套設計軟件。目前看，這個板塊的綜合能力最強，其發(fā)展勢頭最猛;5、廣東板塊：這個板塊是中國較早發(fā)展的地區(qū)之一，以臺資企業(yè)為主，現在在廣東地區(qū)已獨占熬頭。除上述五大板塊以外，還有個別設計院、企業(yè)散居在全國各地，一般的講，與上述情況相仿，其中，馬泰力克 MBS 為國際最新的軟件，可能會在后期鋼結構建筑市場上占有一席之地。四）、軟件使用性能的分類情況CAD 設計軟件的編制是計算機的專業(yè)理論。 由于本文作者都是使用軟件的工程師， 非

10、計算機專業(yè)， 故， 只能從軟件的使用性能方面進行分析。另外，從性能上分析，更有益于軟件的普及及提高。1、結構分析功能軟件。 這類軟件一般作為結構力學的精確計算程序，在建模輸入時沒有較多的條件限制，能真實反映實際結構的力學模型。這類軟件有SPA84、3D3S、STS 等；2、結構分析及優(yōu)化設計功能軟件。這類軟件除已進行結構分析外，還能對結構分析進行優(yōu)化設計，亦可以選擇不同的規(guī)范對截面尺寸進行檢查，從而使設計結果符合相應的規(guī)范。這類軟件有STAAD m；3、結構分析、優(yōu)化設計及工程智能化軟件。這類軟件是目前最先進的設計軟件，在鋼結構建筑市場上占據最重要的位置。 這類軟件女n MSA、MBS、VP

11、COMMANDER、SSDD、XSTEEL、SCIA 及 STRUCAD。三、典型軟件的特點分析一）、 3D3S3D3S 至今已開發(fā)到 3.5 版本,是國內最重要的 （輕）鋼結構設計軟件。其主要特點是：1、這是一套高度集成化的軟件。 除可進行鋼結構一般結構的分析計算外， 對于門式剛架、 桁架、框架、 塔架及鋼屋架、吊車梁等都具有快速建模的功能，尤其對門式剛架結構建模十分迅速便捷。其特有的滿應 力優(yōu)化模塊，在運算時可以對門式剛架進行反復疊代、計算，以確定最佳的截面。目前，就門式剛架而言， 在鋼結構分析方面，已于國外的軟件達到基本相當的水平；2、秉承 WIN 98 的優(yōu)勢環(huán)境，人機交互式數據輸入輸

12、出，使得操作簡單明了，同時，與AUTOCAD完全接口，許多命令與 AUTOCAD 命令類似，為中國工程師所熟習；對數據的修改、施工圖的生成等，亦 符合中國工程師的習慣，簡單明確、易于掌握；3、該套軟件后處理功能也比較完善。除可以自動生成計算報告（如位移報告、內力報告、節(jié)點設計報 告、反力報告等）外，還可以生成一系列施工圖、節(jié)點圖、材料表和報價分析報告等，更能快速生成結構 的空間骨架效果圖、各平面結構布置圖。3D3S是一套集各種鋼結構空間桿系的設計軟件，但目前用戶更看好他的對于輕鋼結構的設計計算,此，從某種意義上說，他更是一套輕鋼結構的設計軟件。STAADSTAAD 是美國 REI（RESEAC

13、H ENGINEERING ）公司與其在大連的分公司阿依艾工程軟件有限公司 共同推出的， 其產品在全世界擁有超過 11 萬以上的用戶，是國際上具有較高知名度的工程軟件之一， 也是 在國內水平最高的軟件。目前在國內市場上有STAAD m、STAAD PRO和SSDD三個版本。清華大學、BUTLER 、中國華電等許多知名院校和公司都擁有這套軟件。其特點是：1、STAAD m是一個綜合性的力學分析計算軟件。其分析功能強大，包括結構力學分析、有限元模塊 和各種規(guī)范的檢驗等。還為用戶提供了各種可選擇的模塊，如構件設計、管道工程、鋼結構詳圖設計、結 構估價等。STAAD PRO是其配套的繪圖軟件，可根據

14、STAAD m輸入的數據自動生成總體圖、施工圖、 節(jié)點圖、加工詳圖、放樣圖等。2、STAAD m分析與設計部分具有相當強的通用性和適應性。P-DELTA 等。動力分析可輸入反應譜曲線一是它的基本圖庫中內置了一些標準結構模型，通過這些基本結構進行編輯組合，可以方便地形成最 終的整體結構，計算的結果準確可靠。對于復雜的組合結構可以分塊建模，然后進行組裝，其特有的前處 理模塊可以大大減少結構建模的工作量。二是結構分析可采用不同的分析方法，包括線型、非線型、 或進行時程分析。三是STAAD m具有相當齊全的規(guī)范庫。這為不同的結構類型與其相適合的規(guī)范進行檢驗提供了便利 條件，同時使力學分析的通用性與結構

15、計算的通用性有機地結合起來。STAAD m中的鋼結構規(guī)范種類主要包括美國 AISC 、 AASHTO 以及加拿大、歐洲、英國、日本和中國的規(guī)范，同時包括這些國家的型鋼表； 除鋼結構規(guī)范外，還包括各國的混凝土結構規(guī)范，以及美國的木結構、鋁結構規(guī)范。3、STAAD m的前處理與后處理功能亦十分強大。通過STAAD m輸入的構件可以為桿系單元，也可以為四節(jié)點或八節(jié)點的有限單元，桿件可定義為梁、柱、桁架、變節(jié)面構件或僅受拉、壓的構件。結構支 坐可以為固接、鉸接、彈簧連接等。對于指定的框架、桁架結構可自動選擇截面進行優(yōu)化設計，對于門式 剛架允許輸入變節(jié)面構件。STAAD m的后處理部分可生成結構內力圖等

16、一系列幾何簡圖，可編輯出較為 完善的計算報告及各構件的詳細檢驗報告。最近，中國建筑金屬結構協會鋼結構學術委員會與 REI 工程軟件（大連）有限公司聯合推出的鋼結構設計與繪圖軟件 SSDD 是以 STAAD m/PRO 為計算核心按門式剛架輕型房屋鋼結構設計規(guī)程 CECS102：98 開發(fā)的鋼結構設計軟件，對于標準的雙坡單跨、雙坡多跨、單坡單跨、單坡多跨門式剛架可以實現快速 建模，截面可以用戶定義的型鋼表中選擇，也可以將當前型鋼存入表中。SSDD 按照中國的有關規(guī)范進行荷載組合并自動給出最不利的荷載組合，以便進行規(guī)范校核確定構件截面。每根構件的設計結果可以以圖 形或文字方式給出。可以預計， SS

17、DD 將成為中國輕鋼結構領域最優(yōu)秀的設計軟件。三）、 VP COMMANDER上海寶成公司 1995 年從美國 VACRO-PRUDEN 建筑公司引入鋼結構設計軟件 VP COMMANDER ，是集輕鋼結構系統報價、設計、工程管理、工廠制作一體的專用軟件。其主要特點：1、工業(yè)標準化。 VP COMMANDER 鋼結構系統從報價、設計以及制作到施工， 都具有顯著的工業(yè)標準化的特點。其軟件數據庫內置了 900 個標準節(jié)點，包括結構、配件、孔位、節(jié)點板、 門窗、五金和泛水收邊等，使得設計體現了鮮明的標準化特點；2、設計軟件高度可視化。 VP COMMANDER 的設計按初步設計進行詳圖設計，并可根據

18、異常報告進 行詳細設計。詳細設計的基礎在于設計軟件的高度可視化，VP COMMANDER 系統有一個優(yōu)秀的 CAD 平臺，框架節(jié)點如梁柱、支撐、包邊、檁條等構件歷歷在目，每個構件點中后，都能得到其三維坐標和其孔 位三維坐標以及構件類別、屬性、查詢目錄及工廠制作詳圖索引號，其CAD 向 CAM 的轉化相當完善；3、結構設計優(yōu)化。 VP COMMANDER 可根據結構形式、荷載等自動進行框架結構優(yōu)化，設計者只要 通過 IA 進行人工干預，在 IA 中都可以得到水平和垂直的凈空尺寸、構件水平結構變形。人工干預都要進 行如局部穩(wěn)定性、翼緣寬厚比等效驗，每次干預后，該框架都能自動更新。這樣設計的鋼結構具

19、有非常好 的“性價比 ”，即優(yōu)化。4、詳細的 VP COMMANDER 輸入、輸出流。VP COMMANDER 輸入流：結構形式、荷載、檁條系統、維護系統等。部分輸入也可在詳圖設計時表 現，如加勁板、牛腿等；VP COMMANDER 輸出流：輸入信息報告、荷載組合報告、設計報告、框架報告、支坐反力報告、詳 圖轉換異常報告、 CAD-CAM 轉換報告、報價、構件表、詳圖報告以及工程管理報告。VP COMMANDER 軟件是目前國內輕鋼結構領域內最優(yōu)秀的軟件。四、國內外軟件的比較一）、整體比較根據上述軟件性能的分析，我們亦大體了解了中外軟件的一些情況。總體上講，與最先進的國外軟件進行比較，國內的軟

20、件雖然還有很大差距，但這種差距正在逐漸縮小。1、中國軟件的優(yōu)勢 設計分析結果：目前無論是 3D3S，還是STS,或者是其他的軟件，在簡單結構（如門式剛架、框架）設計分析結果上，已經基本達到國外軟件的水平，用鋼量的計算也已和國外的軟件基本相當。盡管這主要是設計理論、設計規(guī)范的問題，但體現在軟件上仍然反映了軟件的基本水平； 前處理：數據的輸入簡單明了，沒有復雜的數據分類、整理。其實這反映了中國軟件的建模性能比 較好，這也是反映一套軟件水平的又一項指標；后處理：中國軟件的設計報告更符合中國工程師的習慣，有益于軟件的推廣和普及；操作簡單：友好的 WIN 命令模式，使得操作簡單，易于學習。2、中國軟件的

21、差距所采用的結構分析理論還有限，影響到對于復雜結構（如空間結構）的分析的能力和準確性； 自動優(yōu)化的功能還不夠完善，有時也不太準確；結構設計的系統性還不足。 目前國內各個版本的設計軟件都只有主體結構的分析和設計，還沒有維護系統的分析與設計（如排版圖、泛水收邊等），這反映了設計軟件不能成體系地完成設計任務。這是國 內軟件與國外軟件差距較大的部分； 標準節(jié)點庫小。維護系統的各種構件、節(jié)點、包角等，基本是空白；后處理功能方面國內軟件的差距最大，自動生成圖紙的功能還很弱，生成加工詳圖的功能還處在較低的水平上；還不能形成管理文件，CAD-CAM的智能轉化還是一個空白。以上的比較只是一般的比較。事實上設計軟

22、件制作的無論多么完美，也終究是設計的輔助工具，它不 可能代替工程師的設計經驗，一個優(yōu)秀的工程設計如果沒有體現工程師的思維與智慧將是缺乏創(chuàng)造性的。（二）、典型軟件的比較3D3S是國產最好的軟件之一， VP COMMANDER 是國內最好的軟件之一?，F將這兩個軟件的特點進 行比較，可能更有益于自主開發(fā)軟件的不斷提高。3D3SVP COMMANDER使用年限34年20年（在中國使用）結構分析桿件系統（含楔形單元）有限元"迦遼金近似計算操作平臺WINDOWS 系列UNIX （已有 WIN、NT版本）運算速度快（一般難度項目210分鐘）中等（一般難度項目20分鐘）CAD能力一般（優(yōu)秀輸入，操作

23、復雜，梁柱等 節(jié)點表現不好）優(yōu)秀（三維輸入輸出，詳圖、孔位等附件表現明確）CAM能力一般（可生成一般詳圖）優(yōu)秀（生成詳圖與計算機操作數據程序文件、加工文件）空間分析能力般一般塑性理論應用無無結構優(yōu)化滿應力法以重量為目標函數的非線性規(guī)劃法中國規(guī)范滿足一般界面友好性優(yōu)秀（快捷鍵，但無操作向導，幫助 文件過于簡單）有一般的操作程序，有詳細的設計手冊和設計過程輸出流個別報告有誤，如CHECK報告運行一次無法覆蓋更新'設計報告過于簡單開放性般有 DESIGN TOOL數據庫少具有VP標準節(jié)點庫（900個）、WAREHOSE項（包括用于預埋固定件）、包邊庫、板材庫等。結構材料不限16Mn加工詳圖半

24、自動（部分靠手工）自動（不符合中國制圖規(guī)范）生成施工圖半自動（部分靠手工）全面使用范圍一般鋼結構、塔架、門式剛架、桁架、鋼屋架、吊車梁門式剛架與工廠制造緊密性傳統高（通過光纖計算機操作翼緣生產線、腹板生產線、 焊接生產線）五、中國鋼結構建筑設計軟件的未來走向隨著力學與建材科學的日新月異，中國鋼結構建筑設計軟件將會有飛躍性的發(fā)展，表現在設計軟件的 前處理、結構計算和后處理部分則是：（一）、前處理部分即圖形及計算信息的輸入部分。這部分的主要功能是輸入結構幾何圖形、材料信 息、截面尺寸等，是為結構分析做準備的，因此，他的功能必須與分析模塊的功能相匹配。如果其計算核 心是一個功能強大的通用結構分析軟件

25、，那么，其前處理也應該是一個輸入靈活、適應強的模塊，其快速 建模功能亦能生成一個基本的結構骨架，然后，利用其強大的編輯器對所生成的二維或三維模型進行快速 準確的編輯修正。如果設計計算核心是一個針對性強的模塊，如針對門式剛架、桁架，那么這類軟件的前 處理功能應該更加完善，特別是其快速建模的功能不應該僅是主體骨架，而且應盡可能多的包括一些次結 構，如屋面及柱間支撐系桿、檁條、維護板材以及桁架中的節(jié)點板等等，即他生成的應該是一個完整的結 構體系。這樣，在設計計算中才能真實地反映各個構件在整體結構中所起的作用。另外，前處理部分直接關系到該軟件是否為大多數工程師所接受。輸入界面友好的基本要求是方便、快捷、準確，并易于掌握。多數工程師不可能花費大量時間學習一套應用軟件，尤其是數據輸入部分。二）、結構計算模塊部分。這是一套設計軟件的核心。1、新的結構分析理論的應用前處理部分的所有工作都是為了進行結構計算作準備的。運算速度快、計算結果準確是任何一個結構設計軟件所應具備的。因此，運用最先進的結構分析理論，利用最先進的計算機技