基于大跨空间结构设计的难点及解决思路

对结构合理形态的探索一直是结构工程领域的重要课题。纵观那些著名的经典结构，无不体现了使用功能、优美形体与合理受力的协调一致。空间结构多数用于大型公共建筑，形式丰富多样，而且往往凭借合理形态来实现结构的高效率。随着我国国民经济的发展，大跨空间结构出现的越来越多，这也对工程师和结构设计软件提出了更高的要求。

实现大跨的结构方案可能千差万别，但是分解这些体系后，你会发现会得到以下几种基本元素[1]：

一、开洞

3

梁 -> 桁架/空腹桁架

板 -> 网壳/网架/空腹网架

这本质上来说是一种拓扑优化，去除应力很低的材料，就形成了洞。所以拓扑优化可以理解为在哪里开洞。

二、形变

直线 -> 拱/悬链线

平面 -> 折板/壳

这本质上来说是一种形状优化，形变前后其拓扑关系没有改变。通过形状的改变，增大了整体刚度。通过形状优化，将材料应力状态由原来的一半受压一半受拉优化为了几乎全受压/受拉。

三、预应力

预应力 索+撑杆

通过预应力索的引入，提高结构的刚度。

由这三种基本元素任意组合，可以生成非常多种空间结构体系。比如：

拱形管桁架/ 拱形网架 ；

张弦梁 / 张弦管桁架 /张弦网壳 / 弦支穹顶；

正交索网/轮辐式张拉体系；

[1]  王世权，蔡黎明，高树才。 空间结构生成系统简论【C】//第十四届空间结构学术会议论文集

对于一个项目，可能会对比很多种结构体系，每种方案又会涉及到各种形状参数或者预应力参数的选择。如何从众多结构体系，众多参数组合种选取比较优化的方案是第一个难点。 基于参数化数字化建立计算模型是提高方案对比和迭代速度的利器。

难点二：风荷载取值

不同于多高层结构的风荷载计算，空间结构的风荷载体形系数取值往往比较困难，需要划分多个区域分别指定，还需要考虑多个风向角度。 如果能将数值风洞得到的风压直接自动导入到结构上，那么初步设计时， 风荷载加载效率将得到极大提升。

虽然数值风洞与风洞试验结果有一定差异， 大多数大跨空间结构需要按照风洞试验考虑风荷载，但是在初步设计阶段，按照数值风洞结果自动加载肯定还是比手动加载效率高 。 将CFD求解作为一个模块嵌入到结构分析设计软件种是一个很好的解决方案。

难点三：找形/找力

如果屋面材质采用索+膜体系，那么会涉及到索膜结构如何找形的问题。如果是张弦结构、弦支穹顶、轮辐式张拉结构等，会涉及到预应力取值（找力）问题。 如果能将找形/找力目标做为荷载直接输入到整体结构分析设计软件中，通过非线性有限元求解整体结构，自动迭代调整索力/膜力，那么就无需借助专业的膜结构软件了，模型也无需简化解耦。

难点四：非线性分析

由于大跨空间结构跨度大，或者存在索/膜，往往需要对所有荷载组合考虑二阶效应甚至大变形，而不能使用结果的线性叠加。此外，还需要考虑材料非线性进行双非线性整体稳定分析。 如何考虑缺陷/材料非线性对多个工况进行极限承载能力分析也是一个难点。

难点五：关键节点分析

空间结构设计过程中，荷载组合工况往往数量较多，对于关键节点的分析，往往很难确定哪一个是该节点的控制组合，而且，节点处连接杆件众多，要是手工提取内力在别的软件中进行节点验算，工作量是非常大的。 如果能在整体分析设计软件中直接建立节点曲面/实体模型，杆件荷载直接导到节点端部，那么工作量会减少很多。

风力发电机（惯性力对结构的影响）

风力发电机 基础

正交胶合木CLT结构

苏州奥体中心幕墙结构

该软件除了可以解决空间结构设计中的那五个难点以外，还具备以下优势。

二次开发

支持Python/C#/本地开发和云端开发。

截面库丰富（型钢/型钢组合/异形截面）

程序中有各个国家的型钢类型、型钢组合类型、自定义截面类型、混凝土截面类型、木截面类型。

型钢组合截面

如果有些截面RFEM库里没有，那么就可以在RSECTION中创建（支持钢截面、混凝土截面、钢混组合截面），然后RFEM导入。

建筑模型模块（层定义）

自动在有楼板处生成刚性板假定，无需建板也能模拟较真实的刚度。降低了建模工作量和计算量。还可以输出层指标。

面荷载添加助手（自动蒙皮）

添加面压力时，无需建板，自动识别封闭区域。

各种缺陷模拟方式

类型“仅局部缺陷”-初弯曲：实现杆件局部缺陷

荷载组合批量设置分析参数

RFEM中的设计状况对应规范上的组合表达式，是荷载组合生成的蓝本，设计状况中的分析设置参数都会被引用到每个荷载组合中。

在每个设计状况中都可以定义组合助手，组合助手中可以设置是否考虑几何非线性、是否考虑缺陷、是否进行屈曲分析、是否考虑初始状态、是否进行刚度调整等。

如此可批量控制荷载组合的分析参数。还可以复制多个设计状况，来分析不同的分析参数对结果的影响，比如一个设计状况考虑二阶效应、考虑缺陷，另一个设计状况不考虑。

这样我们可以在同一个模型中，同时进行材料弹性/材料弹塑性，几何线性/几何非线性，考虑缺陷/无缺陷，以及多种缺陷对设计结果的影响分析。避免由于方案改动从而维护和修改多个模型文件，从而节省时间 。

整体稳定分析功能

• 可以在一个模型中对所有荷载组合同时进行线性屈曲分析/几何非线性屈曲分析/双非线性屈曲分析，避免维护多个模型，提高方案迭代效率；

• 可以自动找到最小临界荷载系数及对应工况，避免反复调试控制位移，提高结果提取效率。

• 可以显示进入塑性状态的杆件

• 可以自动绘制荷载位移曲线

土-结构整体分析

• 可以输入钻孔土样数据，自动生成三维土质实体，更真实的考虑场地条件对结构、基础的影响；
  

• 上部结构设计时，由于土-结构协同变形，可考虑土的不均匀变形对上部结构的影响；

• 基础设计时，由于土是三维实体，可以考虑相邻基础之间的影响，这是文克尔弹簧地基模型所实现不了的。而且不需要手动输入荷载，内力由上部结构自动传递给基础。

多线程并行计算

• 多工况同时计算，极大缩短计算时间

  
  

验算规范（国标/欧美标）

• 欧标： 所有模块都有。

• 美标： 除了砌体以外其他都有。

• 国标： 已嵌入钢结构、木结构、混凝土结构规范，是 目前唯一有木结构国标的软件 。

• 规范设计模块不分开销售，只要购买了某领域的验算模块，所有国家/地区的规范都能用。

新钢标嵌入了三种稳定验算方法

市面上最详细的手写式

钢杆件验算过程