一 大跨空间结构体系构成
一
大跨空间结构体系构成
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
二
分析设计难点
难点一：建模效率
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。
三
整体解决方案-Dlubal软件
这里推荐一个来自德国Dlubal公司的强大软件RFEM6。它 所具备的功能可以解决以上5个难点问题。 它是一款功能强大、操作简单、界面友好的通用有限元分析和设计软件。
D lubal公司成立三十多年以来，有无数工程案例用Dlubal的软件分析和设计。
1、森林步道/观景平台
捷克多尔尼摩拉瓦天空步道（钢木结构）
观景平台（钢木结构）
2、光伏/光热
单轴太阳追踪器支架
青海省海西光热电站
风力发电机（惯性力对结构的影响）
风力发电机 基础
3、 公共建筑
伦敦阿贝伍德车站（钢木结构）
天府农博园（钢木结构）
正交胶合木CLT结构
苏州奥体中心幕墙结构
4、工业结构
布袋除尘器（杆+壳钢结构）
丁二烯储罐
柱承式钢板仓
烟气道
5、膜结构找形
6、节点有限元分析
7.土-结构整体分析
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。
四
其他功能优势
二次开发
支持Python/C#/本地开发和云端开发。
刚度类型（杆件/面/实体）
对于一维杆件、二维曲面、三维实体，有各种刚度类型选项可供选择。可以根据各种结构构件的受力特点，选择相应的刚度类型。
一维杆件刚度类型
二维曲面刚度类型
三维实体刚度类型
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。
各种线性/非线性材料模型
有各个国家的各种材料库，可以自动读取材料参数，常用结构材料(混凝土、钢材、木材、砌体、铝材、玻璃、薄膜、气体、土、钢筋、金属、织物)基本不用手动输入参数。
丰富的材料模型可以实现各种构件的弹性设计和极限状态下的弹塑性分析：
钢结构（杆件、板壳、实体）的弹塑性模拟；
木结构（墙/板、实体）的弹塑性模拟；
混凝土结构（墙/板、实体）的损伤模拟；
砌体结构（墙）弹塑性模拟；
土体（实体）弹塑性模拟。
各向同性材料（钢、铝）弹塑性模型
各向同性材料（混凝土）损伤模型
正交各向异性（木）弹塑性模型
正交各向异性（砌体）弹塑性模型
土体弹塑性模型
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
当钢结构杆件验算方法采用二阶弹性法或者直接分析法时，都需要添加缺陷。程序中缺陷的模拟方法可以实现新钢标中的整体缺陷和局部缺陷。除了可以实现规范中要求的缺陷类型外，还有其他的缺陷功能。
1.仅局部缺陷
添加方式为定义参数选择杆件添加，可以模拟整体侧移和局部弯曲两种缺陷。
类型“仅局部缺陷”-初始侧移：实现整体缺陷
类型“仅局部缺陷”-初弯曲：实现杆件局部缺陷
由于需要选择柱子再添加，适用于单层的柱不多的结构，比如门刚等。
2.结构整体初始缺陷表格
添加方式为定义楼层位置和侧移大小，只能模拟整体侧移缺陷，不能模拟杆件局部弯曲缺陷。
此处只添加了塔顶处的缺陷大小，其余缺陷自动插值确定大小。相比于前一种方法，这种方法只需要在表格中定义好层高和缺陷大小，不需要选构件添加。适用于多层结构、高耸结构及结构最低阶屈曲模态为整体侧移的结构。
3.屈曲模态
添加方式为选择某个屈曲分析工况的某个模态（一般都是整体屈曲最低阶模态），然后定义最大变形处的最大缺陷值（一般为跨度的1/300）。
相比于前面的方法，该方法不对要选择构件添加、也不需要定义层高度，但是需要事先进行屈曲分析。一般适用于容易失稳的空间结构，比如大跨单/双层壳结构，当然也可以用于框架及支撑结构（前提是所选模态不是局部屈曲模态）。
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。
钻孔土样
土-结构协同变形
土应力
上部结构内力
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
结果呈现方式
1.表格结果
可以输出每个计算工况/组合/设计状况的概况（总荷载/最大变形/最小临界荷载系数等），便于了解整体情况：荷载是否遗漏、刚度是否正确、计算是否收敛。
可以输出设计状况中所有组合里每个最大反力及所对应的组合编号。便于基础设计用。
点击图形杆件，表格自动跳转到对应的结果，图形结果一次只能查看一种结果，而表格可以同时查看该构件的所有内力分量和每个内力分量对应的控制工况。点击表格中的数据，箭头指示所在位置。
2.图形结果
比其他软件先进之处在于，即使是杆系，其应力结果显示是按照三维实体的方式渲染，对杆件薄弱部位一目了然。大多同类软件一个杆件只能显示整个长度范围内的最大值，更别说截面层次的渲染。
验算结果可以显示杆件长度上的最大值，也可以按照长度变化，与表格联动，可以一次性查看该杆件的所有强度分项和稳定分项的验算结果。
