结构工程师必备：自编软件工具箱提升网架建模效率百倍

重钢水渣堆场网架方案半天搞定

一、写在前面

大家好，我是Coolzhb，国家一级注册结构工程师，仿真秀专栏作者，致力于异形空间结构的建模和分析，从事钢结构设计和研究20余年，擅长PKPM、midas、3D3S等软件。精通CAD的二次开发，对异形结构的空间建模有一定的研究。主要作品有《文字修改大师》、《酷周工具箱》和《网架工具箱》等。受仿真秀平台邀请，即日起在仿真秀App分享钢结构设计专业技能《跟着大师学设计》系列教程（满满的行业经验和专业技能，见后文）。

随着空间结构造型的日趋复杂，空间结构的建模已然成为了空间结构设计的一个瓶颈问题。显然，结构工程师急需一个能有效提高建模效率的得力助手，本文主要讨论的是如何利用自编软件-网架建模工具箱提高网架建模的效率。

二、常用软件优缺点

目前空间结构常用常用的软件主要有：MST、SFCAD、3D3S（国内）；SAP2000、STAAD、MIDAS GEN（国际）等；

1、前处理：SFCAD,MSTCAD、3D3S对于网格结构建模方便，特别是3D3S借助于AUTOCAD平台，对于复杂的空间网格结构建模也比较简单，特别是生成角锥、起坡等功能，能较为方便的生成各种复杂造型的空间结构。MIDAS及SAP2000做为通用的有限元软件，对于网格结构建模均不太方便。

2、有限元计算：国内外软件SFCAD,MSTCAD区别不大，基本都能进行上下部整体分析并进行满应力优化、动力分析，3D3S还能实现非线性分析和屈曲分析，但国外软件MIDAS、SAP2000无法无缝对接中国版规范，对于关键构件的设置，弦杆刚度连续性方面无法进行深入考虑。

3、后处理：SFCAD，MSTCAD、3D3S等国内软件结果显示方便，出图便捷。

MIDAS,SAP2000后处理显示结果直观明了，计算结果云图呈现方面效果绚丽，缺点是无法绘制施工图。因为本文仅讨论建模，相对而已国内软件比国外软件有明显优势，但是对于特别不规则的网架，实现起来难度很大，需要很多技巧，对与新手来说不易掌握，本人通过多年的研究，编程出网架工具箱，让建模难度大大降低，工程师用较少的学习成本就能学会，大大提高建模效率。

三、常用建模方法

1、软件中直接建模

利用专业的空间网格软件提供的前处理功能建模是最直接、最常用的方法。通过软件的帮助手册，掌握软件的建模功能，学习建模技巧。利用软件的前处理直接建模，大部分都通过“建模”和“荷载”这两个下拉菜单实现，包括网格、节点、单元、截面特性、边界条件和荷载的输入功能等。

2、DXF文件导入建模

虽然空间网格软件在前处理方面的功能已经非常强大了，但与专业的绘图软件相比，灵活性和方便性还是存在一些差距的。因此，我们仍然需要借助CAD软件生成DXF文件导入软件建模。

CAD中建模的常用方法：

1）在规则网壳的基础上局部修改坐标法

2）分区投影法

3）等高线法

4）函数修改法

3、利用EXCEL生成模型

这类最典型的就是利用EXCEL生成坐标数据，复制到计算软件生成复杂空间曲线模型。

4、利用二次开发软件生成模型《网架工具箱》

就是属于此类软件，效率往往比较高，但对研发者要求较高，一次耗费的精力较多，一旦研制成功，使用最方便，属于定制开发。

5、从其他软件导入建模

从其他的网格软件中导入模型，比如MSTCAD、Midas、3d3s等软件通过mgt数据格式实现模型互通。

五种建模方法的比较

四、DXF文件的技巧

下面分享一下利用AutoCAD绘制三维结构模型生成DXF文件，再导入其他软件生成模型的经验和技巧。

1、把三维空间划分为几个区域

人为把三维空间划分为几个区域，在每个区域设相同的标志（或参考坐标），一个区域用于放置整体模型，其他区域可以模型的局部。这样做的目的就是要方便把部分内容移出来，为了方便识别和修改。标志一定要有完全相同的尺寸，因为标志的各个点都有可能作为移动的参考点。在俯视图、侧视图等情况下，不要用标志的原点做移动的参考点，因为这是很难确定捕捉到的是否是原点。要合理选择个标志的位置和间距，使得各个区域的图形在主要的视图下不互相遮挡。

2、图层筛选

在很多情况下，我们需要设很多个图层，特别是在可以通过某种方法将分层信息导入到计算数据中时。这时可以对图层严格根据某种规则命名，然后利用AutoCAD图层管理工具的图层筛选功能对图层分组。这样可以方便对多个图层统一处理。这样可以快速选中了全部表示杆件的图层等等。

3、使用用户坐标系

在绘制三维结构模型时，有时调整坐标系是非常有用的。适当调整坐标系的原点有时会减少很多尺寸换算工作。当部分构件和世界坐标系有夹角时，适当调整坐标系会使工作大为简化。

4、保存几个视图

AutoCAD的内置的几个视图一般不能满足我们的要求，适当保存一些常用的视图是很必要的。AutoCAD提供了这个功能。设好的视图可以用上图所示的工具栏方便地调用。

5、图形整理

很多人的三维图纸是并不是自己从头开始画的，这些图很多地方不适合用做结构计算模型，即使自己画的图，也有不适合用作结构计算模型的。主要问题包括：杆件的连接点处的坐标不完全相同、杆件在节点处没有断开等、有重复线等。图形整理建议使用相关软件进行，例如探索者的图形整理功能，可以将线在交点处断开、处理重复线等。

6、重视中间检查

需要导入DXF文件的工程，一般规模都很大，如果到最后再检查差错，处理起来会很麻烦，不对模型输入的正确性做检查更是很危险的。结构连接检查，经常遇到的问题是，不同杆在同一节点处的坐标有小的误差，使这里出现多的节点，造成杆件实际并没有连接。建议在模型导入后，先利用结构自重计算一次，然后查看变形情况，很容易发现上面的问题。总之，输入荷载前，能做的检查尽量多做，这样往往会避免很多以后的麻烦。

7、利用数据绘图

有时我们没有图形文件，而是有一些数据文件（数据还需要补充或修改），例如节点坐标、杆件关联等，这些信息是可以变成图形的。我常用的方法是，利用EXCEL整理，形成可以在MIDAS的MGT文件。也可以把信息复制到计算软件的数据部分，形成模型，再导出DXF文件（是否需要绕这一圈要根据具体情况考虑）。

8、综合利用视图和用户坐标系

利用视图和用户坐标系可以把很多空间制图的工作变成平面制图。例如利用AutoCAD自带的左视图、前视图等，可以很方便地把各框架变成用平面制图方式，如果再用移到用户坐标系原点的命名（有快捷键）把坐标原点移到框架平面内，那就更方便了。

五、通过dxf文件导入时需要注意的问题

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可以选择需要导入的图层，对于不需要导入的图层需要删除，导入仅仅只能导入line，对于pline需要炸开，对于arc需要采用等分成直线处理；
导入时需要注意单位，当单位不一致时可以通过放大系数进行控制，或者导入模型后通过调整节点距离进行控制；
对于定义为块的线或面要炸开后再导入，否则读取不了；
CAD建模有重复的线条时导入的模型有重复的单元，导入后需要删除重复单元；
利用节点合并功能把CAD中作图中有偏差的点合并。

六、写在最后

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对于绘惯了用PKPM建模的结构工程师，刚开始接触三维的有限元软件多少会有些不习惯，通过本文的介绍，可以方向学会三维软件建模也不是很复杂的事情，只要我们针对具体项目具体分析，灵活掌握，多实践，这样才会明白各种建模方法的真谛，融会贯通，纵横捭阖，提高建模能力，提高设计能力和水平。我的精品课《跟着大师学设计》-基于PKPM、3D3S、mst、midas和自编软件网架工具箱进行异形钢结构建模设计。

以下是大纲安排：