门窗幕墙结构设计用到有哪些计算软件?(下)

门窗幕墙系统结构设计的重要性在于确保建筑物的安全性、功能性和美观性。它涉及到材料的选择、结构的稳定性、热工性能、密封性能以及与建筑整体设计的协调性等多个方面，对于提高建筑物的能效、减少能源消耗、提升居住舒适度以及延长建筑使用寿命都具有至关重要的作用。而对于幕墙设计师来说，熟练掌握门窗幕墙相关的结构设计软件对其职业发展来说更是至关重要，它可以提升了设计师自己的专业能力和市场竞争力。

那么对于咱们设计师，应该掌握哪些结构设计相关软件呢？以下用上下两期作一下相关介绍，当然也仅仅分类列举了一些常用的门窗幕墙结构设计软件供大家参考，并不全面，另外各个软件特点虽不同，但实际原理大体相同，由此可见设计师修炼内功的重要性，只有掌握了其原理，才能够触类旁通，让软件在自己手中发挥出真正的威力。本期谈一下门窗幕墙结构设计可以用到哪些有限元软件。

一、结构计算

1、有限元式（整体分析）

1）3D3S Design 结构分析软件（http://www.tj3d3s.com/）——掌握难易程度：★★★★

3D3S软件是一款专业的钢结构和空间结构设计分析工具，由同济大学独立开发，拥有自主知识产权。它具备强大的建模、分析和优化功能，适用于建筑、桥梁、铁塔、厂房等多种结构的设计与分析。软件内置丰富的节点库，支持从概念设计到三维实体深化加工的设计流程，并能进行大跨空间结构和高耸结构的稳定性分析、屈曲分析以及预应力钢结构非线性分析。此外，3D3S还提供了便捷的导入导出功能，支持多种数据格式，以及灵活的荷载施加与组合，是结构工程师在复杂钢结构设计中的重要辅助工具。

2）Sap2000通用结构分析设计软件（https://www.cisec.cn）——掌握难易程度：★★★★

SAP2000是一款集成化的通用结构分析与设计软件，由美国Computers and Structures, Inc.（CSI）公司开发。它支持建筑结构、桥梁、工业建筑等多种结构类型的分析和设计。主要功能包括强大的建模能力，如二维和三维模型创建；全面的分析功能，涵盖线性静力分析、动力分析、时程分析、模态分析和Pushover分析等；以及遵循多国设计规范的结构设计能力。SAP2000还提供直观的图形用户界面和灵活的数据导入导出功能，使其成为结构工程师的强大工具。

3）Midas GEN通用结构分析设计软件（https://www.midasuser.com）——掌握难易程度：★★★★

MIDAS Gen是一款集通用有限元结构分析与设计验算于一体的软件，它支持多种构件类型和分析方法，并融入了多国设计规范。主要功能包括七自由度梁单元分析、建模助手、编辑器及计算器、自动网格和映射网格划分功能、GPU计算加速、多种静力和动力分析以及结果查看等。此外，Gen还提供了能量图输出功能、线性动力分析、任意截面设计器、混凝土预应力分析、储罐建模助手、波浪荷载分析等高级功能。

3D3S、SAP2000和MIDAS Gen三款软件在幕墙结构设计中各有优势。其中，3D3S以其对钢结构的建模、计算和绘图的超强功能，成为钢构厂家和设计院的主流选择。SAP2000则以其通用的建筑结构分析与设计能力，特别在非线性分析方面表现出色，适用于复杂几何形状、材料属性和边界条件的精确结构分析。MIDAS Gen则在复杂结构和空间特构方面有明显优势，支持多种结构类型的分析与设计，并融入了多国设计规范。差异化方面，3D3S更侧重于钢结构设计，SAP2000在非线性分析和多场景应用中表现更全面，而MIDAS Gen则在多国规范集成和复杂结构处理上更具优势，我们幕墙结构设计方面，对于一些非常规的空间异形幕墙结构的骨架设计往往选用它们进行有限元分析（比如异形钢结构骨架、广告牌、采光顶、雨篷结构等等），这三款软件都是经过大量工程实际应用支撑的，结果可靠，当然具体来说应用的门槛也相对较高，需要使用者结构分析的理念相对清晰。

2、有限元式（节点分析）

1）Ansys workbench集成仿真平台（https://www.ansys.com/products/ansys-workbench）——掌握难易程度：★★★★★

Ansys Workbench是一个集成的仿真平台，它将Ansys的多种物理场仿真工具集成在一起，提供结构力学、流体动力学、电磁场、热力学等多物理场仿真功能。它支持从CAD和网格划分到物理仿真和后处理的整个流程，允许用户在同一个位置中访问所有Ansys产品。主要功能包括仿真工具链自动化、设计探索提高洞察力、基于AI/ML的设计优化、鲁棒性评估和风险量化，我们结构上主要用它的结构分析功能模块，尤其对于节点分析功能尤其强大。

2）Abaqus有限元分析软件（https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/abaqus/）——掌握难易程度：★★★★★

Abaqus是由达索系统公司开发的高级有限元分析软件，它能够处理从简单的线性问题到复杂的非线性问题，包括静态应力/位移分析、动态应力/位移分析、热传导分析、质量扩散分析、多物理场耦合分析等。Abaqus的主要模块包括ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit和ABAQUS/CAE，其中ABAQUS/Standard用于求解广泛的线性和非线性问题，ABAQUS/Explicit适用于求解高度非线性瞬态问题，如冲击和爆炸等，而ABAQUS/CAE提供了强大的前后处理功能，一般我们在幕墙或钢结构设计中用到的都是standard模块，也是用它的实体建模，做好接触设置分析一些复杂的节点受力。

3）Midas FEA土木仿真软件(https://www.midasoft.com/product/fea-nx)——掌握难易程度：★★★★

Midas FEA是一款已经全部中文化的土木结构专用仿真分析软件，它采用midas FX+的核心技术进行几何建模和网格划分，并运用midas强大的线性与非线性分析内核，能够进行线性分析、材料/几何/界面非线性分析、CFD分析、水化热分析、接触分析、钢筋单元模拟、裂缝分析、粘结滑移分析、疲劳及势流分析等。Midas FEA以其高效准确的分析能力，成为土木领域高端非线性分析和细部分析的重要工具。

4）Midas Meshfree无网格仿真分析软件（https://product.midasit.cn/index/products-meshfree.asp）——掌握难易程度：★★★★

Midas MeshFree是由MIDAS公司开发的一款无网格划分仿真分析软件，它基于隐式边界法（IBM）技术，允许设计工程师在无需创建网格的情况下进行模拟分析。该软件的主要功能包括线性静力/非线性静力分析、热传递/热应力分析、线性动力分析（瞬态响应、频率响应、反应谱、随机响应）、拓扑优化分析、疲劳分析等。MeshFree通过简化的三步骤流程——导入CAD模型、输入载荷和边界条件、查看分析结果——显著减少了设计周期，使工程师能够将更多时间投入到设计和创新中。MeshFree采用了最新的无网格技术，实际上将传统有限元软件的网格细分操作做了相应的简化，对于结构师来说也更加友好。

在幕墙结构分析方面，Ansys Workbench、Abaqus、Midas FEA和Midas Meshfree四款软件各有其特点和优势。Ansys Workbench以其强大的多物理场耦合分析能力，在幕墙结构的热应力、风载分析等方面表现出色，能够提供详细的模拟结果和优化设计。Abaqus则以其非线性分析和材料建模能力，在幕墙结构的复杂受力分析和动态响应分析中占据优势，特别适用于模拟幕墙在极端荷载下的行为。Midas FEA凭借其全部中文化的界面和强大的线性与非线性分析内核，在土木工程领域，包括幕墙结构的仿真分析中表现突出，尤其适合于进行结构的稳定性和承载力分析。Midas Meshfree则以其无网格划分技术，在幕墙结构分析中提供了一种新颖的方法，通过隐式边界法（IBM）技术，无需模型简化及网格划分便可直接进行分析，大大简化了分析流程并缩短了设计周期。差异化方面，Ansys Workbench和Abaqus在多物理场耦合分析方面有优势，Midas FEA在土木工程领域应用广泛，而Midas Meshfree则以其无网格技术在设计阶段提供快速准确的分析能力，特别适合于快速设计和方案比对。

二、热工计算

1）Therm&Windows门窗热工仿真分析软件(https://windows.lbl.gov/window-software-downloads)——掌握难易程度：★★★★

Therm软件由著名的美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）开发，是当今建筑行业中广受欢迎和广泛应用的围护结构热工性能仿真计算工具之一。该软件采用先进的有限元方法，从而能够高精度地分析和模拟各类幕墙、门窗框架及其他建筑构件的热工性能。这种精细化的分析能力使得Therm在处理复杂截面和多变边界条件时表现尤为出色。其强大的功能和可靠的计算结果，不仅帮助建筑设计师和工程师进行能效评估及优化设计，还提高了整体建筑项目的能源效率和舒适度。目前，Therm已经在国际建筑行业中得到广泛认可和应用，Windows则提供玻璃数据库供Therm选择。

2）粤建科MCMQ门窗幕墙热工计算软件(http://www.gdii.com.cn/)——掌握难易程度：★★★★

粤建科MQMC软件是一款专业的建筑门窗幕墙热工计算软件，它具备玻璃系统光学热工性能设计计算、框二维传热有限元分析计算、整窗和整幅幕墙热工性能计算等功能，为幕墙门窗企业、玻璃企业、设计院及科研院所提供权威、准确、高效的计算工具。软件操作简便、功能强大，是国内门窗幕墙企业、玻璃企业进行节能设计、计算的首选软件。

Therm和MQMC软件在门窗幕墙节点热工分析中应用广泛，各有特点。Therm软件，由美国劳伦斯伯克利国家实验室开发，采用有限元方法分析幕墙、门窗框架的热工性能，能够精确分析复杂截面的热工性能。而粤建科MQMC软件，依据中国标准开发，包含玻璃系统光学热工性能设计计算、框二维传热有限元分析计算、整窗和整幅幕墙热工性能计算等功能，特别适用于中国气候条件和标准，两者使用起来操作流程差不多。差异化方面，Therm软件更符合美国NFRC标准，而MQMC软件则符合中国《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》要求，具有创新性及实用性，达到国际先进水平，另外对于建模来说MQMC软件也更友好，不像Therm软件严格的建模要求动不动就报错。

三、辅助计算

1）Dlubal Rwind风洞仿真分析软件（https://www.dlubal.com/zh/products/stand-alone-structural-analysis-software/rwind）——掌握难易程度：★★★

我们在进行幕墙结构计算时，对于一些复杂的建筑形态时，有时会遇到体型系数取值拿不准的情况，此时传统的做法往往是参考《荷规》表8.3.1的典型建筑体型系数采用相似性原则取值，而实际上风荷载在建筑表皮的分布到底式怎么样，我们谁都不清楚。所以规范要求对一些重要且复杂的建筑建议采用风洞试验的方法确认其体型系数的取值。传统的风洞试验虽然是一种重要的实验方法，多用于研究物体在气流中的行为，但它也有分析成本高昂、时间长、规模限制和环境限制等缺点和局限性，正式基于这些传统缺陷，随着技术的发展，风洞试验和CFD模拟越来越多地被结合起来使用，以充分利用各自的优势。

Dlubal RWIND软件是一款强大的CFD风洞模拟工具，它通过集成高效的计算流体动力学技术、直观的模型修改、自动网格划分、并行计算能力以及丰富的结果输出，可以为我们提供灵活、精确且高效的解决方案，以模拟和分析建筑结构上的风荷载，同时支持多语言界面和与RFEM、RSTAB等结构分析软件的无缝集成，使其成为结构工程师在风荷载分析和设计中不可或缺的工具。

与传统风洞试验相比，Dlubal RWIND软件的优势主要体现在以下几个方面：

免责声明———————————————————————

本公众号部分转载的文字、图片源于互联网，转载此文是出于传递更多信息和非商业性教育科研目的，版权归原作者所有、若有来源标注错误或原作者不同意转摘的，请作者持权属证明与本人联系，我将及时更正、删除，感谢。