摘  要：弦支穹顶结构作为预应力空间结构，其设计与施工过程分析具有参数化性与迭代性。而SAP2000广泛应用于工程设计领域，但其前、后处理功能相对较弱。自从V11版后开放API接口功能，即应用软件的编程接口。通过API可以方便的调用SAP2000软件实现结构模型的自动建立、分析与结果输出。本文以弦支穹顶结构在SAP2000软件设计与施工过程分析基础，介绍API技术在提高弦支穹顶设计效率的应用。通过分析三亚体育中心体育馆工程张拉施工过程证明了程序的可行性，也表明API技术结构分析领域有较好的实用价值。

关键词：SAP2000   API  弦支穹顶结构  设计  施工过程分析 

1 SAP2000•API技术简介

SAP2000是一个功能强大的软件工具，能够应付几乎所有的结构分析计算的要求。但在实际应用SAP2000进行工程设计的过程中，前后处理的工作会占用工程师的大量时间和精力。

自从V11版后开放API接口功能，即应用软件的编程接口，通过API可以方便的调用SAP2000软件实现结构模型的自动建立、分析与结果输出对比。为此工程师仅仅需要知道一些简单的Basic编程语法即可利用API技术在Office软件（Word、Excel等）上自动生成计算书和分析图表，在AutoCAD上自动绘制施工图等重复性强的工作。

2 弦支穹顶结构设计与施工过程分析流程

弦支穹顶概念于1994年由日本法政大学川口卫教授首次提出。它是由R.B. Fuller 在20 世纪40 年代提出的张拉整体结构演变而来，但由于当时施工条件、材料及理论水平的限制张拉整体结构很难大范围的推广。

弦支穹顶结构由上层单层球面网壳和下层环索、斜索通过竖杆连接而成的杂交空间结构形式。下部索杆体系的拉索为高强材料，使钢材的利用更加充分，结构自重及造价因此降低，通过对下部索杆体系的拉索施加预张力，对上部网壳产生反向的变形和内力，使之在荷载作用下杆件内力和节点位移均小于相应的单层网壳。同时边界约束也大为降低，使弦支穹顶在跨越更大跨度方面具有较大潜力。

同时弦支穹顶结构具有建筑美观、结构节省、施工简单、综合性价比高等优点。在中国应用不过十余年的光景，工程项目十余个，其前景非常广泛。

作为一种新型杂交的预应力空间结构体系，弦支穹顶结构在设计与施工具有其特殊性。由于预应力的引入将调整结构杆件的内力分布，在前期的初步设计阶段需作大量的对比分析工作对结构形式进行优选，例如矢跨比、撑杆高度、网格和撑杆体系密度等。如果依靠手工调整计算模型及数据整理，设计周期会非常长，但借助API技术可将设计变为“参数化”设计过程，因为在初步设计阶段结构设计合理与否的评判标准取决于几个关键的计算结果。为此在参数化设计之前，有必要了解弦支穹顶的设计及施工过程分析流程。

2.1弦支穹顶结构设计流程

与网壳结构相比，弦支穹顶结构的设计要素还包括索杆体系的布置及初始预应力等。主要设计内容如下表所示。

表1 弦支穹顶结构主要设计内容

结构设计控制目标包括：刚度、强度、稳定性、索力等。

表2 弦支穹顶结构结构设计目标

通过上表可知，与传统中国建筑金属结构信息网相比弦支穹顶结构设计关键控制目标是结构整体稳定性和拉索在全生命过程的索力值。

2.2弦支穹顶结构施工过程分析流程

预应力中国建筑金属结构信息网和普通中国建筑金属结构信息网的本质区别是预应力中国建筑金属结构信息网需主动对索（拉杆）施力，而普通中国建筑金属结构信息网仅是被动承受重力荷载等。根据弦支穹顶结构的施工和使用过程，其状态可分为以下三个阶段：放样态、预应力平衡态、工作状态。

同时弦支穹顶结构不同于张弦结构，其下部索杆体系呈空间分布，在预应力张拉过程每一圈索杆都是相互影响的。因此确定合理的张拉顺序是确保张拉完成后的内力分布是与设计结果一致的有利保障，并且也可以减小现场人工“迭代”的次数，即张拉前应进行预应力张拉施工过程仿真分析。此外在预应力张拉施工过程分析之前必需通过“找力”分析确定结构的初始预应力。

图3正装法预应力张拉过程分析流程

3 SAP2000•API技术在弦支穹顶结构设计与施工中的应用

目前国内对弦支穹顶结构设计与施工分析通常利用ANSYS有限元软件进行整体屋盖稳定分析及施工过程验算，利用Midas或SAP2000有限元软件时进行体系静动力分析、构件截面验算等。由于ANSYS的参数化编程语言APDL给设计人员很大的发挥空间，同时也提升了弦支穹顶结构设计的设计门槛。

然而自从SAP2000的API技术推出之后弦支穹顶结构设计与施工分析工作也可在SAP2000的平台上变得“参数化”，同时操作界面较ANSYS也更加习惯、友好，更加有益于推广弦支穹顶结构在大跨度结构中的应用。

下面以弦支穹顶结构设计与施工过程的分析项目为例，基于SAP2000的API技术在Excel的VBA开发平台上介绍正装法施工过程分析以及辅助设计程序的开发。

3.1正装法施工过程分析

弦支穹顶结构张拉顺序通常从外环到内环进行第一阶段90%的预应力张拉，然后支撑体系主动卸载，最后从内环到外环进行第二阶段100%的预应力张拉。

由于每个阶段每环索力相对于最终张态索力均成等比例变化，以三亚体育馆中心体育馆的张拉施工过程为例，通过张拉环索共8个子步建立预应力，在预紧阶段（STEP1）环索建立10%的目标索力，主动落架后（STEP5）为90%的目标索0力，张拉完成后（STEP8）索力达到100%。可见利用SAP2000的施工过程分析通过迭代试算关键荷载步的初应变（通过应力与应变换算公式求得），即可控制STEP1、STEP5和STEP8的环索力。程序的编制思路如下图所示。

表3 预应力张拉各阶段环索索力

图4 程序运行流程

图5 源代码

图6 Excel交互式输入界面

3.2其它辅助设计程序的开发

在进行结构设计时，结构计算荷载组合工况包括恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载、温度荷载等。按照《预应力中国建筑金属结构信息网技术规程》第3.1.3和3.1.4款的规定：预应力中国建筑金属结构信息网应包括预计应力施工（单次或多次预应力方案）阶段和使用阶段的各种工况。对构件强度、稳定性以及连接强度的计算，应采用荷载效应的基本组合，对变形的计算，应采用荷载效应的标准组合值。预应力效应属永久荷载效应。

在进行诸如弦支穹顶结构设计时，结构计算荷载组合计算包括恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载、温度荷载等。按照以往类似工程经验，恒荷载有1种，活荷载有2~3种，风荷载有4~8种，地震荷载有3~6种，温度荷载有2种，针对上述的荷载作用，保守估计设计人员需要填写的极限承载力状态荷载组合数有48种。若人工输入费时费力，并且容易出现输入错误，影响最终的结果判断。但若通过SAP2000•API的SAPObject.SAPModel.RespCombo.Add函数并配以嵌套循环，即可实现荷载工况的DIY组合，方便快键，省时高效。

图7自动荷载组合输入与输出界面

4 结论

本文介绍了SAP2000的API技术以及弦支穹顶结构的设计和施工过程分析流程。并且以弦支穹顶结构在SAP2000软件设计与施工过程分析基础，

介绍API技术在提高弦支穹顶设计效率的应用。通过分析三亚体育中心体育馆工程张拉施工过程证明了程序的可行性，也表明API技术结构分析领域有较好的实用价值。

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