14.5 midas系列软件
14.5.1 midas Gen
midas Gen是一款主要面向建筑结构分析与设计的通用有限元软件，目前在世界各地的大中型工程项目中应用多年，用户遍及亚洲、欧洲、美洲的国家和地区。自2002年正式进入中国以来，被应用于国内各地超高层、体育场馆、钢结构、特种结构等各种类型的项目。
midas Gen的应用范围较为广泛，对于空间结构或有层概念的结构都适用，其分析领域遍及常规民用多、高层结构，工业厂房、水池、筒仓，大跨体育馆、体育场，送电站、煤场等电力系统构筑物。且midas Gen较为特色的组阻尼分析功能，对于钢、混凝土混合结构的抗震分析尤为适用。
1 混合结构(钢结构+混凝土)的抗震分析
1)在midas Gen中，针对三种混合结构：①剪力墙为混凝土，框架部分为钢结构或型钢混凝土；②主体结构为混凝土，局部有钢结构网架；③下部为混凝土，上部为大跨钢结构空间)皆可按规范要求将钢结构与混凝土构件在同一模型中建立，进行整体分析。此外还可以按《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第10.2.8条建议的方法，依据应变能原理，将钢结构、混凝土分别定义不同阻尼比，进而求出每个振型的各独立的阻尼比用于周期及反应谱计算，更为准确地模拟地震作用。
Gen中操作流程为，依据材料不同分别定义结构组——结构组分别定义不同阻尼比——反应谱荷载工况中的阻尼比计算方法选择“应变能因子”——勾选“修改阻尼比”——运行分析。
2)注意事项：
①由于该计算模式需要分别计算每个振型的阻尼比，因此在模型体量较大、振型数量较多时，计算速度会受到一定影响。
②钢结构有可能会产生较多的局部振型，导致结构质量参与系数较难达到90％。此时可在Gen中尝试使用“多重Ritz向量法”计算特征值，该算法具有较快的收敛速度，通常其他方法计算150个阵型也无法满足要求时，采用多重Ritz向量法45个振型即可使质量参与系数达到90％以上。
③在Gen中查看结果时，可以在“结果——组阻尼计算的各振型阻尼比”查看各个振型的阻尼比，通过该数值可以推断出各振型不同材料的单元参与振动的程度；在进行隔震消能结构的静力弹塑性分析(Pushover分析)时，主振型的阻尼比值也作为结构的固有阻尼，进行性能点的计算。
④“组阻尼”分析功能，还可以应用于计算隔震消能装置的边界非线性分析中，操作流程大致相同，区别在于需要将隔震支座或消能器设定为对应的“边界组”，而后设定边界组的阻尼比，最后程序同样会计算出各振型的真实阻尼比，进而可以直接将真实的反应谱计算结果应用于设计，无需采用常规方法的多次导算。
2 静力弹塑性分析(Pushover)
1)在midas Gen中，静力弹塑性分析也是其较具特色的功能之一，在超高层的结构复核及超限审查之中，应用十分广泛。由于其对剪力墙采用了兼顾工程精度与计算速度的铰模型，因而使得计算效率大幅提高。
Gen中操作流程为，常规小震分析设计——在设计菜单中更新配筋——设定静力弹塑性分析工况——添加铰特性并分配至相应的单元——运行分析、查看结果。
2)注意事项：
①严格来说，小震下的设计结果应不出现“NG'’的构件，但往往实际项目很难做到，我们尽量将其控制在一个较低的水平。否则超筋的构件承载能力会被高估，计算时该构件很难发生破坏，但是会引起该构件周边构件的破坏，而这些构件原本是不应该破坏的。
②对于释放了梁端约束的构件，添加铰时，应选择“弯矩-曲率”类型的特性，否则该构件的承载力会被高估。
③铰特性中内力分量的选取，严格意义上应该将所有的内力分量全部选择，但在实际操作时，考虑到构件的构造特性及规范、设计经验的处理方式，我们一般选择最容易发生破坏的内力分量即可。例如，梁构件一般只分配“My”、“Mz”即可，竖向构件一般也不考虑“Fx” (轴力)分量的屈服特性。这样处理可以大幅提升计算效率，且对精度的影响很小。
④Pushover的结果查看，不仅可以看到性能点(PP点)处的结果，还可以查看性能点后、乃至破坏之后的任意步骤结果。此外，除在静力弹塑性(Pushover)分析控制中定义的步骤外，用户可以指定一些子步骤查看附加的分析结果，例如查看某特定基底剪力(如小震剪力)或特定控制位移时的分析结果。
⑤所有的结果都可以通过彩色云图或动画的形式进行查看(如各构件铰的发展随时间变化情况等)，可自行根据需求在屏幕左侧的对话框中勾选，进而将结果直接应用于超限报告中。
3 施工阶段分析
1)在midas Gen中，施工阶段分析的实现也是较为便利的。各软件在实现复杂施工阶段的操作时，原理大致相同，都是首先将整体结构进行分组。以Gen为例，按类别的不同可分为“结构组”、“荷载组”、 “边界组”；接着将各个不同类别的组，按照施工顺序，在不同的施工步骤中进行“激活”或“钝化”，来实现结构搭建或拆除的过程。
这里建议用户尽量使用“拖放”的功能来实现各个组别的指定。例如，首先依次定义好结构、荷载、边界各组，接着选择第一个施工步骤的单元，而后使用“拖放”的方式将第一个结构组赋予这些单元，接下来双击选择该结构组，再用“拖放”的方式将第一个荷载组赋予这些单元，这样这些单元上所添加的荷载便直接归属于第一个荷载组了。以此类推逐次赋予各个组别，可很快完成施工阶段分析的准备工作。
Gen中操作流程为，定义并分配时间依存材料——按常规流程建立模型、添加荷载及边界条件——定义并分配各结构、荷载、边界组——定义施工阶段及控制信息——运行分析、查看结果。
2)注意事项：
①定义时间依存材料时，构件的理论厚度可以填“1m”，程序会自动计算。
②用于施工模拟的荷载工况，一定要将荷载类型指定为“施工阶段荷载(CS)”。
③两个“材龄”的区别。定义收缩徐变时的“材龄”指的是：浇筑后混凝土开始收缩的时间；而施工阶段控制的“材龄”一般为：从混凝土浇筑到拆除脚手架，结构开始工作的时间。
④查看结果时，可以查看每个施工阶段的结果，也可查看各构件在所有施工阶段中最不利的结果，还可以查看最后阶段后其他工况作用的结果。
⑤结果中容易混淆的两个结果。Up to casting：下层荷载引起的本层竖向位移，主要用于施工中抄平；Sub to casting：本层+以上层荷载引起的本层竖向位移，施工阶段的真实结果，可用于确定预留高度。
4 mdias Gen常见问题及重点参数选取
1)Gen中“模型——建筑物数据——定义层数据”，选择是否考虑刚性楼板。Gen中刚性板为“强制全楼刚性板假定”，即层高上所有节点平面内自由度(DX、DY、RZ)全部约束。在添加其他类型的约束(如刚性连接、外界的铰支座等)时，需要注意无需约束上述3个自由度，否则会导致重复约束的错误发生，程序会自动解除其中一个边界条件，使得分析失真。而且在添加温度荷载时，一般情况下不考虑刚性板假定，否则温度的热胀冷缩效果与刚性板假定会有冲突，导致计算有误。
2)Gen中“模型——结构类型——将自重转换为质量”。在进行反应谱分析之前，需要将结构自重与外加荷载转换为质量，Gen结构自重可以且必须在此菜单下转换为质量。例如即使自重包含在恒载工况中，而且该工况也成功转换为质量，自重部分也不会跟随其他荷载类型一起转换。
3)Gen中“模型——边界条件——刚性连接”。刚性连接需要设定主、从节点，若主节点移动，从属节点会跟随移动，因此从属节点不可以添加外部支撑条件，否则会引起逻辑混乱。
4)Gen中“工具——截面特征值计算器”。用于结构的截面形式较为特殊，程序自带的截面库无法满足要求时，可以使用CAD自行绘制截面，而后导入截面特征值计算器中，进行截面物理特性的计算后，保存为程序可以识别的.sec文件，之后在“截面——数值——任意截面”中选择“SPC导入”即可用真实的截面进行结构计算。
5)Gen中“荷载——反应谱分析数据——反应谱荷载工况”。其中“自动搜索角度”的“最不利方向”与“正交方向”应当成对使用，所谓“正交方向”是程序计算出“最不利方向”之后，添加90°而得，与自定义的“地震作用角度”无关。至于具体最不利角度为多少，可在计算完毕后返回该菜单查看。
6)Gen中“分析——特征值分析控制”。选择“子空间迭代法”时，需要注意对话框右下侧的“子空间大小”一项若按默认的“1”进行计算，有可能导致计算不收敛而报错。“子空间大小”的取值要求为大于等于min｛振型数+8，振型数×2｝。
14.5.2 midas Building
midas Building是一款主要面向标准层结构的分析与设计的通用有限元软件，如果说分析是midasGen的强项，那么midas Building的特点就在于与中国规范相结合的设计功能。midas Building的功能企划在Gen高效稳定的分析内核基础上，Building的前后处理及施工图绘制模块皆按国内习惯进行了调整与优化。而后Building于2011年底已完成全部四本新规范的贯入工作。
midas Building共包含四个模块，分别为作为核心计算模块的“结构大师”、“基础大师”，绘制上、下部结构施工图的“绘图师”，以及建模的辅助工具“建模师”。可以用于混凝土结构、钢结构及层概念较为清晰的混合结构(与midas Gen一样可以考虑组阻尼)的常规分析设计、静力及动力弹塑性分析、楼板详细分析，转换结构细分模型的整体分析，各种类型基础的协同分析设计等。
1 动力弹塑性分析
1)在midas Building(建筑大师)系列程序中，动力弹塑性分析功能，在保证计算精度的基础上对操作方式进行了大幅简化。可以实现“一键式操作”，同时所有菜单又保持开放状态以满足高端用户自由调配参数的使用需求。用于计算构件塑性的钢筋信息，可以使用计算配筋面积×超配系数，同时也可以借助绘图师直接读取梁、板、柱、墙等各构件的实配钢筋，这样与实际情况更为相符。计算完毕后，提供表格、图形、动画、铰状态、各节点或楼层的位移及内力时程曲线等结果，可直接用于超限审查报告。
2)操作流程：
①依照规范要求选取合理的地震波。
②定义动力荷载工况。
定义地震波输入方向、步长、结果输出步骤、迭代参数、初始荷载值等。可一键自动生成，亦可自行定义。需要注意的是，定义多方向地震波时，规范要求其中一个方向为主方向，另一个方向为次方向，通过调整地震波的调幅系数，将二者EPA的比值调为为1：0.85。定义工况时输出步骤的选项可以控制每0.2s输出一次结果，这样会节省结果整理时间并减少结果文件的大小，但是并不影响精度(程序会自动取结果的包络值，例如当查看0.4s结果时，程序会自动输出0.2-0.4s之间最大的结果)。
③定义并分配铰特性
依据构件材料或动力特性的不同，定义铰特性值，并将其分配到相应的构件上，可以一键自动生成。对于无法自动生成铰特性的构件或对自动生成的铰特性不满意，可以自行按规范计算该类型构件的极限承载能力，而后以此数据自行定义铰特性，手动添加到该类型构件上。
④运行分析。
⑤依次查看表格、图形、时程曲线等结果。关键结果为层间位移角、底部剪力、构件的铰状态等。
3)注意事项
①添加地震波时，要注意当地场地类别的选取，否则会影响地震波的EPA调幅系数。
②若自行导入地震波，需注意单位gal与g的转换，否则会影响持时的计算结果。
③初始荷载的加载步骤数，可以适当增多，以近似模拟施工阶段的最终内力状态。
④动力弹塑性分析通常计算时临时文件数量巨大，需要留有足够的硬盘空间(至少50GB)，否则算至一半会前功尽弃。
⑤计算过程中可以随时手动终止运行，程序会保留运算到最后一个步骤的所有结果。
⑥弹塑性分析通常分析时间较长且难以一次性成功，需要足够的耐心。目前主流配置的台式机，计算150m框筒结构，计算单条地震波的预估的计算时间为16h-24h。
⑦若工程师对结构体系有足够掌控，可酌情处理非主要构件(如直接删除次梁)，或不在强度很高的构件上添加铰(例如SRC构件)
2 性能设计
1)在midas Building(建筑大师)系列程序中，可以按《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010的不同要求分别进行性能设计。可以制定结构的整体性能指标，同时亦可对有特殊要求的构件(如转换梁等)单独指定。计算完毕后提供表格、图形、文本等格式的计算结果，可直接用于计算书的整理。操作流程为：
①进行常规分析设计(必须做反应谱分析)。②生成动力弹塑性分析数据。③在主菜单中点击性能和优化设计中“性能设计控制”——选择《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010或《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010——选择对所有构件进行性能设计还是对局部构件做性能设计——选择承载力控制性能目标——输入层间位移角控制性能目标。④在主菜单中点击性能和优化设计中“构件目标控制”，指定具体构件的性能目标。当所有构件的性能目标相同，且所有构件均做性能设计时可跳过该步骤。⑤在主菜单中点击性能和优化设计“运行设计”，开始进行性能设计。⑥在树形菜单的性能和优化设计目录下确认承载力验算结果和层间位移角验算结果(或在主菜单中性能和优化设计中“性能设计结果表格”中查看)。⑦如果不满足预定目标(出现红色)，则需要调整截面或配筋重新计算，重复上述程序流程，直到满足预定目标为止。
2)注意事项：
①注意依需求选择《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010或《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010，选择《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010时，只能单独指定构件进行性能设计。
②单独指定构件性能指标菜单的权限，要高于整体指定结构性能指标菜单。
③性能设计的运算原理为动力弹塑性分析，因此需要选取适合的地震波、滞回模型。而且如果之前曾经运行过动力弹塑性分析，会覆盖掉原结果，因此建议另存为一个模型单独进行性能设计。当模型较大时，运算时间往往较长，为了提高分析效率，建议尽量选取关键构件及部分耗能构件做性能设计。
3 自动校审
1)在midas Building(建筑大师)系列程序中，各个模块都提供自动校审功能，其基本原理是由程序自动协助工程师验证模型建立或计算结果的正确性及合理性，其参照对象为规范、强条或程序内建规则(如结构大师即为规范或强条，建模师为程序内建规则)，对验证不通过之处，指出具体位置并提出修正方案。
2)操作流程(以结构大师为例)：
①填写自动校审菜单首页并勾选其余各页的校审项。
②运行自动校审。
③右侧树形菜单中，黑色条款为通过校审，灰色条款为未校审该项，红色条款为未通过校审。
④在红色条款上点击鼠标右键，弹出条款对应在规范中的校审依据，点击左键可以打开规范电子版相应章节。
⑤红色条款上双击鼠标左键，弹出错误修正窗口，内含建议的修正错误方法及错误位置链接按钮；进而点击错误位置，则会弹出相应对话框，并以红色字体将错误位置着重显示。
3)注意事项
①自动校审与分析设计是两个独立的过程，即使校审未通过，也不会影响分析过程，是否进行修正需要工程师自行判断。
②建议在模型建立完毕尚未分析之时，即运行一次校审，以便检查模型建立的正确性；分析设计完毕后再行校审，以检查结果的合理性及设计的经济性。
③所有的校审配置，都可以进行保存，以备日后其他模型调取使用。
④midas Building的四个模块都包含校审功能。
4 重点菜单的参数选取
1)Gen和Building中，若希望更改材料容重，需要遵循如下操作：定义材料的菜单中，首先选择材料的大类(如混凝土或钢材等)，接下来选择材料的规范，而后选择材料的强度等级(如C30、Q235等)，此时材料的容重数据是表示无法更改的灰化处理，最后将规范选为“none”此时容重数据栏变为白色，自行填写数据即可。上述操作的含义是，在原始数据库中材料的基础上进行局部修正。不建议直接采用“用户定义”材料的方式，同为有可能引入人为输入的误差。
2)Building中，多塔处理有两种方式：一种是在建模之前就在菜单“标准层和楼层”中将塔块定义好，建立楼层数据时即分塔块建立；另一种是先不分塔，整体模型建好之后，在利用“定义塔”的命令，将塔块分割即可。需要注意的是暂时不支持将两个分好的塔块合并，因此建议在分塔之前另存一个模型；Building支持分塔块调整0.2Q0，可以在菜单“分析设计——控制信息”中将各个塔块及底盘分别进行调整；此外分塔与否对模型的分析没有任何影响，有影响的是结果输出及设计结果。
3)Building中，标准层视图与楼层视图有较大差异，使用时需额外注意。标准层视图下，任意更改都会引发所有同标准层楼层的变化。楼层视图下，任何更改都是仅针对所更改的部分发生变化，不会影响同标准层的楼层，且如果更改了该楼层的节点信息，则会自动生成一个标准层，若更改截面、材料、荷载、厚度、层高等信息，则不会生成一个新标准层。
4)Building中，添加荷载时，仅有楼面荷载的数值遵循“以正为负”原则，其他类型如梁、墙荷载等，都以“坐标轴方向”判断数值的正负。
5)Building中“荷载——荷载控制——活荷载控制”，Building的活荷载不利布置算法与其他程序不同，是在整楼的刚度矩阵下进行计算的，因此某一层的活荷载不利布置对该层及该层以下的其他楼层都有影响。若考虑与其他程序比对，建议不勾选此项。
6)Building中，若由模型是其他程序导入的，那需要注意是否存在楼板。Building中楼板是很重要的单元，它会影响各种楼板的假定、梁刚度放大、楼面荷载的施加等诸多因素。因此若导入的模型没有楼板，则必须在真实存在楼板的位置将楼板补充建立。此外，Building中不可以定义“0”厚度板，若要在不建立楼梯的情况下模拟楼梯间的荷载传递，可以先任意定义一块楼板，而后将该楼板的属性通过菜单“构件——替换构件特性——楼板类型”更改为“只传递荷载的虚板”，这样处理后该楼板没有重量和刚度，仪用于传递荷载。