工程軟體如何產生計算結果？

　　許多工程師透過操作軟體，進行各式各樣結構之結構設計。然而，多數工程師不知道結構設計軟體是如何進行計算，亦即工程師僅是操作軟體之人員，並未使用過去所學之相關專業知識。以下，筆者扼要介紹結構設計軟體，是如何產生結構設計之計算結果，以供讀者參考之用。

　　結構設計軟體計算過程，其實「無異於」工程界早期結構分析和結構設計分開階段，僅僅是將結構分析結果直接導入結構設計程序，並根據各國結構設計規範計算所需取值之要求，進行樑柱板牆桿索之結構構件計算。之後，以需求荷載相較於構件強度之比值做為檢核值，以供工程師檢查強度不足或需修改尺寸之構件。在有限元素選擇方面，樑、柱構件採用樑元素，拉壓二力構件和鋼索採用桿元素，樓地板、剪力牆和承重牆根據短邊寬和厚度之比值，視情況採用殼元素或板元素，其中樓地板多採用殼元素，剪力牆或承重牆多採用板元素。在有限元素選擇方面，無需工程師進行元素之選擇，因為該部分之問題已透過結構設計軟體自動選擇，工程師僅需將結構模型以繪圖方式畫出來，而後再行作全自動網格生成即可完成結構建模程序。簡言之，結構設計軟體建模過程，十分類似於繪圖軟體之繪圖過程，僅僅是多出網格生成程序。

　　在有限元素分析結果和結構設計規範之配合上，筆者以美國AISC規範為例，在計算樑柱構件彎曲強度過程中，需要計算「側向扭轉挫曲修正係數（Cb）」，乃是根據樑元素之有限元素分析結果，作四等分點取值後再行計算該係數之數據。換言之，結構設計軟體內之有限元素分析結果，其元素分割數量必須配合結構設計規範需求取值。在結構動力分析後，亦是根據耐震設計規範之要求，再進行相關結構韌性容量之計算，以供工程師進行相關數據之檢查。在一般情況下，除以下被稱為「調數字」之行為，須透過工程師手動調整外，得直接以結構設計軟體全自動結構設計結果作為最終之結構設計，其需調整之項目包括：

1. 許多結構之樑柱接頭，往往不能達到耐震設計規範之要求，需作進一步調整。
2. 有樓層層間位移角過大之情形，需在樓層適當位置配置斜撐構件或鋼板剪力牆。
3. 樓層設備層由於重物大，需配置承重牆降低樓地板撓度，並需考慮樓層側移過大之問題。
4. 質量或幾何非對稱結構，在地震時產生結構扭轉行為，需透過調整雙向慣性矩，來達成耐震設計規範之要求。
5. 勁度不連續或軟弱樓層，有多種方式得以調整，視工程師之手法而異。
6. 以適當調整樑柱構件塑性容量方式，達成耐震設計原則─「大震不倒、中震可修、小震不壞。」
7. 結構系統選擇上，往往視結構需求功能而定，例如：高樓建築適合管狀或密柱結構，以降低風荷載導致之結構側移。

　　在基礎設計方面，多數工程師知道基礎設計軟體是如何進行計算，因為基礎設計所需之「調數字」和手算行為較多，無法達成全自動基礎設計之結果。因而，在有限元素分析後，往往需要透過工程師研判基礎型式之選擇。基礎設計主要在控制施工前後之壓密沉陷量、差異沉陷量和基礎扭轉角，以及考慮基礎開挖和土壤液化問題，再行選擇適當之基礎型式，而後再進行基礎設計程序。建築結構上常用基礎，為淺基礎、樁基礎和筏式基礎。

　　在繪製結構圖方面，有部分套件得以作自動轉換，或者透過繪圖軟體Lisp語法產生半自動繪圖功能。在涉及建築或結構變更設計時，未重新產生或正確修改為新結構圖，往往造成工程施工和設計不一致之情形，是繪圖上常見之弊病。去年，筆者在北京期間，得知中國大陸有一種稱為PKPM之軟體，結合建築繪圖、結構分析、結構設計（含RC和SS）、結構繪圖、基礎分析、基礎設計、基礎繪圖及施工繪圖，堪稱筆者所知功能最為強大之工程軟體。然而，PKPM仍然未把「調數字」程序全自動化，可謂其軟體功能上之唯一缺點。

　　筆者認為，工程軟體產業在來日有可能將「調數字」全自動化，以達成更高效能工程軟體之分析、設計及施工。筆者才疏學淺，僅將有限所知稍加說明，期能作為讀者參考之用。