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——核心技术领先的工程有限元和CAD软件

上海佳构软件科技有限公司创始人谢靖中博士

佳构STRAT软件(JG-STRAT,简称JG)是国内独立研发、完全知识产权的大型工程有限元和CAD软件,2001年创始研发,2003年发布1.0版,同年上海佳构软件科技有限公司成立。创始人谢靖中博士,曾从事工程设计、上海交通大学任教、美国麻省理工访问学者,工程经历丰富,理论造诣深湛。JG软件以其突出的技术优势,曾获亚洲名优品牌、最具影响力民族品牌等称号,在我国土木工程界有着广泛的影响力。事迹入编《中华人民共和国年鉴2018》。

工程有限元和CAD软件是工程技术的核心,体现了一个国家工程技术水平。完备的软件包括图形系统、有限元力学计算、规范设计、工程制图等内容的庞大系统,涵盖多个学科领域。国外知名软件多起始于上世纪七十年代,具有从核心求解器到单元的全面技术,经历数十年积累,能够流传至今的都堪称精品。JG针对国内软件现状,从最底层图形、核心求解器、单元和基本算法做起,总体规划、长期积累。经历数十年发展,拥有全面核心技术,在关键指标——图形、速度、精度三方面,全面超过国内外同类软件。

1.先进的独立三维图形平台,是当前功能完备、操作最简便的工程软件图形系统。直接建立任意复杂空间结构模型,解析/样条函数空间曲面建模,高适应性的网格剖分功能。首次在工程软件中实现“轮廓建模精确建模”关键技术,以及原创性“函数位移场”参数建模,等等。JG先进的、高效率的图形平台,对加快工程设计进程具有重要意义。

2.计算速度是工程软件的“发动机”、核心技术。JG是公认的国内外整体速度最快的工程软件,是国内同行10~50倍、国外3~10倍,使我国工程软件在速度这一关键指标上居于领先地位。JG在国内率先研发出第三代稀疏存储并行求解器(2021),与国外先进求解器居同等水平(多数场景更优),使我国工程软件核心技术可控。JG的速度优势已经保持近10年,近年来更进一步增强——我们掌握了技术密钥!JG实现1分钟完成大型工程的计算出图,将大震时程计算压缩到10分钟量级——都是让人“震惊”的技术成就。软件速度快,可以在不增加硬件投入(较低CPU芯片性能),低成本实现工程的高效处理、提升我国工程建设效率,具有重要的现实意义——被形容为“不需额外投资的5G和高铁”。

3.计算精度是工程软件的基石、生命线,是工程安全的前提,乃至整个工程力学学科的目标。实测算例表明,JG-STRAT软件在所涉及的领域内,如墙元、材料非线性(大震弹塑性)、几何非线性、预应力、大板楼盖等,均优于国外先进软件。首先积极采用学界最新研究成果,做到高起点。更重要的是融入了谢靖中博士的研究成果,这些原创性、基础性成果使JG软件实现从跟踪模仿到超越。JG-STRAT软件从根本上改变了国内工程软件缺乏核心算法的现状。

JG-STRAT软件包含的原创性、基础性理论算法,内容之丰富、涵盖面之广,即便在高校、科研机构都属罕见。将工程软件的计算精度、准确可靠性提高到新的高度,促进了相关学科的发展。

1.杆系单元积分算子法(2001)。杆系单元迄今最完备算法,利用规则化的积分算子,首次给出任意变刚度、变荷载杆系单元内力的显式表达式,即所谓“万能公式”。作为一种基础性、普适性算法,使非均质杆、复杂荷载等问题首次达到精确解,使预应力问题达到精确解,使梁柱弹塑性分析达到新高度(算例验证国内外精度最高),是工程力学学科的重要进展。

2.新型墙单元(2001),采用全新的膜单元旋转刚度构成方法,成功解决了墙-梁节点弯矩传递可靠性的学术难题,解决了一直存在的高层建筑中剪力墙计算误差大的问题。算例表明,该墙元使高层建筑剪力墙计算准确性、可靠性达到新高度,自提出二十多年来一直保持最好计算精度。

3.混凝土瞬时裂缝计算理论(2005~2015)。裂缝是钢筋混凝土基本要素,直接影响强度、刚度、承载力、抗震耗能等性能。延性钢材和脆性混凝土组成的复合构件,不再适用任何已有强度理论,真实体现其力学性能的是裂缝机理和开展过程。但裂缝模拟难度极高、多年来近乎空白,现阶段近似沿用单一延性或脆性材料的理论,工程中大量反常现象被忽视。谢靖中博士探究裂缝发展机理,首创弯曲裂缝有效方法,并在十年后扩展到剪切斜裂缝。该理论用于大震弹塑性分析中的混凝土基本本构,将强震破坏模拟推进到全新高度。作为基础性理论,将为混凝土学科开辟全新的途径,更深入探究强度、破坏机理。

4.板式楼盖“受力岛”理论(2005)。该理论颠覆近百年来板式楼盖安全度低、不经济的传统认知,使之比梁式楼盖安全度更高、更经济,是土木工程这一古老且相对成熟学科近年来的一项重要进展。理论包括受力特性认知、计算模型、概念设计、设计构造方等系列完整方法,属于原创性系统技术。该理论提出十多年来,全国范围内广泛实际工程应用,被大量设计和研究人员接受和信任。尤其经历2014~2020年间国内无梁楼盖工程频繁垮塌,显示了该理论的正确性、必要性,经受了实践考验和时间考验。该理论直接促成了空心板行业的发展,产生显著社会效益。

除上述4项重大理论创新外,还有时间过程计算模型、荷载控制大震PushOver算法、基础水浮力反弹簧模型、预应力积分算子法、几何非线性积分算子法、“解析有限元”方法和途径、“函数位移场”参数建模和优化、结构精确建模等创新方法,以及具有“绝对优势”的组合空心楼承板发明、超长结构底部分缝的工程方法、空腔板“横肋效应”理论发现,等等多达数十项创新、发明或发现。内容之丰富、涵盖面之广,在高校和研究机构中均罕见。

谢靖中博士及JG团队的理论和技术创新来源于工程实际,在实践中发现问题、解决问题,而不是“从文献到文献”,更不是“为创新而创新”,这正是国家倡导的技术路线。这些来自实践、经实践检验的原创性成果,不但是我国工程软件不可替代的核心技术优势,实现从跟踪、模仿到引领超越的转变,同时也促进了相关学科的发展。

社会欢迎创新、期待原创性,其实并非易事。首先,解决难题的途径往往是数年数十年长考、反复试错的结果。其次,侥幸探索出成功方法,并不一定都是认可的。尤其前瞻性很强的原创技术,得到的不是欢迎而是质疑(大多非技术层面)。例如JG的裂缝计算,早期无一例外是“不可思议”或“没有必要”,后来发展直观的裂缝三维图、并展示实际应用效果,质疑才逐渐平息。再如板式楼盖“受力岛”理论提出后,支持与反对同样强烈。经过十多年后,一方面工程应用的巨大成功,另一方面反面案例尤其恶性垮塌的频繁出现,才逐渐支持增多而质疑减弱。“创新不但需要理论能力,更需要理论勇气”。

作为能持续、健康发展工程软件,技术高度和理论深度并不是全部,还需要应用的外延。把一个复杂工程完备地处理好才是最终目的。JG最初即有“通用、专用相结合”总体规划,在核心技术积累的同时积极面向工程应用,包含行业规范、衔接力学计算实现结构设计。近年来在智能建造的趋势下,对于最复杂的混凝土结构,开发出高质量的施工详图,将工程师从繁重的绘图工作中解脱出来,受到广泛欢迎。实现“电绘替代手绘”,缩短设计周期、促进行业技术变革。针对多年来热门但一直未能实际落地的BIM三维数字化图纸,JG坚持先平面、后三维,秉持脚踏实地、丰厚积累之上进步的技术路线。

数十年来,JG团队始终坚持精益求精、不避繁难的工匠精神。所有突破现状的技术,无不需要大量的工程磨合。例如JG率先实现的“精确建模”,需要把常规的直线单元全部兼容为带刚臂的折线单元,全部软件源代码均需更新,且经常出现漏洞。JG团队不畏艰难,多达3~5年、多个版本使之完善,首次成功实现计算模型与工程实际完全吻合,达到工程软件的新高度。在JG团队,花费几天几周排除一个小数点误差是经常的事。正是这种近乎苛刻的工匠精神,才使软件严密严谨,赢得长期口碑。

JG-STRAT软件作为业内后来者,仍在高速发展阶段,迭代核心技术,拓展新领域,为我国工程建设提供强大技术支撑,为学科发展做出贡献。

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