基于SAP2000的空间网格结构参数化建模与分析

基于SAP2000的空间网格结构参数化建模与分析

摘要：本文简要介绍了SAP2000应用编程接口即CSi OAPI的功能特点及其在结

构分析中的应用。我们以空间网格结构建模分析过程为例详细阐述了CSi OAPI在

结构参数化建模、分析及后处理中的流程和方法。本文对应用编程接口及Python

语言在结构分析方面的使用进行了初步的探索，对同类型的工程项目具有借鉴意义。

关键词：CSi OAPI；Python；参数化建模；结构分析；空间网格结构

引言

SAP2000是美国CSi公司(Computer and Structures Inc.)开发研制的通用结构分

析程序，是一款集成化、高效率的通用结构分析设计程序，在世界各国的结构分

析项目中得到广泛应用。SAP2000采用基于对象的有限元技术，可以实现方便的

建模，并具有稳定的分析内核，可对其他分析程序的结果进行对比和校核。

CSi OAPI (CSi Open Application Programming Interface)，即CSi 开放应用编程接口，原名SAP2000 API，是SAP2000提供的二次开发接口。它包含了SAP2000中

大部分功能的函数，通过调用可以实现与SAP2000等效的操作或扩充SAP2000的

功能。并且，通过程序操作可以方便地实现批处理、参数化等过程。CSi OAPI目

前支持C#、Visual Basic、Fortran、Matlab和Python等常用编程语言和应用程序。 Python是一种面向对象、解释型的计算机程序设计语言。其语法简洁清晰，

具有很强的可读性，支持面向对象的程序设计。Python属于脚本语言，具有丰富

和强大的函数库，它常被昵称为胶水语言，能够把用其他语言制作的各种模块很

轻松地联结在一起。基于这一特性，很多程序将Python作为二次开发的接口语言进行支持，结构分析中常用的Abaqus即支持Python进行二次开发，新版本的CSi OAPI也开始支持Python。本文中涉及的程序即采用Python语言编写。

本文拟通过一个典型的二次开发程序，介绍CSi OAPI应用的一般过程，实现

对SAP2000既有功能的扩充，使其能更有效地用于结构分析和设计。

1 CSi OAPI开发要点

在SAP2000 最初是在V11版本中推出了应用编程接口功能模块，原名

SAP2000 API，作为开放给用户进行扩充开发的应用程序接口。在SAP2000 V15中，SAP2000不仅完成了诸如界面上的重大改进，也进一步增加完善了API功能，并

且API不只适用于SAP2000程序，同样适用于CSIBridge程序中，此次版本的API

更名为CSi OAPI[1]。在最新的SAP2000 V20版本中，CSi OAPI的各项功能又进行

了升级和强化。

CSi OAPI作为一个通用性强的工具，允许用户通过编程的方式，利用API调用函数，在结构建模、分析和设计过程中进行定制来实现参数化的模型生成、分析

和设计，完成自定义的结果输出和数据提取。同界面交互操作的方式相比，这种

操作方式将扩展设计人员的分析能力，提高效率。用户还可以应用OAPI实现

SAP2000分析程序与第三方软件的连接，实现与其他程序对建筑结构模型信息的

共享。并且，通过Python可以方便地进行数据提取与分析，并对分析结果进行可视化，对进一步的优化提供了便利。

在安装了SAP2000(V11版本以上)和相应开发环境的计算机上，都可以利用

CSi OAPI进行开发。大多数编程语言都可以与OAPI结合来实现用户程序的定制，

如C#，Visual Basic，C++，Fortran，Matlab、Python、VBA等。

不同的编程语言有各自的语法、限制和特点，但程序开发过程都遵循相同的

基本原理。

目前应用OAPI二次开发主要有以下两种方式，外部调用和内部调用。外部调用指通过一个调用API的程序，自动启动SAP2000程序，然后执行批处理的操作。内部调用则是在SAP2000程序内，封装集成SAP2000既有的功能。

OAPI中的函数和数据以面向对象的方式组织在一起，在程序初始时定义类对

象并初始化。各个函数可作为该对象的方法进行调用。OAPI中的函数组织如图1

所示。

OAPI参数分为ByVal和ByRef两种，第一种只是将参数的值传递给函数，第

二种将参数的地址传递给函数，通过第二种方法，可得到多个返回值。参数允许

使用默认值，默认值在函数定义中存在，在调用函数时可以不重新赋予。若要给

后面参数赋值，前面参数可不赋值，但位置要留出。

OAPI函数以一个长整形数作为返回值，如函数执行成功，返回值为0；否则

返回非零值。通过函数返回值，可以判定OAPI函数执行情况。

图1 OAPI 函数组织图

以下为利用python语言调用CSi OAPI的部分程序代码：

import os

import win32com.client

import math

zso= win32com.client.Dispatch(("

Sap2000v15.SapObject"))

zso.ApplicationStart()

zsm = zso.SapModel

zsm.InitializeNewModel()

ret = zsm.File.NewBlank()

2 空间网格建模分析要点

空间网格结构包括球面网壳、圆柱面网壳、平板网架、弦支穹顶等多种。球

面网壳又可以分为凯威特型、联方型、施威德勒型、肋环型、短程线型等。空间

网格结构的组成特点是：以杆件单元为主；节点和杆件的数量大；构成具有较强

的规律性，适合利用程序自动生成并参数化施加荷载和约束。

各种球面网壳的建模过程均类似，下面以凯威特型K6球面网壳为例，介绍参数化建模过程。

2.1 几何构成和控制参数

图2所示是一个K6凯威特球面网壳的控制参数示意图。凯威特型单层球面网壳的几何构型可由网壳跨度S，矢高H，扇区数Kn，径向等分数nx几个参数确定。本例中Kn=6，nx=6。网壳节点编号图和杆件编号图分别如图3、图4所示。

图2 凯威特网壳参数示意图

通过控制参数，可在确定的笛卡尔坐标系下计算得到各个节点的空间三维坐标；根据节点坐标和球面网壳的空间几何组成，生成节点和全部杆件[3、4]。

2.2 节点和杆件建立

规定球面网壳球面的球心作为空间三维坐标系的原点，以竖直向上方向作为

Z轴，以一水平轴作为X轴，由右手定则确定Y轴方向。则确定了空间坐标系以

及网壳在其中的定位。

在CSi OAPI中，分别通过PointObj和FrameObj两个函数建立节点对象和杆件