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空间网格结构近几年已得到了广泛的应用和发展，这一方面是由于这种结构具有空间受力特性、建筑造型丰富、重量轻、材料省、产品工厂化、施工安装方便、工程质量高、工期短等优点，另一方面，计算机的广泛应用和普及、计算技术的渐趋成熟、软件的不断研制和开发也为空间网格结构的应用和发展奠定了基础。
空间网格结构设计计算往往有如下特点： ⒈结构体量大，杆件多，有成千上万个有限元分析单元，因而计算量很大； ⒉由于空间网格结构布置灵活、造型丰富，结构体型复杂、形式多样，所以结构的几何拓扑性质描述有一定困难； ⒊结构支承条件、荷载条件多样、复杂。支承条件一般有：简支、固支、切向约束、法向约束、斜边界、弹性支承、强迫位移等；荷载条件一般有：均布荷载、集中荷载、局部荷载、线荷载、动荷载等； ⒋原始数据（几何数据、物理数据、荷载、约束等）输入、结果数据 (内力、应力、位移、截面配置以及绘施工图和翻样图等)处理工作量大；⒌空间网格结构的分析设计需采用满应力优化设计，由计算机自动选取杆件截面，达到用钢量最小，造价最低； ⒍网架作为一种产品，在工厂制作，所以，设计人员不仅要完成施工图设计，而且还应完成机械加工图设计。 与大多数 CAD软件一样，空间网格结构CAD软件也应具备前处理、计算分析和后处理三部分。前处理是指试图以最少量的原始数据的输入，能够实现计算所需的数据，设法减少人的工作量和人为失误。分析计算主要是指有限元分析、优化设计，并设法有效地提高解题速度和算题规模。后处理大致是提供设计制造所需的数据、计算书和图形输出、计算机辅助制造等。图形处理以及结构可视化在空间网格结构 CAD中是非常必要的，可使设计人员摆脱诸如节点编号、杆件编号、导荷、计算结果等大量繁琐的数据处理，代之以直观的图形显示、图形交互，做到自动化程度高，不易出错。同时，用户界面也是 CAD中十分重要方面，它直接影响软件的推广应用。用户界面需要符合设计人员的习惯，同时还应结合专业特点，让使用者很快适应，并能熟练掌握操作方法。MSTCAD是适用于空间杆系结构，特别是空间网格结构的，集前处理、图形处理、杆件优化设计、球节点设计、绘制施工图和机械加工图的大型CAD系统，系统提供了大量汉化菜单命令。菜单按功能分类，相互独立、平等，采用先进的弹出、下拉方式，鼠标一点即行，操作方便，给用户以直观、亲切感。
MSTCAD是完全图形化的CAD系统，以中文菜单、图形交互方式，用户毋需预先编制数据文件。 进入系统后，屏幕上就会提示主菜单目录，如图1所示。每一菜单项是相对独立的功能块。对于一个新的工程通常都需逐一进入CAD前处理、结构分析、结果显示、施工图、加工图功能块。
MSTCAD提供几十种空间网格结构的基本形式，包括二层网架、三层网架、单双层球壳、圆柱壳等（表1）。并提供了近百项菜单命令，包括图形显示类、修改类、图形编辑类及文件操作和图形绘制等。 1.图形显示 网架通常按形式可分为角锥体系和桁架体系，前者弦杆和腹杆在平面图上不重合，而后者会重合，可以按每一榀桁架显示。但是，实际工程中遇到网格结构并非这么简单，可能是角锥体和桁架系混合，或者既称不上角锥体也称不上桁架系。MSTCAD在处理图形时，把结构视为广泛意义上的空间杆系，可进行结构的各层显示、剖面的随意"拾取"。 其次，因为空间网格结构往往面积大、杆件多而密，在有限的计算机屏幕上无法看清楚，所以窗口的放缩、移动在图形系统中也是不必可少。
表4.1 MSTCAD基本网格结构形式
CAD前处理主要菜单命令一览表
1. 图形显示MSTCAD提供丰富图形显示功能，其中有平、立、剖面显示（图2a、b、c），各弦层、腹层显示，三维图形显示（图2d）。提供图形放缩、平移、恢复功能。并可在各种显示状态下（不论平面、立面、剖面，或3D）进行修改、编辑。
b 立面显示
d 三维显示
a 平面显示 c 剖面显示
图 2 图形显示示意图
2.修改、编辑命令 修改、编辑命令是 CAD前处理中处理各种非规则网架或网壳的菜单命令，有节点坐标修改、起坡、增删节点、增删杆件、加层、各种荷载和约束处理、图形复制、镜像等。⑴节点坐标修改：可进行节点拖动、轴线定位、函数求交等。 ⑵起坡：提供单坡、双坡、局部起坡，并且按起坡前后关系有不同的处理方式，供用户选择。对于圆形平面或椭圆形平面，也很方便地形成圆锥面或椭圆锥面。
⑶增加节点：可“随心所欲”增加，不用顾及节点如何编号，可以在这些增加节点上增加杆件、约束，并且同样可以进行均布荷载自动处理。增加节点的方式提供许多种，如直接法、步长法、三点一面、四点一面、等分点等等。 ⑷增减杆件：用鼠标点取杆件或开设窗口，即可删去杆件。连接两节点即可增加杆件。
图3 加层、加柱帽示意图
⑹荷载输入： MSTCAD荷载输入也在图形状态下进行，可按整体或局部输入集中荷载、均布荷载、线荷载，及加预应力等。荷载分为静载、活载、风载及吊车荷载。可以输入多组活载和风载。吊车荷载输入非常方便，输入吊车台数，每台吊车选择单轨道或双轨道，在图上指定轨道轨迹。 在均布荷载处理中， MSTCAD可针对任意形状、任意结构布置形式，根据各节点的相互关系，合理分配给每个节点，并且提供三种方式：水平竖向均布荷载、切平面竖向均布荷载、曲面法向均布荷载。⑺约束信息输入： MSTCAD约束处理仍在图形状态下。只须用鼠标点中节点，随后输入约束信息。可以是简支支承、固定支承、弹性支承、柱支承、强迫位移、斜边界约束。斜边界处理方法有二： a）加短杆，但这样增加不少节点和杆件，增加计算单元，数据处理较为复杂。 b）通过坐标变换的方法，在集成刚度矩阵时，斜边界的点作适当的坐标变换即可。 MSTCAD采用后一种方法。 ⑻图形复制、镜像：该功能比在纯图形中处理难度要大，因为线或点在纯图形中可以重合。但对于有限元分析的实物结构，节点和杆是不能重合的，所以图形处理系统应能判断不符合实际的情形，做到图形数据和结构数据很完好统一。 MSTCAD可以由用户选取对象(object)进行平移或旋转复制及镜像处理，系统自动处理不符合实际的节点和杆件，并不需要顾及节点编号和杆件编号，同时可复制荷载和约束信息。 ⑼温度差、温度场： MSTCAD可进行温度差、温度场引起的受力分析。软件允许用户提供不同区域的温度变化，模拟温度场的分布。⑽计算模式：节点可假定为铰接，也可以是刚接或部分铰接、部分刚接。杆件可假定 为杆单元，也可以是梁柱单元。 ⑾提供圆管、方管、H型截面、矩形截面等多种截面形式。材料可以是钢材、钢筋混凝土等。
3.规则网架、网壳 对于系统提供的基本形式网架、网壳，只要交互输入少量数据，系统即可自动生成有限元分析所需全部数据。 4.非规则网架、网壳 对于非规则网架或网壳，如多边形平面、圆弧边界（图 4）、挖孔、起坡、弯折、不等网格、柱帽、局部加层、多层网架、曲面网架（图5）等，均可利用系统提供的菜单命令进行处理。5. 复杂网格结构 图4 非规则网格结构目前，绝大多数的空间网格结构仍以单体网架（壳） 为主，其形式较为单一。这一方
面需要建筑师创造更多新颖的建筑体形，发挥空间网格结构的灵活性；但另一方面由于计算机辅助设计功能的缺乏，没有有效的办法处理多种混合的网架（壳）体系。软件开发者一旦遇到这种情况，往往专门去编一个子程序来实现前处理，但这对于广大设计人员是很难做到的。 图5 曲面型网格结构MSTCAD可以在当前图形处理状态下，创造新的图形“插入”，用户可以比较方便地实现多种网架（壳）形式混合的空间网格结构。
图６为单层球面壳、圆柱面、双层球面壳组成的网格结构。
图 6 复杂网格结构
分析计算主要是指有限元分析及满应力设计。系统依据满应力设计原则自动设计杆件截面。对于已经配置好杆件截面的网格结构，可进行结构验算。系统能自动进行各种工况下组合分析，用户可以干预工况组合系数、锁住某些工况不进行组合，还可以指定主工况。 满应力优化设计，可使大部分杆件达到“满应力”，材料最省。 在刚度方程求解过程中，首先对节点编号进行优化，使刚度矩阵带宽最小。其次，采用一维压缩存贮，剃除不必要的零元素，做到刚度矩阵所占空间最少，求解速度最快。当遇到刚度方程特别大时，程序自动进行分块求解。 系统在计算过程中，会提示以下信息：结构受力情况，杆件超应力信息，结构几何可变信息。
MSTCAD以图形方式显示计算结果，并可输出结构结果图形。结果显示的内容有：杆件配置显示、杆件尺寸、球节点设计及配置显示、杆件内力值、节点位移值显示、支座反力值显示，以及各工况下杆件轴力图、梁柱弯矩、剪力、扭矩图和节点位移曲线，并可输出打印。 MSTCAD可根据设计需要，自动设计计算螺栓球、焊接球的大小。在同一工程中既有螺栓球又有焊接球，也能自动设计。最后把计算得到的球径取整归类。 螺栓球球径计算时除考虑螺栓间碰撞验算，还考虑套筒、封板、锥头间的碰撞验算。 在设计高强螺栓时，提供了三种计算模式。即根据杆件等强原则设计；根据杆件最大拉力设计；根据各个杆件内力设计。如果有悬挂吊车荷载，还可以进行疲劳验算。 由计算得到的杆件配置、球节点配置存在不均匀性，比如同一节点上杆件管径相差十分悬殊，所以从构造上需作适当调整。用户可根据具体情况对杆件及球节点配置进行人工交互调整或系统自动调整。
空间网格结构图纸表达与其他结构（如钢筋混凝土框架结构、高层混凝土结构等）有所不同，内容涉及平面布置、立面布置、剖面、尺寸标注、杆件配置、球节点配置、支座详图、节点详图、杆件材料表（包括编号、规格、数量、尺寸、重量）、球节点材料表（包括编号、球径、数量、重量）、高强螺栓材料表（包括规格、数量、重量），以及支座材料表、施工设计说明等。所有上述内容，早期都由人工来完成 --先由计算机把计算结果打印出来，再根据节点编号、杆件编号一一对应关系描图、标注杆件截面，随后统计数量，制材料表，工作量非常大，耗时须几天甚至几个星期，且很容易出错。现在，绘图的工作都可以由计算机来完成，而且内容表达完整，图面清晰。 MSTCAD首先根据所分析网格结构的平面尺寸、对称性、层数等，自动按给定比例排图，计算出图纸张数、提供每张图图面布置情况。用户可以根据自身的需要进行调整，如比例调整、移位、删除、恢复、翻转等。
空间网格结构首先在工厂制造，然后在现场安装。以往是由设计单位出施工图，网架厂根据施工图进行翻样，绘制机械加工图，这些工作都是手工完成的。 随着软件开发的不断深入， MSTCAD能由计算机自动形成机械加工图。翻样工作中最主要的是螺栓球的螺孔角度计算， MSTCAD可根据不同的结构体形，选取切平面作为基准面，法线方向为基准孔方向。 第一步：基准孔的确定。对于平板网架可以选取水平面作为基准面，垂直地面方向作为基准孔方向，但对于弦层不是水平面的网架，选取法线方向更为合理(图7)。当同一网格结构中有多个函数曲面情形，MSTCAD可分别根据不同的函数曲面按法线方向选取基准孔。 第二步：计算各螺孔与法线的夹角。MSTCAD只用一幅图(图8)可完整地表达螺栓球螺孔分布。 加工图中除了螺栓球图外，还需计算杆件的下料长度、组合长度，设计套筒、锥头、封板规格、球的削面量，以及各零配件的统计的数量和重量等等。
图7 基准面选取 图8 螺栓球螺孔分布
1.适用性广:MSTCAD具有自行开发的专业图形支撑系统；可完成各种大小、形式的空间网格结构设计任务。 2.操作方便:节点编号、杆件编号自动处理；具有自动导荷功能；可随意增删节点、增删杆件、处理各种约束条件等。图形交互方便、直观，易学易用。 3.图形输出:由计算机自动布图，生成完整的施工图和加工图，并由计算机绘制图形，设计人员摆脱图板，极大地提高了工作效率。 4.用户接口:软件提供数据接口，可以将用户数据转换为MSTCAD数据，反之亦可。另外，MSTCAD提供SAP数据接口，能快速、直接生成AutoCAD的图形文件（即DWG文件）。也可以将AutoCAD生成的图形转换成MSTCAD数据文件。 5.可靠性好:MSTCAD经过10年多的研制开发，已完成三千多项工程设计任务，工程覆盖面积达300万平方米 。其中不乏大型、复杂、难度大的工程，但从未发生因设计错误而造成工程事故。
MSTCAD经过不断摸索、不断完善，现已形成比较完整的、适合普通设计人员微机版的,具有前处理、图形处理、设计施工图、加工图一体化的空间网格结构计算机设计软件。 MSTCAD具有自主版权，已通过国家教委鉴定。先后荣获国家教委科技进步一等奖和国家科技进步三等奖、全国优秀软件产品。 空间网格结构正方兴未艾，工程覆盖面积每年以成倍的速度递增。应用领域不断拓宽，如用于楼层、塔架、桥梁、人行天桥、装饰结构等。结构形体从单体到多体，从平板到曲面。结构平面不仅有矩形、多边形、圆形，而且逐渐发展到椭圆形、扇形及任意形状。由于空间网格结构有很大的灵活性，可供建筑师发挥丰富的想象力和创造力，空间网格结构正逐渐延伸到空间网格建筑的涵义，做到结构与建筑的完美统一。MSTCAD在工程应用中将起到很好的辅助和促进作用。
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