70-80年代软件开发的片段回忆（一）

作者：林家浩  

来源：SiPESC

电子计算技术引入工程规范

       七十年代初， 我国全国性电力供应非常紧张。主管全国电力建设的水电部决定在内蒙赤峰建设功率为60万千瓦的火力发电站。这在当时是非常大型的国家重点工程。 我国在电力建设方面当时所实施的规范，基本上就是照搬苏联和德国已经沿用多年的陈旧规范，计算模型非常简单粗糙。水电部的专家按照该规范计算， 元宝山发电站就需要架设在底板厚度达10米之多的框架式钢筋混凝土支座上。如此厚重的底板，富有实际经验的专家们一致认为脱离实际。不但建造成本很高，也未必就能确保其抗振性能。因为毕竟是用非常粗糙的结构模型来计算的。但是如果采用比较符合实际的空间有限元模型进行动力计算，在四人帮肆虐的当时，不但找不到软件， 而且当时国内也很难找到熟悉有限元计算的专家。

为此水电部找到大工力学系的老师求助，看能否解决这一技术难题。其实当时在国际上对这类问题的处理也正在摸索之中。 也很凑巧，美国土木工程学会会刊Journal of Civil Engineering,在1972年12月刊登了一篇论文，提出了计算大型结构多阶自振频率和振型的子空间迭代方法，看来可以借鉴。而在1974年，该期刊的影印本在大工图书馆也刚来不久（尽管当时几乎没有什么人去阅读这些外文刊物）。钟万勰和程耿东在消化该论文内容的基础上，在计算机上编程验证了这个方法的可行性。程耿东更利用施密特正交化手段大大提高了计算速度。后因他们另有任务，改由林家浩在他们工作的基础上继续发展。由于元宝山电站基础的有限元模型节点和未知数太多，在我国已有的计算机上无法进行三维子空间迭代计算。

中国科学院院士，中国计算力学开拓者  钱令希

中国科学院院士，计算力学专家 钟万勰

中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士 程耿东

       林家浩又进一步采用移轴（shifting）手段显著节省了对计算机存储的要求，也加快了计算速度。通过上述多方努力，我们发展出了”迁移式子空间迭代”算法并完成了软件开发。最终在水电部专家的配合下，在国产TQ-16计算机上圆满地实现了元宝山电站框架式基础的自由振动和强迫振动分析。框架底板厚度从10米减小到3米，而且振幅控制完全符合工程要求。 水电部的专家起初只是打算用电算检验一下元宝山电站的设计合理性。 后来他们纷纷亲自准备计算数据，比较各种修改方案。电算的合理性和简单快捷颠覆了他们的传统认识，使他们变得非常认可这一手段。最后一致决定按此方法来修改《动力机器基础设计规范》。为此我们还组织大工力学系的十多位工农兵大学生进行了大量现场实测，并与电算结果进行对比，为规范的实施确定了各种电算参数。 该规范于1979年正式发布。 可能是我国明确规定采用电算的第一部工程规范。 用该规范在此后几十年中设计了数以千计的发电站，包括一部分援外电站。始终表现良好，受到工程设计人员的广泛好评。

林家浩教授

        还值得一提的是，这一软件在1976年辽阳化纤厂引进法国设备的过程中，也发挥了重要的作用。 辽化纤全套设备（包括高转速压缩机的钢筋混凝土框架式基础）和图纸都是法方提供的，但是纺织部并没有校核手段。 纺织部设计院主管土建的总工程师得知大工力学系为水电部解决了类似的问题，也找到大工力学系求助。虽然机械转速由每分钟3000转提高到了15000转，计算量增大了很多，不过用我们自己开发的软件仍然可以解决。但是算一个方案在TQ-16计算机上要花一个通宵。 前后用一个多月才算完。检验出了在法方的框架式基础设计上存在的一些缺陷。 为此，在一次中法双方专家组共同参与的技术论证会上，在法方介绍设计资料之后，这位总工程师拿出了用我们中国自己发展的《迁移式子空间迭代》算法软件计算的结果，对法方设计存在的问题提出质疑。法方完全没有想到在这文化大革命期间我们竟还可以用自己开发的这么前沿的计算机软件来挑战他们的设计。在翔实的数据面前，他们也不得不承认在设计中存在的一些失误， 并为此对中方做出了一定的赔偿。

       我们为国家重大工程所开发的上述软件及其实际发挥的作用，通过了1977年由水电部组织，纺织部专家也参与的鉴定。专家们以大量事实确认其达到了当时国际先进水平。这不但有利于后来《动力机器基础设计规范GBJ40-79（1979）》正式通过审查 — 这也许是我国规定采用电子计算手段进行土木工程设计的第一部国家规范；并得到了1977年全国科学大会的嘉奖。

JIGFEX程序的开发

       1974年底，大工的上海小分队被撤回大连。 随后钟万勰致力于JIGFEX（”结构分析”的汉语拼音字头缩写）程序开发，以追求更为强大的结构分析功能。这不但是一个具有多单元，多工况性能的有限元分析程序，而且具有先进的多层子结构和多重主从关系功能。并且是在国产TQ-16计算机上开发的。不但具有较强的力学分析功能，而且显示了杰出的编程技巧。钟万勰大致只花了1年时间就完成了该复杂程序的基本体系。在随后的几年里，钟万勰又组织力学所的多位青年教师从多方面充实该程序系统的功能，例如各种动力分析，屈曲分析，群论求解器等等。钟万勰按照国际上刚提出不久的结构化程序设计语言的思想，还独自开发了结构化Fortran程序编译器（DITSF），从而可用类似于后来才传入我国的Fortran77的算法语言来编写Fortran程序（这时候Fortran77尚未传入我国），大大减小了出错率，提高了程序开发速度。

上海小分队

我国第一套含结构多重多级子结构功能的有限元软件

早期参加JIGFEX开发工作的有李锡夔，隋允康，裘春航，林少培，林家浩，刘元芳，丁殿民，郭秀玲等人。他们日后都成为我国计算力学领域的中坚。根据不同的应用背景，JIGFEX程序系统以后又发展出面向不同应用领域的多种专用软件。其中应用得较为广泛的有导管架海洋平台结构分析程序DASOS-J（Design and Analysis System of Offshore Structures based on JIGFEX），复杂高层建筑结构分析程序DASTAB-J(Design and Analysis System of Tall Buildings), 等等.

DASOS-J 专用程序的开发

       1980年前后，我国渤海发现了大油田并要大力开发。为了建造其关键的开发设备-导管式海洋平台，需要对平台在复杂的渤海海况下进行力学分析。而我国当时既没有大型计算机，也没有可以进行相关力学分析的软件。西方国家在这这两方面都对我国严加禁运。我们不得不付很高代价委托挪威，美国或日本进行计算。 而且他们还对计算结果进行蓄意修改。例如，按照他们提供的结果，我们就不能采用本国自己生产的钢材型号，而必须购买他们生产的昂贵钢材。总之，明里暗里对我们处处设限，敲诈勒索；我们也有苦难言。1982年，中海油（CNOOC）和渤海石油公司的几位负责人来到大连工学院找到钱令系先生，试探我们能否帮助他们解除这条勒在脖子上的绳索。这是事关我国重大国家利益的大事。钱先生当即拍板，暂停一些其它科研工作，以JIGFEX程序为基础，成立以钟万勰为主将的海洋平台程序开发小组，全力以赴处理这一当务之急。我们只用了大约1年，就开发出专用程序系统DASOS-J，实现了西方技术规范对于海洋平台分析的所有基本要求，打破了西方的垄断。我们国家的主要报纸和国际广播电台及时报道了这些进展。西方也从此而看到了我们的实力，从而不得不放宽了对我国在这方面的禁运。 事实上，我们的软件在某些方面的功能已经做得比西方更好了。 例如在海洋平台受到随机外载（风、浪、海流、流冰、地震）作用下。西方在大型计算机上还很难实现三维结构随机分析。而我们自己创建了一种“确定性算法”（后来进一步发展成虚拟激励法）已经可以在国产TQ-16小型计算机上完成三维分析，计算速度和精度也大大提高。

海洋平台结构分析程序DASOS-J

       不过由于后来工程单位可以买到外国程序了，我们以后进一步开发就失去了资助。科学基金也是明确声明不资助程序开发的。这个程序系统就没有得到进一步的发展。

DASTAB-J 专用程序的开发

       改革开放后，我国高层建筑迅速发展起来。 80年代初，已经出现大量外表形状新颖或不规则的高层建筑。 但是原来采用的基于平面规则外形的结构分析计算方法却难于应付这些复杂问题。 典型的例子就是Y形水平截面的高层住宅，在进行抗震分析时，不得不将Y形硬性简化成直线形，以适应当时规范反应谱方法的要求。但计算精度很难保证，成为设计院的一大难题和隐忧。当时各种进口的高层建筑计算程序都不能合理地处理这类问题。 1985-86年林家浩和喻永声基于JIGFEX的三维分析功能，在对复杂高层建筑计算出一定数量三维振型的基础上， 开发了具有三维地震反应谱分析功能的程序DASTAB-J，成为当时国内应付一些重大高层建筑工程的首选软件。例如用它计算外形不规则的西安阿房宫宾馆和深圳海丽大厦时，设计单位在对用这一完全国产软件计算的结果进行严格仔细的检验之后，都对计算质量的准确性和严格性给予了很高的评价。以后又多次和我们合作。这一高层建筑专用程序实现了对国内许多复杂外形高层建筑的静力和抗震分析。仅上海工业建筑设计院（现华东院）杨思政工程师就用该程序计算了数十幢复杂形状高层建筑，对他求助者络绎不绝。在工程界大量成功应用的基础上，中国建筑科学研究院工程抗震研究所在1990年面向全国建筑设计院出版的《高层及多层钢筋混凝土建筑抗震设计手册》（魏琏主编）将DASTAB-J程序列为复杂高层建筑抗震分析的首选程序予以推荐。

DDJ-W程序的兴衰

       JIGFEX程序的多层子结构功能可以灵活地用于计算大型复杂结构，例如高层建筑，海洋平台等等。大连机车车辆厂的胡昌华工程师在80-90年代也曾用它解决了很多内燃机车中的复杂力学问题，规模达到约10万自由度；对于提高机车车辆的性能发挥了重大作用。 但是工程部门所需要处理的结构即使采用有限元方法计算，大多数也只有几千甚至于几百自由度。，并不一定都要用到多重子结构功能。而工程师很重视准备计算数据时尽量简单方便，并能尽快地得到计算结果。于是，在工程部门的强烈要求下，在1979年以后，钟万勰又从 JIGFEX开发组织多位青年教师开发出一个简化版本DDJ（多单元多工况结构分析和优化程序）；后来微机出现以后，它又被发展为微机版本DDJ-W。

微机版有限元软件系统DDJ

DDJ略去了JIGFEX的多层子结构功能，但保留了多重主重关系功能。 使用时更为轻巧灵活；而且软件价格便宜，按照不同功能级别只需1500-5000元一套，包括售后长期免费咨询。所以深受许多工程部门的欢迎。在全国多地举办过程序应用培训班，在国内20多个省市自治区拥有大批用户。国外卖程序如果一个单位有多人使用，就要买多个Licence。 而我们卖给大设计院一套，允许他们内部随便拷贝，几十人用也只收一份钱。例如香港理工大学土木系一套完整的DDJ-W只花了1万多港币（官价合5000人民币）。但他们很多教师都在用。在八十年代的很长一段时期，DDJ-W在我国很多工程领域都发挥了重要的作用，口碑极佳。继1984年获全国微机应用成果展览会一等奖之后,又于1986年获国家教委科技进步二等奖;其结构优化版本DDDU获1985年国家科技进步三等奖。1992年在国家科委组织的“具有自主版权的CAD支撑软件评测中”, DDJ一W系统经层层筛选,名列前矛。

      但是到八十年代中后期，国外各种商业程序进入我国。这些软件不但功能和包装比较完整，而且有更为专业的营销手段。安排培训可享用免费午餐，购买其软件还可安排到国外去培训。而DDJ-W的发展则缺乏政策层面的扶持。不仅没有资金资助，而且开发软件基本上不算工作业绩，无法和写论文相提并论。结果软件人才纷纷被国外公司低价吸纳。 DDJ-W也终难以为继，逐渐凋零。这可能也是国内很多土生土长的程序在八十年代虽曾一度崭露头角，颇有期许，却在几年之间纷纷夭折的一个缩影吧。

关于GCAD程序

      约在1985年，外国传进来一些CAD软件。 可以借助CAD软件， 将计算机连接到绘图仪上绘制出工程图形。 但是如何将结构有限元计算的结果转化为驱动绘图仪画出符合我国工程规范的施工图，则还是我国设计单位尚未解决的问题。 以钟万勰为首的研究组，又从外省设计部门调进来有多年设计经验的工程师配合，经过几个月的攻关，我们终于在DDJ-W软件力学分析和钢筋混凝土配筋计算的基础上，在国内率先将计算结果连接到绘图仪上自动绘制出可以直接用于施工的施工图。这一名为GCAD的程序，使得我们的程序设计向自动化程度更高的工程CAD技术迈上了一个新的台阶。而且在1991年获得国家工程设计计算机优秀软件二等奖。不久之后，国家建筑设计研究院（结构所）等一些单位也实现了这一步跨越，在实用化上很快就超越了我们。而我们人力财力都有限，无法多头出击，继续发展。

八十年代中期，在中国一些中小县城的房屋建筑设计室，要花一万多元钱买一台微机都是很困难的，何况还要购买软件。 大工力学系在推广DDJ-W的过程中就特别体会到这里有广大基层设计人员对应用计算机做辅助设计的渴望和无奈。 1985年， 钟万勰和葛增杰、林家浩、丁殿民等在仅1500元一台的PC-1500型超小微机上（可以放在手提包内且自含打印功能的袖珍机），面向这部分基层设计人员而特地开发了平面框架的结构分析（包含抗震分析）程序FCAD，它还包含了配筋和打印功能。 用PC-1500袖珍计算机开发平面框架软件3K7C，计算规模可达3跨7层，可以满足边远地区的绝大部分需求。按规范进行静载和抗震分析并计算和打印出配筋图。 使得中小县城的设计室只花2000元（硬件1500元+软件500元）就可以快速完成量大面广的平面框架设计工作。用承担得起的代价大大提高了设计效率。 我们在国内面向众多经济不宽裕的小设计所（室）办了很多次几乎是手把手教的学习班，并售出三百多份软件。虽然我们并不赚什么钱，却深受基层工程设计人员的欢迎。该软件于1988年获得国家教委科技进步二等奖。