第11章-计算机在土木工程中的应用

第11章计算机在土木工程中的应用11.1计算机辅助设计11.2土木工程的计算机仿真11.3土木工程专家系统11.1计算机辅助设计11.1.1计算机辅助设计的概述，以及其起源和发展计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）是一种利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法和技术，是一门多学科综合应用的新科学。到目前为止计算机应用已经渗透到了机械、电子、建筑等领域当中，利用计算机，人们可以进行产品的计算机辅助制造(ComputerAidedMake，简称CAM)、计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering，简称CAE)、计算机辅助工艺规划(ComputerAidedProcessingPlanning，简称CAPP)、产品数据管理(ProductDataManagement，简称PDM)、企业资源计划(EnterpriseResourcePlanning,简称ERP)等等。CAD系统准确地讲是指计算机辅助设计系统,其内容涵盖产品设计的各个方面。把计算机辅助设计和计算机辅助制造集成在一起,称为CAD/CAM系统。习惯上工程界把CAD/CAM系统甚至CAD/CAM/CAE系统仍然叫做CAD系统,这样CAD系统的内涵就在无形中被扩大了CAD的起源应追溯到二十世纪50年代中期，由麻省理工大学林肯实验室为美国空军研发的SAGE（SemiAutomaticGroundEnvironment）防空系统，该系统使用CTR显示器展现经过计算机处理的雷达以及其他信息其后，CAD/CAM之父的PatrickJ.Hanratty在1957年开发了PRONTO，世界上第一个数控编程系统紧接着在1959年IvanSutherland在麻省理工大学林肯实验室使用TX-2计算机开发了SKETCHPAD系统，这套能够通过使用光笔在屏幕上与计算机系统进行人机交互作业的系统被人们认为是CAD工业迈出的第一步进入二十世纪70年代之后，计算机硬件性能和计算机图形学都有了很大的发展，建筑设计人员开始与软件设计人员密切配合，促使专业化的计算机辅助建筑设计（CAAD）软件诞生二十世纪80年代到90年代，计算机性能的提高以及个人电脑的出现使CAD系统发展的格局有了不小的变化，从当初针对大型机转向对PC的开发二十世纪末二十一世纪初，国际CAD产业进入了一个联合、收购、兼并频繁的时期，迄今制造业的CAD产品已经被兼并成四大谱系：IBM/Dassault、EDS/Unigraphics、PTC和Autodesk11.1计算机辅助设计PatrickJ.Hanratty因对计算机辅助设计与制造领域作出突破性贡献而被公认为CAD/CAM之父IvanSutherland1959年在麻省理工大学林肯实验室使用TX-2计算机开发了SKETCHPAD系统，这套能够通过使用光笔在屏幕上与计算机系统进行人机交互作业的系统被人们认为是CAD工业迈出的第一步11.1计算机辅助设计在TX-2计算机上运行的Sketchpad系统11.1计算机辅助设计11.1.2CAD在我国建筑工程领域的应用使用AutoCADR14作为平台的理正建筑设计软件图从三维实体到二维投影的思维方式早期的AutoCAD针对的主要是二维图形的绘制，但是从其R12版本开始从平面到立体的思维方式转变成了从立体到平面。从前设计者们往往绘制的就是建筑物的三向投影图，但今天设计者们可以首先将脑海中建筑物的形体直接在AutoCAD的绘图空间中表达出来，然后再针对不同的平面获取这个形体的投影图或是轴测图11.1计算机辅助设计对象捕捉、跟踪，以及橡皮筋与拖拽使用AutoCAD进行设计前首先要掌握的是其对象捕捉、对象跟踪、图层、控制点、坐标系这些重要的概念，对象实际上是指在绘图空间中的一切图素，如一个圆、一条多义线甚至是一个实体，而对象捕捉则是指光标在靠近对象的时候，由AutoCAD自动的将焦点聚于对象上符合捕捉模式的控制点之上11.1计算机辅助设计四个同样的矩形被放置在不同的图层当中图层可以说是并行的绘图空间，在这一点上有些像“四维时空”——分属于不同时间的空间重叠起来，却又互不关联，同样的在不同图层中的对象也不会相互干扰，这样就为管理繁杂的图块提供了便利。一般来说如果没有特别指定的话，对象的颜色、线型等属性都会由其所属的图层指定（ByLayer）11.1计算机辅助设计几种不同的AutoCAD二次开发手段的比较作为一个开放的平台，AutoCAD提供了几种进行二次开发的手段：AutoLISP、VBA、以及ObjectARX11.1计算机辅助设计由北京天正工程软件有限公司开发的天正系列软件是国内最早开始对AutoCAD进行二次开发的CAAD软件之一，从1994年至今已经发展出天正建筑、电气、暖通、给排水、日照、结构、装修、市政等一系列建筑工程相关软件。据称其天正建筑TArch软件已经成为了国内建筑设计CAD事实上的行业标准天正建筑Tarch对建筑物模型表面材质进行设置的情形11.1计算机辅助设计使用3D3S设计的体育馆模型3D3S是由同济大学开发，主要针对钢结构设计的CAAD软件。它可以对钢结构、空间张拉结构、膜材结构、幕墙结构、网架网壳结构以及塔桅结构等进行分析计算，据称目前3D3S已经成为了国内使用最广的钢结构软件11.1计算机辅助设计使用广厦建筑结构CAD进行结构设计广厦系列结构设计软件是由广东省建筑设计研究员和深圳市广厦软件有限公司自1996年开始进行开发的CAAD软件，主要由钢筋混凝土结构CAD、钢结构CAD、打图管理系统几个部分组成。广厦系列比较有特色的地方在于其提出了“软件租用”的概念，在其网站中注册成为会员以后便可以通过互联网使用其软件进行结构设计，这可能是推广软件使用的一个有效的手段11.1计算机辅助设计使用PKPM生成施工图11.1计算机辅助设计软件名称开发者PKPM系列中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所RSD中国建筑科学研究院地基基础研究所ABD系列中国建筑科学研究院ABD系列软件开发部TBSA系列中国建筑科学研究院高层部SACB中国建筑科学研究院抗震所ETABS美国计算机和结构公司（CSI）UP中国建筑科学研究院结构所STAADCHINA2004阿依艾工程软件有限公司X-SteelStructures芬兰Tekla公司SAP2000/StruCAD/SAFE/SECTIONBUILDER英国AceCAD公司SCIA德赛公司代理PS2000/SS2000中冶集团建筑研究总院钢结构软件开发部GFCAD中国建筑标准设计研究所开发PDSOFT系列中国科学院计算技术研究所CAD开放实验室3D3S/M&Tsteel/CCC/启明星系列同济大学广厦系列深圳市广厦软件有限公司11.1计算机辅助设计MSTCAD浙江大学SSCAD上海交通大学TWCAD天津大学理正系列北京理正软件设计研究所天正系列北京天正工程软件有限公司大力神北京中地新创科技公司TUS2000清华大学建筑设计院TSSD北京探索者公司佳友CAD顺德建筑设计院有限公司PRCS合肥工业大学FAP-3北京长筑工程软件有限公司中望CAD/建筑/景园中望龙腾科技发展有限公司11.1计算机辅助设计仿真类型全物理仿真（模拟仿真）半物理仿真（混合仿真）计算机仿真（数字仿真）模型类型物理模型物理－数学模型数学模型计算机类型模拟计算机混合计算机数字计算机应用举例振动台实验伪动力实验计算机模拟实验国内建筑结构行业常用CAAD软件仿真类型亚实时仿真实时仿真超实时仿真时间比例关系仿真时钟实时时钟仿真时钟=实时时钟仿真时钟实时时钟应用举例结构生命全过程仿真振动台实验伪动力实验国内建筑结构行业常用CAAD软件11.2.1计算机仿真的概念，以及其起源和发展11.2土木工程的计算机仿真计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。在我国，自从20世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，数字仿真技术在土木工程、自动控制、电气传动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用有限元分析（FiniteElementAnalyse，简称FEA）作为计算机仿真的重要手段在土木工程有着极其广泛的应用，其实质在于用大量离散的单元代表一个给定的域1941年Hrenikoff提出了所谓的网格法，它将平面弹性体看作是一批杆件和梁；1943年Courant提出了在一个子域上采用逐段连续函数来接近未知函数。Hrenikoff和Courant提出的无疑是有限元方法（FiniteElementMethod，简称FEM）的关键特性，但正式的有限元法的文献则应归功于Argyris、Kelsey、Turner、Clough、Martin和Topp，其中Clough于1960年第一次使用了“有限元”这个名词，其后有限元的研究开始迅速发展，在结构力学、流体力学、电学、热力学，核物理等方面都有着极为重要的应用11.2土木工程的计算机仿真现代有限元历史背景正是因为有限元分析在工程领域的重要应用，很多软件公司都开发了不同的有限元分析软件。其中在国内影响较大的有ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等，如表12.4所示。这些有限元分析软件往往已经整合了CAD建模的部分，同时也会对第三方CAD模型提供支持11.2土木工程的计算机仿真ABAQUSADINAAFEMSAirMechanicsALADDINAlgorANSYSAVwin(Avansse)BEASYBOSSInternationalCADRECADSCAEFEMCESAR-LCPCCAESARII-(pipestressanalysis)COSARCOSMOS/MCSA/GENSACSA/NASTRANCSA/VisualforAutoCADCSTRAADDIANADYNA3DELFENENERCALCESACompETABS(CSI)FE/PipeFEItFEMAPFEMGVFlexPDEGenesisGRAPEGBW16&GBW32GTSTRUDLHyperMesh(AltairComputing)I-DEASMasterSeriesIndusFEAINERTIALapFEALARSALUSASMARCME/NASTRAN常用有限元分析软件11.2土木工程的计算机仿真MicrostranforWindowsMotionView(AltairComputing)MSC/DYTRANMSC/FATIGUEMSC/MARCMSC/NASTRANMSC/NASTRAN(forWindows)MSC/PatranmTAB*STRESSMultiframeNE/NastranNISA/DISPLAYOptiStruct(AltairComputing)P-Frame(Softek)PDEToolboxPDEase2DPENTAGON2DPENTAGON3DPERMASProkonProPHLEXRISA-2DRISA-3DRobot97RSTABS-Frame(Softek)SAFE(CSI)SAFISAMCEFSAP2000(CSI)SoFiSTiKSTAADIIISTAAD/ProSTARDYNESTRAND6STRAPStressCheckTEDDSVISAGEZebulon常用有限元分析软件11.2土木工程的计算机仿真12.2.2仿真软件在我国建筑工程领域中的应用常见的通用有限元分析程序，如ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等程序当中对国内影响比较大的是ANSYS国家大剧院计算模型结构的整体变形11.2土木工程的计算机仿真使用ANSYS建模并进行力学分析在ANSYS中导入AutoCAD模型使用ANSYS进行结构有限元分析一般分前处理、求解和后处理三步。