CAD 技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

沈捷攀 林 晨

近年來,計算機輔助設(shè)計(CAD)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計已由推廣進(jìn)入普及,它對我國建筑工程設(shè)計業(yè)帶來了革命性的變化。目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件通過建設(shè)部鑒定并且推廣使用的已經(jīng)有多種,各有各的特點,但在一定程度上都存在一定的不足。由此,我們對目前的狀況進(jìn)行了歸納分析,得出了存在的主要問題以及解決這些問題的方法。

1 我國主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件

1.1 PKPM 系列

PKPM系列結(jié)構(gòu)設(shè)計繪圖軟件,由中國建科院結(jié)構(gòu)所研制開發(fā),采用FORTRAN語言編寫,以AUTOCAD做繪圖支持軟件。主要軟件有:1)鋼筋混凝土框、排架及連續(xù)梁結(jié)構(gòu)計算與繪圖軟件;2)PMCAD結(jié)構(gòu)平面設(shè)計及軟件;3)TAT SATWE高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析計算程序;4)EF彈性地基梁筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)CAD;5)JLQ剪力墻結(jié)構(gòu)計算機輔助設(shè)計;6)STS鋼結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計。

其優(yōu)點是:這批軟件既可接力運行,亦可獨立操作,使用相當(dāng)方便,稍具CAD基礎(chǔ)知識及有一定的結(jié)構(gòu)知識和經(jīng)驗的人員均可使用。由于其較強的人機交互功能和繪圖功能,以及適應(yīng)性很好的前后處理功能,可以實現(xiàn)從結(jié)構(gòu)分析到施工圖繪制的全過程。

其不足之處是:尺寸標(biāo)注及梁柱斷面圖太多,且難以人工調(diào)整,計算結(jié)果亦太保守。

1.2 TBACCA系列

TBACCA系列建筑工程輔助設(shè)計系統(tǒng)軟件,由北京建筑工程設(shè)計軟件研究院開發(fā),其主要軟件有:1)TBSACAD多層及高層建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計系統(tǒng);2)TBTS高層及多層建筑結(jié)構(gòu)空間分析系統(tǒng);3)TBFECAD輔助地基設(shè)計系統(tǒng);4)TBLBLTCAD梁板樓梯輔助設(shè)計軟件;5)TBSSCAD鋼桁架輔助設(shè)計。

此外該系統(tǒng)尚含有建筑、城規(guī)、電氣、水、暖等專業(yè)軟件。這批軟件的特點是編制緊湊,操作簡單,適用范圍廣泛,同樣可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析到施工圖繪制的全過程。但它不能用于計算多塔樓結(jié)構(gòu),同時由于在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)計算中未考慮樓板對梁抗扭剛度的影響,因而計算結(jié)果一般難以滿足抗扭要求。

以上兩系列軟件誰優(yōu)誰劣,目前尚難以區(qū)分,但PKPM系列較為通俗,應(yīng)用稍微廣泛一些。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中存在的主要問題及解決方法

1)一些軟件使用較為復(fù)雜,用戶不易掌握,而且出圖質(zhì)量不高,很多情況下設(shè)計人員必須對設(shè)計出的圖形進(jìn)行一些修改,才能滿足設(shè)計要求。由于這些軟件大都基于AUTOCAD軟件平臺,所以如果設(shè)計者不熟練掌握CAD技巧,那么對設(shè)計圖形進(jìn)行編輯修改是非常困難的。2)國內(nèi)設(shè)計軟件大都是單機版,資源浪費嚴(yán)重。各設(shè)計院對同一套軟件需要重復(fù)購買,而軟件比較昂貴,使得設(shè)計部門投入較大,對普及計算機輔助設(shè)計帶來了一定的困難,所以建立網(wǎng)絡(luò)CAD系統(tǒng)勢在必行。計算機網(wǎng)絡(luò)是近年來飛速發(fā)展的一個領(lǐng)域,它的最大特點是資源共享、信息傳遞,在一些發(fā)達(dá)國家,計算機網(wǎng)絡(luò)遍布各個行業(yè),而在建筑設(shè)計方面更為普遍。所謂計算機網(wǎng)絡(luò)就是利用通訊設(shè)備和線路將地點不同、功能獨立的多個計算機系列互連起來,功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中軟、硬件資源的共享和信息傳遞。所以對于建立了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計部門,只需購買一套設(shè)計軟件就可以為所有設(shè)計人員共用,完全避免了重復(fù)購買軟件的費用。3)近年來,計算機輔助設(shè)計給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了革命性的變化,隨著計算機硬件和軟件的進(jìn)步,CAD自動化程度越來越高,工程師們可以很快的完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計。正因如此,使得一部分人忽略、淡化了重要的設(shè)計概念,過分依賴于計算機,以至于在計算中出現(xiàn)差錯。所以為了避免此類問題的發(fā)生我們要做到以下幾點:首先,必須以概念設(shè)計為主導(dǎo),根據(jù)建筑物的功能、高度和結(jié)構(gòu)自身受力特性等來選擇合適的結(jié)構(gòu)體系,如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪、筒體結(jié)構(gòu)等。其次,了解程序的基本假定、適用范圍,根據(jù)不同的工程選擇不同的模型進(jìn)行分析計算。隨著社會的發(fā)展,設(shè)計思想不斷更新,結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化,建筑平面布置與豎向體型也越來越復(fù)雜。錯層、多塔樓、樓板形狀復(fù)雜或開大洞,使樓板的剛度受到削弱和不連續(xù)性、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向剛度發(fā)生突變,一些特殊結(jié)構(gòu)沒有樓板或部分沒有樓板,此時各節(jié)點的平動不再線性相關(guān),結(jié)構(gòu)分析時不宜再按剛性樓板考慮,這時選擇適用的程序尤為關(guān)鍵。第三,正確選擇軟件。高層建筑結(jié)構(gòu)三維空間分析軟件常見的有薄壁桿件模型、殼元模型,如等平面框架、排架軟件的底層框架空間分析程序等。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工程受力特點及結(jié)構(gòu)形式正確選用相應(yīng)力學(xué)模型的分析軟件。對于一些大中型重要工程應(yīng)采用兩種以上不同理論模型進(jìn)行比較,選擇更合理的計算結(jié)果。

3 CAD在建筑工程應(yīng)用中的發(fā)展方向

1)科學(xué)計算可視化。科學(xué)計算可視化是發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)90年代后期提出并發(fā)展起來的新興技術(shù),是指將科學(xué)計算過程和產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形及圖像信息,在屏幕上顯示并進(jìn)行交互處理。作為科學(xué)發(fā)現(xiàn)與理解的強有力工具,在土木工程領(lǐng)域中,可視化研究有廣闊的應(yīng)用前景,如抗震抗爆研究中隨時間變化的三維圖形動態(tài)顯示震源、爆源對工程結(jié)構(gòu)影響及破壞規(guī)律的模擬,可為科研人員提供前所未有的機會來理解和觀察計算過程和模型設(shè)計中所發(fā)生的一切,計算可視化對工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律研究,對工程可靠性評估和優(yōu)化設(shè)計是有力的工具,同時,又能為CAD系統(tǒng)提供快捷方便的前處理模塊。這將使土木工程CAD系統(tǒng)的功能效率提高到新的水平。2)向設(shè)計的全過程拓展,實現(xiàn)一體化和智能化。國外建筑工程領(lǐng)域在20世紀(jì)80年代已開始了設(shè)計全過程一體化的研究。從信息的集成和高水平的開發(fā)兩方面著手,提出了諸多設(shè)計階段的數(shù)據(jù)模型,分析設(shè)計全過程的自動化實施方法,還進(jìn)行了建筑物產(chǎn)品模型標(biāo)準(zhǔn)的研究。美國和西歐一些國家曾聯(lián)合組成專門委員會,致力于開發(fā)通用服務(wù)系統(tǒng),支持全球建筑設(shè)計信息交換,并研究了建筑工程模式與圖形數(shù)據(jù)交換統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。國外多種CAD平臺都可以支持從方案到逼真的效果顯示,從建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備到概預(yù)算的全設(shè)計過程。人工智能輔助設(shè)計是CAD的另一個重要發(fā)展方向,帶有內(nèi)置專用知識的人工智能,能完成面向?qū)ο蟮膮?shù)設(shè)計,能方便地評價設(shè)計的完善性,提供易于使用的工具,在全過程設(shè)計中,引導(dǎo)設(shè)計人員在較高層次上自動完成分析及設(shè)計,同時保證在遵守現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)優(yōu)化設(shè)計方案,改善分析及設(shè)計的質(zhì)量。

4 結(jié)語

隨著國際CAD技術(shù)的發(fā)展,建筑CAD系統(tǒng)的使用將更加方便,同時隨著AI(人工智能)技術(shù)的發(fā)展和侵入,智能型CAD設(shè)計系統(tǒng)將會出現(xiàn)。建筑CAD技術(shù)的普及和發(fā)展,使工程設(shè)計人員完全脫離手工繪圖的日子已經(jīng)來臨。然而甩掉圖板是CAD的第一代,要想趕上發(fā)達(dá)國家的水平,我們必須向網(wǎng)絡(luò)化、一體化進(jìn)行邁步,進(jìn)而提高建筑工程的整體水平和效益。

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