CAD技術在土木工程中的應用研究

葉 龍，劉明凱，李向召

YE Long, LIU Ming-kai, LI Xiong-zhao

（安陽師范學院 建筑工程學院，安陽 455000 ）

0 引言

CAD技術的不斷發展和應用領域的日益擴大，導致了傳統設計方法的重大改革。傳統設計要求人們根據經驗創造設計方案，然而，隨著結構的復雜化和大型化，單純依靠人為地反復比較和選擇，勢必使方案的選擇受到極大的限制。利用計算機高速、大存儲及邏輯判斷功能可使經驗設計代之以理性設計，近似設計代之為準確設計。由于計算機速度和容量的不斷增長，體積和價格的不斷下降以及各種外圍設備的迅速發展，使計算機處理圖像的能力日益增強，在這種條件下，曾經以數據計算為主的電子計算機逐漸成為可以在各個環節下幫助工程師完成設計任務的工具。

1 CAD技術在土木工程中的應用范圍

隨著CAD技術的不斷完善和發展，CAD技術已是土木工程行業中應用最廣泛和發展最快的技術之一。目前CAD技術已參與到土木工程的規劃、設計、施工等各個階段，使用CAD技術的意義不僅僅在于提高了企業的技術水平，更成為同其他企業進行競爭的重要手段。

圖1 CAD技術應用范圍

1.1 應用在規劃中

在一個工程中，對項目的前期規劃是非常重要的，要考慮的因素有很多，包括社會經濟，自然條件和環境因素等。任何一項規劃都關乎項目的成敗。應用于這一階段的CAD系統包括三類，其一是規劃信息的查詢與存儲系統，例如地理信息系統，城市政策信息系統，該系統主要主要采用數據庫系統形式；其二是信息分析系統，例如城市規劃信息分析系統；其三是規劃輔助表現及制作系統，例如景觀表現系統。

1.2 應用于設計中

一個完整的土木建筑設計過程包括選定結構形式、假定形狀尺寸、結構模型化、結構分析與驗算、繪制圖面、材料計算等過程。因為結構設計是CAD技術在土木建筑工程中最早應用的，所以有關設計CAD系統的發展比較成熟。

如在對橋梁的結構設計中。首先利用CAD軟件對橋梁結構進行實體建模，如圖2所示，然后分析了橋梁截面情況和受力后情況，按照實際情況對橋梁的受力和變形進行了準確的估算，為工程質量提供的保障。

1.3 應用于施工中

土木建筑工程的施工過程包括投標報價，施工調查，施工組織設計，人員、器材和資金調配，具體施工及項目工程管理和驗收等。而CAD技術在每一個環節中都得到了廣泛的應用。我國已采用了投標報價與合同管理、工程項目管理、網絡計劃等系統，現在國外已經開發出建筑物和構筑物的集成施工系統，CAD技術的應用，有效的提高了企業的技術實力和管理水平。

圖2 橋梁實體模型

圖3 橋梁截面形狀

1.4 應用于維護管理中

為解決建筑物的老化與功能下降問題，對建筑物必須進行定期的維護與管理，主要是定期檢查、維護與加固。在維護管理中最早應用CAD技術的是煤氣、上下水管線圖的計算機管理，主要是管線的位置和管線埋設條件。由于采用了維護管理系統，較大的降低了管路的分析與檢查的工作難度。隨著CAD技術的進步，近年來又出現了以數據庫為中心，道路設施維護管理的CAD系統，該系統可以保存定期檢查結果信息，還可以輔助維修和加固規劃設計。

2 CAD技術的優劣勢

2.1 CAD技術在土木工程中的優點

傳統的手工繪圖需要十幾種繪圖工具，而且一旦出錯，就要在圖紙上進行涂改，這樣就影響了圖紙的整潔和美觀。而CAD制圖只需要裝有繪圖軟件的電腦、打印機和鼠標就可以完成任何復雜圖紙的繪制，同時軟件提供的UNDO功能可以為工程設計人員繪圖提供保障，即便出錯也可以返回出錯之前的圖面。通過參數化繪圖工具還能為工程設計人員提供獨特的表達方式，提供更加廣闊的思維空間。

一般土木設計過程是由提出方案、方案設計、初步設計和施工圖設計組成。傳統制圖方式中，各階段不同設計成果要分時制作，影響了工程設計人員之間的默契，制約了制圖速度的提高；在CAD制圖中，可以通過圖紙資料互換，即便設計方案有所修改，工程設計人員也只要調整下原有的設計圖紙即可，現在CAD軟件大多提供了豐富的分類圖庫，在需要時直接在圖庫中找尋即可，重復工作越多，這種優勢就越明顯，這樣就可以明顯提高工作效率。

土木工程設計對裂縫寬度、撓度、承載力和配筋面積等參數方面要求很嚴格，而且在實際工程中，對各個結構件如梁、板承受的載荷的設計要符合規范，還要根據相關設計標準進行計算和調整，計算數值稍有偏差就會導致產品不合設計要求，所以對計算的要求很高，CAD對此提供了專業的計算模塊，能夠快速準確的處理大量的數據，特別是在日影分析、市內聲場分析和燈光照度分析等方面的計算，無論精度還是速度都是手工計算無法比擬的。

CAD制圖中為避免構圖實體在空間中發生不必要的碰撞，CAD可以在真色彩、真三維和光照情況下，按照物體運動軌跡構建虛擬建筑體，在虛擬體中可以進行實時漫游，查看構件組合情況，這樣就可以使結構的板、梁、柱和墻等的設計達到相容、相配性，有效的避免了碰撞的發生。發現問題后可以迅速而詳細的進行修改，直到滿意為止，這樣就為工程設計人員提供了有益的幫助。

通過CAD軟件制作的工程圖表可以直接存儲到軟盤和硬盤中，這樣可以避免資料因受潮、蟲蛀以及破壞性查閱造成的不必要損失，如果將設計資料刻錄成光盤，數據能至少能保存50年。一個設計院資料室所有資料被幾張光盤所代替，查找和管理都變得更加簡便和規范。

隨著信息技術快速發展，網絡技術大范圍的普及以及CAD智能化的應用，各企業間跨地區的設計合作與異地招投標等設想均有實現的可能。如日本1992年開始建設行業的CALS（綜合信息系統）研究，其具體的標準已經出臺，所謂CALS就是企業和機關所持信息標準化和數字化，利用網絡進行開發、設計、運籌和運用全過程的共用的系統工程，不受部門間、企業間特定機器和系統的制約。

CAD制作的建筑效果圖通過利用透視關系、光影關系和建筑材料的質感真實的再現了設計的成果，再通過配合真實的樹木、人、天空和汽車等背景使得效果更加逼真，幾乎可達到以假亂真的地步。而且只要CAD制作的效果圖完成就可以按照任意指定的透視角度，模型材質，快速的生成數張效果圖，無需再從頭做起，這也是傳統手繪制圖所不具備的一個優勢，這一切都為設計師的設計工作提供了很多的便利，也使設計師在展示自己的設計成果時能更加全面和有說服力。

2.2 CAD技術的缺點

由于電腦屏幕尺寸的限制，設計師在進行設計和修改時往往只能關注到設計的局部，這樣就不能站在全局的角度思考問題，對全局的設計和布置會產生不良的影響，使得整個建筑的比例和體量失控。建筑設計師需要有藝術家的靈感和天賦，而這種靈感很多就是在設計過程中“模模糊糊”產生的，因為CAD對數據要求很精確，所以在制圖時要求每一筆都要有準確的數據，設計師只能屈從于電腦的機械和準確，這樣設計中的模糊性和隨機性就被忽略，一些有創意的靈感也就被扼殺掉了。同時由于CAD軟件自身功能的局限性和不完善性，以及設計工程師對CAD軟件掌握的熟練程度不足，使得建筑師好的靈感和創意不能通過CAD來表達，建筑師優秀的創意、思路和靈感再次被束縛。

前人曾說過：“建筑是凝固的音樂”，建筑不僅僅是單純的結構設計，他是將科技、藝術、文化和哲學融為一體的一門博大精深的學科，同時建筑不僅僅是一件商品，更是一件給人以美感的藝術品。一些從事設計工程人員認為，過分依賴CAD技術會使得建筑設計工作由藝術創作者變為工業化生產機器，CAD一直以來引以為傲的復制與套用修改技術，則直接省去了設計的過程，這本身就傷害了這一學科；CAD帶來的設計標準化和工業化使得設計出的作品千篇一律，缺乏人文關懷，設計個性和靈氣，使建筑淪落為純粹的商品，而用電腦效果圖來取代最有藝術氣息的手繪建筑效果圖，雖然快捷方便，但卻終究缺少設計師所要表達的個性與設計師特有的藝術風格與感受。

CAD是一項技術含量很高的技術，一名普通設計師要通過半年甚至一年的時間來熟悉掌握CAD軟件的基本用法和相關電腦知識，這樣就浪費了人力資源和工作時間，在培訓設計師的同時還要交付高額的培訓費，增加了企業成本；單就CAD軟件而言，一套正版的工程建筑軟件都要花費1-2萬以上，還要定期的升級和更新，需要大量的后續資金投入，而且由于CAD軟件對系統配置要求很高，必須是性能良好的計算機才能順暢的運行CAD軟件，同時想要完整的實現微機制圖還需要別的配套設備如：工作站，繪圖儀，復印機，掃描儀，數字化儀，數碼相機，刻錄光盤，UOS和USB等，這樣計算下來，再加上前面的培訓費，電腦設備和正版軟件及其后續升級所需的資金，投入就更加不菲。

目前應用范圍較為廣泛的專業軟件大多數只停留在二維的基礎上，在設計中只能算是個繪圖工具，缺乏智能化。真正的智能化結構軟件應該是不僅僅能構建三維立體圖像，還能自動執行相關規范，設計中所用的參數不僅能達到經濟實用的效果，還要便于施工。如中國建筑科學研究院PKPM CAD軟件工程部和新加坡建屋發展局聯合開發的BEAM CAGE軟件，在使用過程中能自動按照英國規范完成鋼筋混凝土梁的配筋、選筋和撓度的計算，施工圖的生成的一系列的功能，不過該軟件雖然自動化程度較高，繪圖質量較好，終究是在英國規范的基礎上建立起來的。而國內應用廣泛的工程智能化設計軟件如PKPM在使用時，設計師們還得調整梁、板、柱的配筋，尤其是柱的配筋，PKPM軟件自動生成的頂層柱配筋常常因為屋面梁傳遞來的彎矩較大，配筋也較大，而下層由于梁傳遞來的彎矩較小，配筋也較小，造成大柱種在小柱上的現象。這就需要設計師進行人工的修改和調節?？梢?，我們還缺乏標準統一的智能化結構設計軟件。

3 結論

綜上所述，CAD技術給設計師的工作帶來了極大的便利，但同時也為設計師提出了不少難題，我們應該辯證的看待CAD為我們帶來的好處和由他產生的一些麻煩，努力學習CAD相關知識，盡量減小CAD使用中的負面影響，充分發揮CAD的長處，為設計工作的發展做出更多的貢獻。

[1]曲懷海, 陳充君.土木CAD的信息化管理[J].山東交通科技, 2005.

[2]王沖.CAD在土木工程設計中的利與弊[J].科技廣場,2005.

[3]阿爾清.沙特巴里的CAD技術在土木工程中的應用[J].科技信息, 2008.

[4]吳銀柱, 吳麗萍.土建工程CAD[M].高等教育出版社,2006.