桥梁CAD软件的现状与发展趋.pdf

收稿日期 2003 06 20 作者简介 李丽平 1979 女 山西省阳泉市人 硕士研究生 1 桥梁CAD软件的现状与发展趋势 李丽平1 郭庆华2 潘 欣3 丁文霞3 1 武汉理工大学 湖北 武汉 430063 2 湖北交通职业技术学院 湖北 武汉 430079 3 湖北高科交通工程咨询有限公司 湖北 武汉 430051 摘 要 介绍了桥梁CAD软件在国内外的现状以及目前存在的缺陷 提出了桥梁CAD软件的发展趋势 关键词 桥梁 CAD 现状 缺陷 发展趋势 文章编号 1009 6477 2004 01 0043 04 中图分类号 U442 5 文献标识码 A Current Situation and Development Trend of CAD Software of Bridge LI Li2ping1 GUO Qing2hua2 PAN Xin DING Wen2xia Abstract This paper introduces the current situation and defects of CAD software of bridge at home and abroad and puts forward the development trend of CAD software of bridge Key words bridge CAD current situation defect development trend 1963年美国麻省理工学院的I E 萨瑟兰德在 其博士论文中提出了交互式图形生成技术的概念 从而计算机辅助设计 CAD Computer Aided Design 有了较快的发展 计算机辅助设计是指用计算机来 辅助一项设计的建立 修改 分析和优化 它是随着 计算机技术发展起来的一门高科技技术 是以交互 式计算机绘图作为基本技术基础的 近年来随着我 国计算机的普及 在各行业中都有了广泛的应用 在 桥梁设计中 也有了较广泛的应用研究和实用基础 CAD技术在桥梁测设中的应用 使得传统的桥梁设 计手段 设计方法产生了重大变革 极大地促进了桥 梁交通行业的技术进步 成为桥梁测设现代化的主 要标志之一 1 桥梁CAD软件的现状 1 国外桥梁CAD软件的现状 3 4 5 6 桥梁种类繁多 结构复杂 开发一个对各种桥型 普遍适用的CAD系统需要投入大批富有软件开发 经验的专业工程技术人员 投资巨大 而软件市场相 对有限 因此 目前以商品化形式出现的完整的桥 梁CAD系统极为少见 这种现象与路线CAD系统形 成了鲜明的对比 进入90年代以后 欧美国家才开始出现商品化 的桥梁CAD软件 这些软件的开发商多以开发通 用结构分析软件为主 其产品大多是仅能完成桥梁 结构分析 对技术设计环节往往缺乏足够的支持 尽管国外CAD市场上成套的桥梁CAD系统不多 但 是以土木工程和结构分析为主的软件 在上世纪90 年代飞速发展的计算机硬件和新型的软件开发技术 的推动下迅速地发展 国外在桥梁CAD方面起步较早 目前美国 英 国 德国 日本等发达国家在桥梁CAD领域技术相 对成熟 设计开发了许多关于桥梁CAD的商品软 件 如 日本恒河技术情报公司研制的桥梁设计自 动化系统ADAMS以及桥梁下部结构的自动设计和 制图系统ADAP等 该系统的特点是将计算机辅助 制造技术和桥梁CAD技术集于一体 ADAP系统包 括自动设计 计算和自动绘制施工图两个部分 适用 于重力式桥台 桥墩 薄壁墩 柱式墩等下部结构和 基础的自动设计 美国宾夕法尼亚州运输部组织开发的 桥梁 自动制图系统BRADD Bridge Automated Design and Drafting System 是一个完全利用计算机能对某种桥 型进行自动设计并在工程实践中收到显著效益的 CAD系统 该系统在一定程度上代表了80年代国外 桥梁CAD技术研究和应用的最高水平 BRADD是 一个将公路桥梁设计分析和制图集于一体的CAD 公路交通技术 2004年2月 第1期 Technology of Highway and Transport Feb 2004 No 1 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 系统 用户可以交互输入桥梁设计的基本数据 然后 系统将设计分析的结果按文档要求输出到打印机 上 同时生成施工图文件 图形软件支承系统采用 Intergraph公司的CADD 图形文件可以在该系统上 编辑修正 也可以直接输出到图纸上 美国交互设计系统IDS Interactive Design Sys2 tem 公司的Bridge Designer II和Bridge Designer Mod2 eler3D集成桥梁CAD系统 Bridge Designer II是针 对节段施工的混凝土桥梁 如混凝土连续梁和混凝 土斜拉桥等 研制开发的集结构分析和设计于一体 的桥梁CAD软件系统 采用核心数据库存放桥梁 设计模型的全部内容以及具备桥梁施工阶段计算功 能是Bridge Designer II的两个突出特点 正在研制 中的BDM3D被称为新一代桥梁CAD系统 图形可 视化界面和通过图形交互方式输入信息是BDM3D 软件的突出特点 也是作为新一代桥梁CAD软件有 别于Bridge Designer II的一个方面 英国LUSAS公司开发的桥梁结构分析和设 计软件LUSAS Bridge LUSAS的前身是一个有限元 系统 由英国伦敦大学为满足教学和科研的需要 于 1970年开发研制成功的 到现在LUSAS已经推出 了第12版本 主要包括了Analyst 汽车 航空 国 防 制造和机械方面的力学分析 Composite 组合构 件设计 Civil 结构分析子系统用于完成特殊桥型 如 立交桥中常见的弯 坡 斜桥的内力分析 结构详图 子系统用于完成中小跨度标准梁的设计与施工图的 自动绘制 该系统分为桥梁结构布置 桥梁结构有 限元分析 桥梁施工图设计 桥梁工程造价分析等子 系统 可以草拟桥型图式 拼装三维模型 进行强度 验算及常用中 小型桥梁的自动设计 绘制施工图 能覆盖桥梁设计专业的50 代表当今国内桥梁 CAD的最新成果 拓普桥梁结构分析程序 拓普桥梁结构分析程序是由原上海城建学院于 90年代中期基于个人计算机研制开发的 系统由 桥梁结构线性 非线性综合程序系统 桥梁结构 线性 非线性施工控制程序系统 弯 坡 斜桥分析 程序系统 悬索桥分析专用程序系统 组成 该系统有两个突出特点 使其在广大公路设计 部门得以普遍应用 第一个特点是系统基于普通微 机 并采用NDP FORTRAN所提供的DOS内存扩展 技术解决了640K内存无法适应微机结构分析的困 难 从而使微机能够胜任大型桥梁结构分析任务 第 二个特点是利用微机的光栅图形处理技术实现了一 定的图形前后处理功能 桥梁结构线性 非线性综合程序系统 是针对 一般桥梁结构分析的 它由前处理 恒载计算 活载 44 公 路 交 通 技 术 2004年 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 计算 施工计算 空间计算 其它计算和后处理7个 部分组成 前处理中提供了建立梁桥 系杆拱桥 斜 拉桥 悬索桥和刚构桥的参数化力学模型生成功能 桥梁结构线性 非线性施工控制程序系统 是 用于桥梁结构施工控制的综合程序 除具备施工计 算外 它还可以完成悬索桥和斜拉桥的施工控制计 算等 包含有计入徐变的倒退分析功能 弯 坡 斜桥分析程序系统 是一套专用的结构 分析程序 其特点是通过参数化生成特定类型桥梁 的空间力学分析模型 系统提供了梁 板 壳和空间 预应力单元等 悬索桥分析专用程序系统 是一套结合解析法 计算的静动力线性 非线性程序的组合 可根据少量 的结构参数 自动计算挂索初始状态无应力索长 鞍 座初始偏位 并形成结构分析的力学模型 桥梁集成CAD系统BRCAD 桥梁集成CAD系统BRCAD Bridge Integrated CAD System 是同济大学继JTHBCADS之后研制成功 的新一代桥梁CAD系统 该系统以广泛普及的PC 机为硬件平台 以具备良好开发性能WINDOWS NT 为系统软件平台 系统设计采用了集成化CAD系 统的设计思想 并采用了当今先进的软件开发技术 充分体现了以用户为核心 界面图形化 过程可视 化 数据集成化等新一代CAD系统的特点 BRCAD系统全部采用C 语言实现 目前 BRCAD的核心部分 如桥梁专用有限元分析 有限 元前后处理 设计文档管理等子系统已经实现 并在 多个实际工程中得到应用 其它面向技术设计的子 系统 如箱梁桥技术设计子系统等正在研制中 这 些子系统将借助集成化CAD系统的可扩充机制不 断扩充和发展BRCAD 在层次上 BRCAD划分为核心层和应用层两大 部分 核心层概括了桥梁设计过程中的共性问题 提供了以桥梁专用有限元分析 桥梁专用有限元前 后处理 设计文档管理 图形支撑和数据库管理等在 内的桥梁通用辅助设计工具 它适用于任意的桥梁 结构设计 应用层则突出了不同类型桥梁设计的特 殊性 是一个可扩充发展的部分 由一些具体桥型的 专用设计子系统组成 数据库管理系统和图形支撑系统是桥梁集成 CAD系统的立足点 目前套用了流行的商品化系统 ACCESS和AutoCAD 这两个支撑软件系统除具备 广泛的应用基础和发展前景外 良好的开发性和能 够与其它应用系统集成是选择它们作为桥梁集成 CAD系统支撑环境的主要原因 桥梁博士系统 桥梁博士系统是同济大学桥梁教研室利用VC 研制开发的基于32位Windows平台的桥梁CAD系 统 该系统的主要功能是进行钢筋混凝土 预应力混 凝土 组合梁以及钢结构的各种结构体系直线桥梁恒 载与活载的线性与非线性结构响应的计算 自动进行 对带索结构的优化 并能够进行各种斜 弯和异形结 构的恒载与活载的结构响应计算 自动进行结构效应 的组合及截面的配筋验算等计算功能 2 现行桥梁CAD软件的局限 10 11 桥梁设计是一项计算量很大的工作 在这一过 程中 计算机应用是必不可少的 由此发展起来的 计算机辅助设计 CAD 技术在加快设计速度 提高 设计质量和计算精度 出图质量的上升等方面取得 了显著成效 桥梁CAD技术的发展在中国仅有二 十多年的历史 尚处于初期 因此 尽管在桥梁CAD 领域已获得丰硕的成果 但尚存在一些不足 具体 表现在 1 由于现在软件开发尚无统一标准 造成了计 算机处理过程的脱节 比如受力分析软件得出的内 力分析数据不能直接被配筋设计软件所采用 而工程 图绘制所需的数据又不能直接从配筋结果得到 2 各类桥梁CAD软件在结构分析方面都取得 了丰硕的成果 但在自动布筋和绘图方面却远不如 结构计算那样成熟 且主要集中在中小桥 对于大跨 径桥梁的结构施工图的自动绘制方面研究得较少 3 运行平台落后 现存的绝大多数CAD软件 都是基于DOS平台的 这与今后作为主流的具有图 形界面的32位操作系统很不适宜 4 用户界面较差 大多数现存的CAD软件 中 有的具备有限的交互功能 有的则根本不具备交 互功能 只是将数据依次地从数据文件中读入 然后 直接生成绘图文件 5 代码复用性差 目前的桥梁CAD软件大多 使用面向过程的程序设计语言 代码难以被他人继 承复用 而先进的面向对象的程序设计方法应用得 较少 下转第56页 542004年 第1期 李丽平 等 桥梁CAD软件的现状与发展趋势 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 锭 对于埋设托架式 也可将埋设钢锭与工字钢改 为埋设牛腿 再在牛腿上搭设支架并铺设模板 参 考 文 献 1 孙训方 方孝淑 关来泰 材料力学 M 北京 高等教 育出版社 1979 2 周水兴 何兆益 邹毅松 等 1 路桥施工计算手册 M 北京 人民交通出版社 2001 上接第45页 3 桥梁CAD软件技术的发展趋势 针对当前桥梁软件存在的一些缺陷 桥梁CAD 软件技术朝以下几个方面发展 1 近年来 由于桥梁事业的发展 图形化操作 系统的出现 强大的硬件平台的支持 桥梁计算向可 视化 综合化发展 同时计算内容也进入三维空间应 力计算 非线性计算 计算 制图一体化阶段 2 桥梁CAD技术在软件 系统方面的发展也 集中在可视化 集成化 智能化与网络化技术方面 其具体内容包括 图形仿真 多维空间显示模型 可 视化 高交互性 多媒体技术 CAD虚拟环境 集成系 统的开发 工程数据库 图形支持 专家系统 神经网 络模型和网络技术等 3 虚拟现实技术 虚拟现实 Virtual Reality 技术也是21世纪争相 研究和开发的一个领域 虚拟现实技术的目的在于 使用户完全置于一个由计算机所产生的三维立体场 景中 通过对场景进行多种交互控制来获得各种真 实的体验和感受 使其具有身临其境之感 传统的 计算机图形学主要致力于三维图形的二维显示 虚 拟现实则强调真正的三维显示 是未来发展的主方 向 4 结构分析软件包开发 即除通用软件朝功 能更齐全 使用更方便 留有多种接口供新桥型新理 论的加入发展外 专用软件开发因其针对性强 输入 方式简单自由 仍有很大的开发价值 5 软件易于维护 易于扩充 为了提高软件开 发的效率 必须提高代码的重用率 减少软件中的错 误 桥梁计算软件设计的重点已不是单纯解决数值 计算的问题 而是解决数值计算 图形生成 事务处 理 图形界面编程相结合的大型软件设计中的系统 构成问题 4 结语 目前 我国桥梁建设正处在前所未有的高速发 展时期 对桥梁设计提出了更高的要求 如何加快 测设速度 缩短设计周期 优化设计方案 提高设计 质量是桥梁设计人员所面临的重要任务 而桥梁 CAD软件的开发与完善和推广普及 是完成这一任 务的重要途径 参 考 文 献 1 刘子建 黄红武 宗子安 等 计算