《土木概论》第十五章计算机在土木工程中的应用

,第十五章计算机在土木工程中的应用,一、土木工程的历史和现状,第十五章：计算机在土木工程中的应用,1946年：世界上第一台计算机诞生,1956年：我国计算机事业开始,20世纪50年代：计算机开始应用于工程设计中,现代：扩大到土木工程设计、施工管理、仿真分析等各个方面,第十五章：计算机在土木工程中的应用,第一节:土木工程的历史和现状第二节：人工智能专家系统第三节：计算机辅助设计第四节：模拟仿真技术第五节：土木工程中的计算机辅助教学第六节：土木工程中计算机技术的应用展望,授课内容：,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,ArtificialIntelligence,英文缩写为AI,1.人工智能,涉及到的领域：计算机科学以外,人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,1.人工智能,研究的主要内容：知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面,如果在知识库中存储的是某一领域(如医疗诊断)的专家知识，则这样的知识系统称为专家系统,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.专家系统,目前还没有一个严格公认的形式化定义，但作为一种一般的解释，可以认为专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的经验和专门知识，模拟领域专家的思维过程，解决该领域中需要专家才能解决的复杂问题。,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.专家系统,按求解类型性质，专家系统分为以下10种类型,解释型专家系统,预测型专家系统,诊断型专家系统,设计型专家系统,规划型专家系统,监视型专家系统,控制型专家系统,调试型专家系统,教学型专家系统,修理型专家系统,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.专家系统,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.专家系统,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.专家系统,在土木工程中：建筑领域专家库系统、招标投标专家评审系统、建筑防水技术专家系统、项目管理专家系统、建筑安全专家系统、建筑物抗震安全性评估专家系统、知识工程及专家系统、室内装饰专家系统、建筑材料专家系统等,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.专家系统,土木工程专家系统的应用和发展趋势,专家系统的发展趋势,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.专家系统,专家系统的缺陷：,1.设计知识获取的“瓶颈”,2.推理理论还不完善,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,3.人工神经网络,ArtificialNeuralNetworks，简写为ANNs,定义：人工神经网络是由大量简单的神经元相互连接而成的自适应非线性动态系统,工作原理和功能特点接近于人脑，不是按给定的程序一步步地机械执行，而是能够自身适应环境，总结规律，完成运算、识别和控制工作,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,3.人工神经网络,人工神经网络在土木工程中的应用,关于在土木工程中应用的文章：,广泛应用于结构优化设计、荷载识别、损伤检测、结构控制以及材料本构关系模型等一系列的土木工程问题,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,3.人工神经网络,人工神经网络的不足：,1.神经网络推理过程的不透明性，无法回答用户的问诊，不利于用户理解和使用推理结果,2.系统知识处理的正确性和可靠性很大程度受所选择的训练样本的限制，导致目前只能实现一些较小智能模块,3.由于目前理论水平有限，在实现连续型的非线性映射方面还存在精度不高的问题,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,二、人工智能与专家系统,第十五章：计算机在土木工程中的应用,4.复合智能,专家系统和人工神经网络两者结合起来，实行优势互补，便构成了复合智能(Neural-ExpertHybrid),复合智能现应用：复合智能材料,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,ComputerAidedDesign,CAD,是指在设计活动中，利用计算机人作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,应用：信息管理、绘图、模拟、优化、数值分析等,一个好的计算机辅助设计系统，既能充分发挥人的创造性，又能充分利用计算机的高速计算能力，找到人与计算机的最佳结合点,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,1)20世纪70年代前：土木工程行业计算机应用的初级阶段,1.计算机辅助设计的发展,2)80年代：PC机问世后，特别是具有图形处理功能后，孕育了CAD的产生,3)90年代：CAD软件发展和普及,4)现代：计算机辅助设计集成化、协同化、智能化,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,1)CAD可以提高设计质量,2.CAD在土木工程中优点,2)CAD可以节省时间，提高生产率,3)CAD可以较大幅度降低成本,4)CAD技术将设计人员从繁琐的计算和绘图中解放出来，可以从事更多的创造性劳动,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,2.CAD在土木工程中的应用,国内CAD软件：PKPM、天正系列软件、House建筑CAD软件包、AUTOBUILDING(abd)建筑绘图软件等,国外CAD软件：AutoCAD、3DStudio、3DMAX、AdobePhotoshop、CorelDraw、Project等,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,3.绘图软件AutoCAD,AutoCAD是美国Autodesk公司推出的通用CAD和设计软件包。自1982年12月推出1.0版本至今，已发展到AutoCAD2008,广泛应用于机械、电子、土木、航空、航天、轻工、纺织等专业,AutoCAD主要用于二维图形的绘制，也用于三维图形的绘制，现增加了网络等功能,第十五章：计算机在土木工程中的应用,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,4.结构设计软件PKPM,PKPM中由中国建筑科学研究院研究开发的一套计算机设计软件，在我国土木工程领域中应用很广。,1)微机结构PKPM系列软件包括有：,结构平面计算机辅助设计软件PMCAD钢筋混凝土排架及连续梁结构计算与施工图绘制软件PK多、高层建筑结构三维分析软件TAT高层建筑结构动力时程分析软件TAT-D多、高层结构空间有限元分析软件SATWE高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件FEQ楼梯计算机辅助设计软件LTCAD,1)微机结构PKPM系列软件包括有：,剪力墙计算机辅助设计软件JLQ钢筋混凝土基本构件设计计算软件GJ基础CAD（独基、条基、桩基、筏基）软件JCCAD箱形基础计算机辅助设计软件BOX钢结构CAD软件STS预应力混凝土结构设计软件PREC混凝土小型空心砌块CAD软件QIK,三、计算机辅助设计,第十五章：计算机在土木工程中的应用,5.工程项目管理软件,建设项目管理是一个系统的工程,涉及到前期策划、可行性分析、工程招投标、造价分析、工程量计算、施工进度计划、施工项目管理及施工信息管理等。目前计算机在工程项目管理中的工作量已占总工作量的70%以上。,管理软件：MicrosoftProject、工程概预算软件PKPMCMIS、施工管理系列软件CMISSG-1、施工技术系列软件CMISSG-2、工程造价软件STAT等,四、模拟仿真技术,第十五章：计算机在土木工程中的应用,模拟仿真(Simulation)：即用模型来模仿实际系统进行实验和研究，从来就是产品开发中的技术手段,对一个系统进行模拟，包括建立模型、实验求解、结果分析三个步骤,四、模拟仿真技术,第十五章：计算机在土木工程中的应用,应用领域：工程防灾减灾领域：(地震、台风、火灾等偶遇作用)；岩土工程领域：(基坑支护倒塌、管涌、流沙等),国内常用软件：北京大学研发的SAP84和SAP2000、大连理工大学研制开发的JIEFEX、同济大学研发的3D3S等,国外常用软件：ABARQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、NASTRAN等,四、模拟仿真技术,第十五章：计算机在土木工程中的应用,1.有限元工程分析软件ansys,Ansys是由美国有限元法的权威、著名力学专家JohnSwanson博士于1970年创建而发展起来的,Ansys能够分析类型如下：结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、结构屈曲分析、热力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析、流体动态分析,五、土木工程中计算机辅助教学,第十五章：计算机在土木工程中的应用,(ComputerAidedInstruction,CAI),主要特点：,1.形式多样、生动活泼,2.高度交互、因材施教,3.信息量大、重现力强,4.界面友好、操作简单,五、土木工程中计算机辅助教学,第十五章：计算机在土木工程中的应用,国内软件：清华大学“钢筋混凝土构件模拟试验软件”、同济大学“钢筋混凝土构件计算机模拟教学试验CAI课件”等,六、土木工程设计中计算机技术的应用展望,第十五