计算机在土木工程中的应用

1、 1 1 计算机辅助设计计算机辅助设计 2 2 土木工程的计算机仿真土木工程的计算机仿真 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用1 1 计算机辅助设计计算机辅助设计 1.1 计算机辅助设计的概述计算机辅助设计的概述 计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称简称CAD）是一种利用计算机硬、软件系统辅）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、建筑等领域当机应用已经渗

2、透到了机械、电子、建筑等领域当中。中。第第1212章章 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用在在TX-2计算机上运行的计算机上运行的Sketchpad系统系统 CATIA V5 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用1.2 CAD在我国建筑工程领域的应用在我国建筑工程领域的应用使用使用AutoCAD R14作为平台的理正建筑设计软件图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从三维实体到二维投影的思维方式 早期的早期的AutoCAD针对的主要是二维图形的绘制，但是从其针对的主要是二维图形的绘制，但是从其R12版本开版本开始从平面到立体的思维方式转变成了从

3、立体到平面。从前设计者们往往绘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取这个形体的投影图或是轴测图 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用对象捕捉、跟踪，以及橡皮筋与拖拽对象捕捉、跟踪，以及橡皮筋与拖拽 使用使用AutoCAD进行设计前首先要掌握的是其对象捕捉、对象跟踪、进行设计前首

4、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自动的将焦点聚于对象上符合捕捉模式的控制点之上符合捕捉模式的控制点之上 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用四个同样的矩形被放置在不同的图层当中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

5、上有些像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（属的图层指定（ByLayer） 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用几种不同的几种不同的AutoCAD二次开发手段的比较二次开发手段的比较 作

6、为一个开放的平台，作为一个开放的平台，AutoCAD提供了几种进行二次开发的手段：提供了几种进行二次开发的手段：AutoLISP、VBA、以及、以及ObjectARX 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用 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进行二次开发的进行二次开发的CAAD软件之一，从软件之一，从1994年至今已经发展出天正建筑、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。电气、暖通、给排水、日照、结构、装修、市政等一系列建筑工程相

7、关软件。据称其天正建筑据称其天正建筑TArch软件已经成为了国内建筑设计软件已经成为了国内建筑设计CAD事实上的行业标准事实上的行业标准 天正建筑天正建筑Tarch对建筑物模型表面材质进行设置的情形对建筑物模型表面材质进行设置的情形 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用使用使用3D3S设计的体育馆模型设计的体育馆模型 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，

8、据称目前等进行分析计算，据称目前3D3S已经成为了国内使用最广的钢结构软件已经成为了国内使用最广的钢结构软件 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用使用广厦建筑结构使用广厦建筑结构CAD进行结构设计进行结构设计 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限公司自1996年开始进行开发的年开始进行开发的CAAD软件，主要由钢筋混凝土结构软件，主要由钢筋混凝土结构CAD、钢结构钢结构CAD、打图管理系统几个部分组成。、打图管理系统几个部分组成。 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用使用使

9、用PKPM生成施工图生成施工图 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用软件名称软件名称开发者开发者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STAAD CHINA2004阿依艾工程软件有限公司X-Steel Structures芬兰Tekla公司SAP2000/StruCAD/SAFE/SECTION BUILDER英国AceCAD公司SCIA德赛公司代理PS

10、2000/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 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用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

11、腾科技发展有限公司 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用仿真类型仿真类型全物理仿真（模全物理仿真（模拟仿真）拟仿真）半物理仿真半物理仿真（混合仿真）（混合仿真）计算机仿真计算机仿真（数字仿真）（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国内建筑结构行业常用CAAD软件软件 仿真类型仿真类型亚实时仿真亚实时仿真实时仿真实时仿真超实时仿真超实时仿真时间比例关系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国内建筑结构行业常用CAAD软件软件 2

12、.1 计算机仿真的概念计算机仿真的概念 2 2 土木工程的计算机仿真土木工程的计算机仿真 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用 计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，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，自手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。在我国，自从从20世纪世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、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。自军事

13、等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自20世纪世纪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术领域也得到了广泛应用 有限元分析（有限元分析（Finite Element Analyse，简称，简称FEA）作为计）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在于用大量离散的单元代表一个给定的域 计算机

14、在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用现代有限元历史背景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，如表等，如表12.4所示。这些有限元分析软件往往已经所示。这些有限元分析软件往往已经整合了整合了CAD建模的部分，同时也会对第三方建模的部分，同时也会对第三方CAD模型提供支持模型提供支持 ABAQUSABAQUSADINAADINAA

15、FEMSAFEMSAirMechanicsAirMechanicsALADDINALADDINAlgorAlgorANSYSANSYSAVwin (Avansse)AVwin (Avansse)BEASYBEASYBOSS InternationalBOSS InternationalCADRECADRECADSCADSCAEFEMCAEFEMCESAR - LCPCCESAR - LCPCCAESAR II - (pipe CAESAR II - (pipe stress analysis) stress analysis) COSARCOSARCOSMOS/MCOSMOS/MCSA/GEN

16、SACSA/GENSACSA/NASTRANCSA/NASTRANCSA/Visual for CSA/Visual for AutoCADAutoCADCSTRAADCSTRAADDIANADIANADYNA3DDYNA3DELFENELFENENERCALCENERCALCESACompESACompETABS(CSI)ETABS(CSI)FE/PipeFE/PipeFEItFEItFEMAPFEMAPFEMGVFEMGVFlexPDEFlexPDEGenesisGenesisGRAPE GBW16 & GRAPE GBW16 & GBW32GBW32GT STRUDLGT STRUDLH

17、yperMesh (Altair HyperMesh (Altair Computing)Computing)I-DEAS Master I-DEAS Master SeriesSeriesIndus FEAIndus FEAINERTIAINERTIALapFEALapFEALARSALARSALUSASLUSASMARCMARCME/NASTRANME/NASTRAN 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用常用有限元分析软件常用有限元分析软件 Microstran for Microstran for WindowsWindowsMotionView (Altair Motion

18、View (Altair Computing)Computing)MSC/DYTRANMSC/DYTRANMSC/FATIGUEMSC/FATIGUEMSC/MARCMSC/MARCMSC/NASTRANMSC/NASTRANMSC/NASTRAN (for MSC/NASTRAN (for Windows)Windows)MSC/PatranMSC/PatranmTABmTAB* *STRESSSTRESSMultiframeMultiframeNE/NastranNE/NastranNISA/DISPLAYNISA/DISPLAYOptiStruct (Altair OptiStruct

19、(Altair Computing)Computing)P-Frame (Softek)P-Frame (Softek)PDE ToolboxPDE ToolboxPDEase2DPDEase2DPENTAGON 2DPENTAGON 2DPENTAGON 3DPENTAGON 3DPERMASPERMASProkonProkonProPHLEXProPHLEXRISA-2DRISA-2DRISA-3DRISA-3DRobot 97Robot 97RSTABRSTABS-Frame (Softek)S-Frame (Softek)SAFE (CSI)SAFE (CSI)SAFISAFISAMC

20、EFSAMCEFSAP2000 (CSI)SAP2000 (CSI)SoFiSTiKSoFiSTiKSTAAD IIISTAAD IIISTAAD/ProSTAAD/ProSTARDYNESTARDYNESTRAND6STRAND6STRAPSTRAPStressCheckStressCheckTEDDSTEDDSVISAGEVISAGEZebulonZebulon常用有限元分析软件常用有限元分析软件 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用2.2 仿真软件在我国建筑工程领域中的应用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

21、析程序，如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国家大剧院计算模型 结构的整体变形结构的整体变形 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用使用使用ANSYS建模并进行力学分析建模并进行力学分析 在在ANSYS中导入中导入AutoCAD模型模型 使用使用ANSYS进行结构有限元分析一般分前处理、求解和后处理三步。进行结构有限元分析一般分前处理、求解和后处理三步。其中前处理当中会包含着建模、设定分析类型、设定模型材料性质参数、设其中前处理当

22、中会包含着建模、设定分析类型、设定模型材料性质参数、设定单元类型、划分单元、施加约束和荷载几步，是整个分析过程用时最多的定单元类型、划分单元、施加约束和荷载几步，是整个分析过程用时最多的部分。一个有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能够正常完成都取部分。一个有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能够正常完成都取决于前处理工作完成的质量决于前处理工作完成的质量 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用ANSYS Workbench 设计思路设计思路 在在ANSYS Workbench中导入中导入AutoCAD 模型模型 作为当今大型通用程序专业化的趋向，作为当今大型通用程序专业化的

23、趋向，ANSYS也推出了供开发者针对也推出了供开发者针对特定分析需求，开发具自主知识产权软件的专用平台特定分析需求，开发具自主知识产权软件的专用平台ANSYS Workbench。它提供了一个加载和管理各种它提供了一个加载和管理各种API组件的基本框架，在这个框架中各种组组件的基本框架，在这个框架中各种组件通过件通过Jscript、Vbscript和和HTML脚本组织成适合用户使用的脚本组织成适合用户使用的GUI，开发者，开发者自己的技术也可以向自己的技术也可以向ANSYS的技术一样编制成的技术一样编制成API融入到程序当中融入到程序当中 计算机在土木工程中的应用计算机在土木工程中的应用 ANSYS Workbench自动自动进行分析，定