建筑结构CAD00.

1、建筑结构建筑结构CAD0.绪论绪论 建筑结构建筑结构CAD应用概况和发展应用概况和发展0.1 0.1 概述概述计算机辅助设计计算机辅助设计 (CAD，Computer Aided Design) 八十年代以来最引人注目的计算机应用技术八十年代以来最引人注目的计算机应用技术计算机具备强大的计算功能和高效灵活的图形计算机具备强大的计算功能和高效灵活的图形处理能力。处理能力。计算机辅助设计计算机辅助设计 帮助工程设计人员进行工程设计和产品帮助工程设计人员进行工程设计和产品设计与开发，以达到缩短设计周期、提高设设计与开发，以达到缩短设计周期、提高设计质量、降低成本、提高市场竞争力的一门计质量、降低成本

2、、提高市场竞争力的一门先进技术。先进技术。计算机辅助结构分析计算机辅助结构分析，使设计者轻易地得到，使设计者轻易地得到结构的各种设计数据，然而面对成堆的数据，设结构的各种设计数据，然而面对成堆的数据，设计者仍然摆脱不了繁重的绘图劳动。计者仍然摆脱不了繁重的绘图劳动。CAD技术的发展使得技术的发展使得计算机辅助绘图计算机辅助绘图成为现成为现实。它不仅可以减轻绘图工作量，而且更利于充实。它不仅可以减轻绘图工作量，而且更利于充分发挥计算机的优点分发挥计算机的优点易于绘制和修改图形。易于绘制和修改图形。传统的设计，在设计方法上最具有代表性的为迭代传统的设计，在设计方法上最具有代表性的为迭代法，包括：法

3、，包括：a.初始设计初始设计b.分析分析c.再设计再设计初始设计分 析产生最终设计设计不成立改变设计 YNYN设计能否改变设计满足要求?图 1。1 传统设计流程图传统结构设计传统结构设计主要依靠专业设计人员本身的脑主要依靠专业设计人员本身的脑力劳动。力劳动。复杂的结构体系出现，单凭专业人员的脑力劳复杂的结构体系出现，单凭专业人员的脑力劳动，其效率是相当低的。动，其效率是相当低的。而错误不可避免会产生的，要发现一项人为错而错误不可避免会产生的，要发现一项人为错误有时需要花费大量的时间。误有时需要花费大量的时间。人为的错误往往被疏忽而造成人为的错误往往被疏忽而造成工程设计事故工程设计事故。 缺陷和

4、弱点十分明显，也越来越不适应现代缺陷和弱点十分明显，也越来越不适应现代工业化生产的需要。主要问题在于：工业化生产的需要。主要问题在于： 设计周期长设计周期长 设计效率低设计效率低 设计质量差设计质量差 人才浪费人才浪费 设计方案少，优化含量低，缺乏竞争力设计方案少，优化含量低，缺乏竞争力传统设计方法传统设计方法随着电子计算机技术的飞速发展而出现的随着电子计算机技术的飞速发展而出现的计算机辅助设计标志着一种计算机辅助设计标志着一种现代工程设计方法现代工程设计方法的萌生。的萌生。计算机辅助设计系统计算机辅助设计系统是现代工程设计方法现代工程设计方法的特征之一。的特征之一。现代设计方法现代设计方法现

5、代工程设计现代工程设计以以人工智能人工智能为出发点，以包括为出发点，以包括 先进设计计算理论先进设计计算理论 设计方法设计方法 设计技术的专家系统设计技术的专家系统为基础，以电子计算机为工具的一项为基础，以电子计算机为工具的一项智能智能工程工程。建筑结构计算机辅助设计系统由建筑结构计算机辅助设计系统由软件系统软件系统与与硬件系统硬件系统两大部分组成。两大部分组成。软件系统软件系统包括程序控制系统、数据输入系包括程序控制系统、数据输入系统以及设计、计算机图纸生成。统以及设计、计算机图纸生成。硬件系统硬件系统包括计算机、信息输入设备与输包括计算机、信息输入设备与输出设备。出设备。计算机辅助设计（计

6、算机辅助设计（CAD），），非仅仅用来辅助非仅仅用来辅助绘图，重要性在于绘图，重要性在于分析、优化、检验、修改分析、优化、检验、修改等等工作设计各重要过程和环节中。工作设计各重要过程和环节中。尽可能利用计算机去完成那些重复性高、劳尽可能利用计算机去完成那些重复性高、劳动量大的工作，以及某些单纯依靠人难以完成动量大的工作，以及某些单纯依靠人难以完成的工作，使工程师们有更多的时间和精力来进的工作，使工程师们有更多的时间和精力来进行创造性的工作。行创造性的工作。 当工程当工程CAD发展进入发展进入集成化阶段集成化阶段，设计，设计者所需做的将仅仅是拟定设计参数，对设计者所需做的将仅仅是拟定设计参数，对

7、设计结果进行评判，以及确定设计是否合理、成结果进行评判，以及确定设计是否合理、成败与否。败与否。计算机辅助设计的优点：计算机辅助设计的优点： 缩短设计周期缩短设计周期易于修改，降低成本，易于修改，降低成本， 节省人力物力，提高质量节省人力物力，提高质量易于建立标准图易于建立标准图 与标准设计库与标准设计库使结构优化由理论探讨使结构优化由理论探讨 逐渐走向工程实用逐渐走向工程实用用 户结 束满意？分析 优化 计算绘 图查 资 料满意？构思 修改设计人员输入信息计计算算机机辅辅助助设设计计部部分分图 1。2 计算机辅助设计方法流程图NYNYCAD作为一项综合性的、技术复杂的系统工作为一项综合性的、

8、技术复杂的系统工程，涉及众多学科的高新技术领域，如：程，涉及众多学科的高新技术领域，如：计算机硬件技术计算机硬件技术工程设计知识和方法工程设计知识和方法计算数学、计算力学计算数学、计算力学计算机图形学计算机图形学数据结构和数据库数据结构和数据库人工智能及专家系统人工智能及专家系统仿真技术等。仿真技术等。CAD技术这门崭新技术已广泛渗透和普及于：技术这门崭新技术已广泛渗透和普及于：机械制造、航空、船舶、汽车、土木工程、电机械制造、航空、船舶、汽车、土木工程、电子、轻工、纺织服装、大规模集成电路以及环境保子、轻工、纺织服装、大规模集成电路以及环境保护、城市规划等许多行业。护、城市规划等许多行业。成

9、为代表与衡量一个国家科技与工业现代化水成为代表与衡量一个国家科技与工业现代化水平的一个重要标志，已经并将进一步给人类带来巨平的一个重要标志，已经并将进一步给人类带来巨大利益和影响。大利益和影响。CADCAD历程起源于历程起源于2020世纪世纪5050年代初期。年代初期。美国麻省理工学院美国麻省理工学院(MIT)(MIT)研制开发出了数控研制开发出了数控自动铣床，随后又完成了用于数控的自动铣床，随后又完成了用于数控的APTAPT语言，语言，从此开始了对从此开始了对CADCAD技术的研究。技术的研究。0.2 CAD0.2 CAD的发展历史的发展历史5050年代末，在数控铣床的基础上，年代末，在数控

10、铣床的基础上，美国美国GERBERGERBER公司研制出平板式绘图仪。公司研制出平板式绘图仪。美国美国CALCOMPCALCOMP公司则制成了滚筒式绘图仪。公司则制成了滚筒式绘图仪。这就为这就为CADCAD技术的实现提供了最基本的物技术的实现提供了最基本的物质条件。质条件。MIT的研究人员当时提出了的研究人员当时提出了CAD技术的三技术的三个研究目标：个研究目标：实现人机的交互式对话；实现人机的交互式对话；以图形为媒介实现人机对话；以图形为媒介实现人机对话；实现计算机辅助模拟。实现计算机辅助模拟。1963年美国麻省理工学院林肯实验室的年美国麻省理工学院林肯实验室的I.E.Sutherland开

11、发成功了开发成功了sketchpad系统，系统，该系统将图形显示器、键盘、光笔等设备连该系统将图形显示器、键盘、光笔等设备连接在计算机上，使设计者可以和计算机进行接在计算机上，使设计者可以和计算机进行对话，对在显示器上显示的图形进行交互式对话，对在显示器上显示的图形进行交互式处理，初步实现了前述的三个目标，处理，初步实现了前述的三个目标，标志着标志着CAD技术的诞生技术的诞生。1964年美国通用汽车公司开发出年美国通用汽车公司开发出DAC1系统，并将它用于汽车设计，系统，并将它用于汽车设计，第一个实现了第一个实现了CAD技术在工程设计中的应用技术在工程设计中的应用。在此后的在此后的30年里，随

12、着超大规模集成电路、年里，随着超大规模集成电路、光栅图形显示器等计算机技术的高度发展，计算光栅图形显示器等计算机技术的高度发展，计算机及各种外部设备性能价格比的不断提升和有关机及各种外部设备性能价格比的不断提升和有关图形处理软件的成熟，图形处理软件的成熟，CAD技术随之经历了一个技术随之经历了一个快速发展的历程。快速发展的历程。可以把可以把CAD技术发展分成四个阶段：技术发展分成四个阶段：(1)第一阶段，第一阶段，60年代初期年代初期60年代末期年代末期。这个阶段的这个阶段的CAD系统以使用系统以使用大型通用机大型通用机(晶体管晶体管电路为主电路为主)和刷新式图形显示器和刷新式图形显示器为基本

13、标志。为基本标志。这个时期的这个时期的CAD系统价格昂贵，性能简单，系统价格昂贵，性能简单，全世界只有少数大企业研制或拥有大约全世界只有少数大企业研制或拥有大约200套套CAD系统，系统，主要应用于航空和汽车制造业。主要应用于航空和汽车制造业。(2)第二阶段，第二阶段，60年代末期年代末期70年代末期。年代末期。60年代末，美国年代末，美国DEC公司开始生产出公司开始生产出价格相当低价格相当低廉的小型机廉的小型机。光笔、图形输入板等各种形式的图。光笔、图形输入板等各种形式的图形输入设备也投入应用，使得形输入设备也投入应用，使得CAD系统的价格大系统的价格大幅度下降，促使幅度下降，促使CAD技术

14、有可能得到快速发展和技术有可能得到快速发展和推广。推广。Applicon公司、公司、Computer Vision公司、公司、Calma公司等推出了被称为公司等推出了被称为TurnKey的图形处理的图形处理系统后，交互式图已是较容易的事了。此时商品系统后，交互式图已是较容易的事了。此时商品化化CAD系统在中小企业中开始应用与推广。系统在中小企业中开始应用与推广。(3)(3)第三阶段，第三阶段，8080年代年代9090年代初期年代初期。在此时期出现了在此时期出现了廉价的固体电路随机存储器，廉价的固体电路随机存储器，产生逼真图形的光栅扫描显示器、鼠标器、静电产生逼真图形的光栅扫描显示器、鼠标器、静

15、电式绘图仪式绘图仪, ,伴随着超大规模集成电路技术的进步，伴随着超大规模集成电路技术的进步，微型机、超级微型机和图形工作站得到普及使用，微型机、超级微型机和图形工作站得到普及使用，商品化图形系统也获得迅速发展商品化图形系统也获得迅速发展. .使使CADCAD技术从发达国家向发展中国家扩展，从技术从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计用于产品设计发展到用于工程设计。标志着标志着CADCAD技术进入了实用期技术进入了实用期。CADCAD技术只能称得上是计算机辅助绘图技术只能称得上是计算机辅助绘图( (Computer Aided DrawingComputer Aided D

16、rawing) )，对于达到，对于达到MITMIT所提所提出的第三个目标，模拟人在以往的产品或工程设出的第三个目标，模拟人在以往的产品或工程设计的整个过程的所有工作，仍然是一项长期而艰计的整个过程的所有工作，仍然是一项长期而艰巨的任务，有许多技术困难需要深入研究。巨的任务，有许多技术困难需要深入研究。(4)第四阶段，即从第四阶段，即从90年代中期至今年代中期至今。当前计。当前计算机技术正以前所未有的速度飞跃发展，以算机技术正以前所未有的速度飞跃发展，以Intel公司芯片技术为代表的公司芯片技术为代表的硬件革命硬件革命，为，为CAD技术的技术的创新提供了更加强大的实现手段。创新提供了更加强大的实

17、现手段。计算机辅助设计作为一项多学科交叉、渗透计算机辅助设计作为一项多学科交叉、渗透的高科技发展产物，目前正向着的高科技发展产物，目前正向着集成化、协同化、集成化、协同化、智能化智能化的方向发展，在新世纪里必将产生巨大的的方向发展，在新世纪里必将产生巨大的变革。变革。我国括我国括CAD技术的研究、开发也起步较晚。技术的研究、开发也起步较晚。自自60年代末期，最早在航空、造船和汽车行业年代末期，最早在航空、造船和汽车行业开始了对开始了对CAD技术的研究和开发工作，技术的研究和开发工作，初期阶段初期阶段主要是引进国外的一些主要是引进国外的一些CAD系统，对系统，对CAD技术作技术作原理和算法上的研

18、究。原理和算法上的研究。开发出一批实验性系统，开发出一批实验性系统，取得取得些应用性成果，些应用性成果，CAD技术也向更多的行业技术也向更多的行业领域扩散。领域扩散。形成了我国自己的形成了我国自己的CAD技术研究队伍。技术研究队伍。0.3 CAD0.3 CAD技术在我国建筑业的应用及现状技术在我国建筑业的应用及现状土木建筑行业是较早应用土木建筑行业是较早应用CAD技术的行业之一。技术的行业之一。 在北京火车站候车大厅的薄壳屋顶工程设计在北京火车站候车大厅的薄壳屋顶工程设计中，中，首次采用电子计算机进行结构计算，首次采用电子计算机进行结构计算，大大加大大加快了设计进度，开创了我国建筑结构设计工作

19、电快了设计进度，开创了我国建筑结构设计工作电脑化的新篇章。脑化的新篇章。1959年，原建工部建筑科学研究院正式建年，原建工部建筑科学研究院正式建立电算所，开始了建筑结构分析方面的应用，立电算所，开始了建筑结构分析方面的应用，并编制了一些并编制了一些薄壳结构实用计算程序薄壳结构实用计算程序。由于种种原因，发展不快，而且应用范围由于种种原因，发展不快，而且应用范围在相当长的时期内仅仅局限于结构计算。在相当长的时期内仅仅局限于结构计算。20世纪世纪70年代之前，工程设计及科研使用国产年代之前，工程设计及科研使用国产计算机计算机(如如TQl6，709机等）来完成机等）来完成数值计算与结数值计算与结构分

20、析构分析，机器体积大、速度慢、容量小且价格昂，机器体积大、速度慢、容量小且价格昂贵，采用纸带穿，使用十分不便。贵，采用纸带穿，使用十分不便。由于价格昂贵，全国只有少数几家大型国防和由于价格昂贵，全国只有少数几家大型国防和工业与民用设计院才有条件拥有这样的计算机开工业与民用设计院才有条件拥有这样的计算机开展展CAD应用工作，而且实用软件数量相当有限。应用工作，而且实用软件数量相当有限。从从70年代开始，年代开始，计算机在我国建筑业中的应计算机在我国建筑业中的应用有了较大幅度的发展用有了较大幅度的发展，由结构计算和分析，逐，由结构计算和分析，逐步发展到建筑物理、空气调节、地基基础、结构步发展到建筑

21、物理、空气调节、地基基础、结构抗震、勘察测量和建筑施工管理等方面。抗震、勘察测量和建筑施工管理等方面。 进入进入80年代，先后从美国、日本等国引进年代，先后从美国、日本等国引进多类多类CAD系统。在消化吸收的基础上进行二次系统。在消化吸收的基础上进行二次开发，进行大量的专业扩充有针对性地将其开发，进行大量的专业扩充有针对性地将其改造发展成为一个适应我国国情和设计规范要改造发展成为一个适应我国国情和设计规范要求的求的CAD系统。系统。建筑结构建筑结构CADCAD技术的发展产生重大变革的一技术的发展产生重大变革的一个突出特点是微型计算机异军突起。个突出特点是微型计算机异军突起。19811981年年

22、IBMIBM推出第一台推出第一台PCPC机，机，使得专业人员可以直接使得专业人员可以直接上微机操作。微机上微机操作。微机CADCAD有如下优点：有如下优点：(1)(1)价格低廉。价格低廉。(2)(2)有较强的实用性。有较强的实用性。(3)(3)性能稳定，维护简易。性能稳定，维护简易。(4)(4)易学易用。易学易用。建筑结构建筑结构CADCAD发生重大变革的另一个显著特发生重大变革的另一个显著特点就是软件系统中点就是软件系统中图形处理功能日臻完善图形处理功能日臻完善。8080年代后期，具有图形前后处理功能的结年代后期，具有图形前后处理功能的结构设计软件开始进入实用阶段。构设计软件开始进入实用阶段

23、。目前前处理广泛采用了目前前处理广泛采用了人机图形交互输人机图形交互输入数据，后处理可将计算设计结果以图形方入数据，后处理可将计算设计结果以图形方式输出式输出(如变形图、内力图、振形图等如变形图、内力图、振形图等)，直至，直至自动生成完整的施工图。自动生成完整的施工图。经过十几年的开发研制，目前我国已有多种经过十几年的开发研制，目前我国已有多种商品化应用软件商品化应用软件( (如如PKPM，TBSA，TUS，ABDS，PIEMCAD，SACB，MSTCAD，3D3S等等) )在设计部门得到广泛应用。在设计部门得到广泛应用。随着计算机容量、速度、显示分辨率等硬件随着计算机容量、速度、显示分辨率等

24、硬件性能的提高以及国外的图形支撑软件的引进，性能的提高以及国外的图形支撑软件的引进，继继结构设计结构设计CAD技术的率先成功之后，建筑及设备技术的率先成功之后，建筑及设备专业技术也日益成熟。专业技术也日益成熟。目前国产软件如目前国产软件如HOUSE建筑建筑CAD软件包、软件包、ABD建筑绘图软件、天正图软件，以及国外引进建筑绘图软件、天正图软件，以及国外引进的先进软件如的先进软件如AutoCAD，3DStudio，3DMAX，Photoshop，CorelDraw建筑设计中广泛使用。建筑设计中广泛使用。工程设计行业计算机应用环境、应用水平得工程设计行业计算机应用环境、应用水平得到了很大的提高。

25、到了很大的提高。CAD的应用基本上覆盖了勘的应用基本上覆盖了勘察设计的全过程，从而察设计的全过程，从而CAD应用技术的普及和应用技术的普及和提高，各种类建筑应用软件相应的功能也由原提高，各种类建筑应用软件相应的功能也由原来的单纯数值计算扩展到生成施工图。来的单纯数值计算扩展到生成施工图。这种以施工图为应用软件最终成果的建筑这种以施工图为应用软件最终成果的建筑CAD系统的出现，使得建筑设计领域发生了一系统的出现，使得建筑设计领域发生了一场革命。场革命。甩掉图板做设计终于变成现实。甩掉图板做设计终于变成现实。0.4 0.4 国内流行国内流行CADCAD结构应用软件概览结构应用软件概览目前国内流行的

26、软件基本上是由我国建筑目前国内流行的软件基本上是由我国建筑科研机构、大中型设计院和高等院校自主开发科研机构、大中型设计院和高等院校自主开发或二次开发后推出的以或二次开发后推出的以AutoCAD为图形支撑平为图形支撑平台，是我国建筑工程台，是我国建筑工程CAD软件的主流。软件的主流。国外一些大型国外一些大型CAD应用软件正通过汉化、应用软件正通过汉化、采用中国规范等方式，在中国市场上独家或通采用中国规范等方式，在中国市场上独家或通过代理商推出他们的商品软件。过代理商推出他们的商品软件。表表11所列为目前市场上已推出的应用软所列为目前市场上已推出的应用软件的概况。件的概况。结构结构CADCAD按专

27、业分类有：按专业分类有：1 1上部结构：上部结构： (1)砖混结构砖混结构 (2)排架结构排架结构 (3)框架结构框架结构 (4)框剪、剪力墙结构框剪、剪力墙结构 (5)钢结构钢结构2 2基础类：基础类： (6)勘探勘探 (7)支护支护 (8)地基处理地基处理 (9)基础设计（独立、基础设计（独立、 条基、筏基、条基、筏基、 箱基、桩基）箱基、桩基）0.5 土建行业土建行业CAD发展趋势发展趋势展望展望21世纪，以世纪，以多媒体、数据库、网络、可多媒体、数据库、网络、可视化、虚拟现实视化、虚拟现实等技术为代表的人一计算机交互等技术为代表的人一计算机交互理论和技术将渗透到土木工程领域的各个方面，理论