ＣＡＤ在土木工程設計應用中的優(yōu)劣探討

摘 要：當前，CAD在土木設計中應用廣泛，通過詳細分析CAD在實際工作中的使用情況，對CAD在土木設計工作中優(yōu)勢和劣勢進行了探討，并提出了一定的見解。

關鍵詞：CAD；土木設計；優(yōu)勢；劣勢

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）04-0281-02

1 引言

計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱CAD），誕生于20世紀50年代，它是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力來進行工程的設計和分析的一種技術，它是綜合計算機技術和土木工程設計方法的一門新興學科，是與計算機軟硬件及工程設計方法的發(fā)展而發(fā)展起來的。它集成了計算機、圖形學、數(shù)據庫技術、數(shù)值分析等技術，隨著軟硬件技術的不斷發(fā)展及工程方法的更新?lián)Q代，CAD技術也日趨完善，已經廣泛應用于電子、輕工、紡織、服裝、醫(yī)療、國防及工程設計等國民經濟的各個領域，發(fā)揮了極大的經濟技術效益。

2 CAD在土木工程中的應用

CAD技術最早應用于汽車工業(yè)，隨后隨著計算機軟硬件的發(fā)展及普及，逐漸擴展到其它領域，包括土木工程領域。在土木工程領域，它包含工程設計中采用計算機技術輔助分析、計算和繪制圖形的全過程。我國在土木工程中使用CAD技術開始于上世紀八十年代，在開始階段，主要依靠外國引進的通用或專用圖形軟件包在屏幕上做交互式圖形設計，與結構計算與分析沒有結合，參與者主要是長期與計算機打交道的專門人員。到八十年代末期，由于較高性能的廉價計算機的普及，土木工程CAD才有了真正的發(fā)展和較廣泛的應用，在很大程度上推動了CAD技術在我國土木工程上的應用和發(fā)展。

土木工程CAD的應用包含以下方面：

（1）建筑與規(guī)劃設計：用于繪制建筑、規(guī)劃類圖紙，如建筑施工圖、效果圖，規(guī)劃效果圖，橋梁的造型設計等，其軟件有天正建筑軟件、中國建筑研究院的APM（PKPM的建筑模塊）、QXCAD（一種橋型設計軟件）、3 D M A X、M A Y A、計，構造設計指根據結構計算的結果，完成構件和截面的選配筋的構造設計，繪制施工圖是用CAD取代傳統(tǒng)的手繪來完成施工圖紙的繪制；（2）給排水設計：用于給水、排水方面的計算與繪圖；（3）暖通設計：用于取暖與通風方面的設計；（4）電氣設計：強弱電方面的輔助設計；（5）施工組織與設計：用于施工項目的項目管理、施工工藝的流程設計與優(yōu)化、施工現(xiàn)場布置等；（6）工程項目的預決算：從廣義上說，這也算C A D在土木工程上的一個應用；（7）其它方面的：比如家庭裝修等。

以上所列只是CAD技術在土木工程上應用的主要方面，在實際工程中，還有很多邊緣的、交叉的、新興的應用技術在開花結果。

3 CAD在土木設計圖中表現(xiàn)出的優(yōu)勢

（1）繪圖勞動強度降低，圖紙清潔、美觀。

傳統(tǒng)的手工繪圖法需要設計人員經常性更換十幾種繪圖工具。一旦畫錯，就要在圖面上修修補補，破壞圖面的整潔性。而CAD制圖，只要配齊了電腦，安裝好繪圖軟件、打印機或繪圖儀，鼠標輕輕移動就可以完成心中設計的圖形。同時，軟件本身還可以提供UNDO限制防錯功能，讓工程設計師們制圖事半功倍。軟件還可以為每個設計人員的獨特的表達方式、思維模式和繪圖習慣提供廣闊的空間，只要充分使用參數(shù)化繪圖工具就可達成。

（2）提高設計工作效率。

土木設計過程一般經過提交條件、方案設計、初步設計、施工圖設計。各工種之間的配合默契與否，條件與方案改變大小都直接影響著制圖的速度。在傳統(tǒng)的手工制圖方式下，各階段各工種之間的不同設計成果要分時制作；在CAD制圖中，實現(xiàn)了各工種間的圖紙資料互換，即使方案有所調整，設計人員也只需在原有的設計圖紙上加以調整，從而減少大量重復勞動，提高了工作效率。

（3）增強計算功能，提高精確度。

土木工程設計不同于其他領域的設計，它需要正確無誤地計算出裂縫寬度、撓度、承載力、配筋面積。而且在實際工程中，要先符合設計規(guī)范地對各個結構構件如梁、板所承受的各種外部荷載，再根據《混凝土結構設計規(guī)范》進行計算和調整，如果計算數(shù)值稍有偏差或參數(shù)取值不符合要求，便會造成設計出的產品不合設計規(guī)范、不經濟，嚴重的還會造成人民生命、財產的巨大損失。

（4）提供動態(tài)的檢驗效果。

結構的板、梁、柱、墻的設計要考慮其他專業(yè)的相容性、相配性。如管道、設備不能和梁、柱相碰等。從實踐中可知道任何工程都可以從形態(tài)上拆分為圓柱體、斜圓柱體、圓錐、圓臺、斜圓臺、球體、球冠體、圓形斷面環(huán)體、矩形斷面環(huán)體以及多面體等基本形體。為此，CAD制圖中，可以在真色彩、真三維、光照的情況下，按物體的運動軌跡構造出一個虛擬的實體，在房屋中實時漫游，檢查虛擬的實體與管道、設備、墻、梁、柱、門、窗等物體不發(fā)生碰撞，預先感受結構的空間效果，以便在發(fā)現(xiàn)問題的地方仔細端詳、修改，直至滿意為止。這給工程設計師在設計工程中提供了非常有益的幫助。

（5）資料管理方便。

CAD軟件制作的圖形、圖像文件可直接存儲在軟盤、硬盤或刻成光盤存儲，從而避免資料因受潮、蟲蛀以及破壞性查閱造成的不必要損失，電子數(shù)據的保存年限可以延長至50年。一個設計院整柜的資料被幾張光盤所替代，查找和管理都比較方便。

（6）數(shù)據傳輸?shù)男畔⒒＊?/p>

隨著信息技術、網絡技術的普及和CAD智能化的應用、跨地區(qū)合作設計、異地招投標、“在家工作”等都成為可能。如1992年日本執(zhí)行的CALS（綜合信息系統(tǒng)）研究，其就是指企業(yè)和機關不受部門企業(yè)間特定機器和系統(tǒng)的制約，利用網絡進行開發(fā)設計運籌及運用全過程的公用系統(tǒng)工程。

4 CAD技術出現(xiàn)的劣勢

CAD技術在給土木設計業(yè)帶來巨大效益的同時，其劣勢也隨之發(fā)揮作用，也不可避免地滯緩了其發(fā)展，具體表現(xiàn)如下：

（1）CAD技術促使土木設計領域中人、財、物浪費加劇。

CAD技術需要相關的軟件，運轉速度較快的電腦以及熟練掌握電腦的設計師、網絡維修人員等；購買任何正版的工程建筑軟件都要花費1~2萬元；設計師們還要開展專門的培訓工作。總之，備齊所需的人力和財力則價值不菲。同時，在使用過程中，設計師們只能看到面前的一處圖紙，而土木工程設計是一個系統(tǒng)工程，只看到一處圖紙是遠遠不夠的，它需要一整套圖紙打印后才能看清楚。電腦圖紙需要經過輸出后才能實現(xiàn)審核、修改、再審核、再修改直至正式出圖，增加了單位成本和社會成本。

（2）工種配合默契與否及信息傳遞的速度影響工作效率。

眾所周知，土木工程設計是一個系統(tǒng)工程，它涉及到許多專業(yè)和步驟。每個設計師在設計任何圖紙時不僅要考慮自身設計的合理性，還要考慮與本專業(yè)和其他專業(yè)設計人員設計上的協(xié)調性。完整的土木工程設計流程從合同簽定起經過測量數(shù)據、地質調查數(shù)據、設計說明、打印圖紙、施工管理計劃等步驟，其所需的數(shù)據量非常大。任何數(shù)據變動，就會造成設計方案的變化。所以在動手設計前，要根據現(xiàn)況、地質、道路、建筑物、生產設施的關系進行規(guī)劃、設計、施工、使用和管理。而地質、地物、道路的考察由建設單位來進行，生產設施之間的配合關系論證由勘察設計院來進行，大量數(shù)據的整理、交換、組合都需要時間。任何環(huán)節(jié)的阻塞和停滯都會影響工作效率。

（3）缺乏統(tǒng)一的智能化結構設計軟件。

目前的專業(yè)軟件，如PKPM軟件，大多數(shù)只停留在二維基礎上，充其量只是個繪圖工具，缺乏智能化。智能化結構軟件不僅能體現(xiàn)三維立體圖鏡像，而且能自動執(zhí)行相應的規(guī)范，設計所需參數(shù)取值不但要在經濟范圍內，還要便于施工。如中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部和新加坡建屋發(fā)展局開發(fā)的BEAM CAGE軟件，是按英國規(guī)范完成的鋼筋混凝土梁的配筋、選筋、撓度的計算、施工圖生成等一系列功能，雖然該軟件自動化程度高，出圖質量好，但畢竟是基于英國規(guī)范的基礎上。而在國內流行的工程智能化設計軟件如PKPM設計軟件，它還需要設計師們調整梁、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比較大，配筋也較大，而下層由于梁傳遞來的彎矩較小，配筋也較小，形成大柱種在小柱上。這需要設計工程師進行人工調整。還有按照規(guī)范規(guī)定，同一構件中鋼筋的型號差別不宜大于兩個級別，也就是說在一個構件中如果使用了直徑為16的鋼筋，那就不能使用直徑為22以上的鋼筋。但是在軟件自動出圖中常常會出現(xiàn)直徑為14的鋼筋和直徑為22的鋼筋一起使用的現(xiàn)象，這也要進行人工調整。以上說明我們還缺乏統(tǒng)一的智能化結構設計軟件。

（4）扼殺土木設計師的創(chuàng)作靈感。

俗話說：“建筑是凝固的音樂。”這句話點明了建筑也是一種藝術，它是一門融科技、文化、藝術、哲學于一體的學科。任何土建設計師都需要藝術家的靈感和天份，這種靈感和天份在處理建筑物的造型方面應有不少的“模糊感”。但CAD制圖所要求的尺寸精確消磨和扼殺了這種靈感和天份，讓設計師的設計圖樣屈從于電腦的機械和準確。還有，不少設計單位為了能夠中標，將自己的投標文件，尤其是總平面效果圖，做得非常精致美觀，不惜投入大量的人力物力在CAD的制圖上，而忽略了總平面布置圖的建筑效果和建筑師的藝術創(chuàng)造。

綜上所述，CAD的使用提高了土木設計中的高效率、高質量和高水平，同時也顯示了不完善的方面。因此，設計師們在使用過程中總結經驗，注意克服CAD帶來的負面影響，努力提高自身的計算機知識和對土建規(guī)范的使用，促進CAD的健康發(fā)展。

參考文獻

［1］張志遠，金新陽，陳岱林.基于英國規(guī)范的混凝土梁CAD系統(tǒng)的研制［J］.建筑科學，2004，（12）.

［2］GB50010-2002，混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［3］趙勇等.樓板預應力筋布索方案及其CAD實現(xiàn)［J］.建筑科學，2002，（12）.