CAD 技術在建筑結構設計中的應用

沈捷攀 林 晨

近年來,計算機輔助設計(CAD)應用于建筑結構設計已由推廣進入普及,它對我國建筑工程設計業帶來了革命性的變化。目前的結構設計軟件通過建設部鑒定并且推廣使用的已經有多種,各有各的特點,但在一定程度上都存在一定的不足。由此,我們對目前的狀況進行了歸納分析,得出了存在的主要問題以及解決這些問題的方法。

1 我國主要的結構設計軟件

1.1 PKPM 系列

PKPM系列結構設計繪圖軟件,由中國建科院結構所研制開發,采用FORTRAN語言編寫,以AUTOCAD做繪圖支持軟件。主要軟件有:1)鋼筋混凝土框、排架及連續梁結構計算與繪圖軟件;2)PMCAD結構平面設計及軟件;3)TAT SATWE高層建筑結構三維分析計算程序;4)EF彈性地基梁筏板基礎結構CAD;5)JLQ剪力墻結構計算機輔助設計;6)STS鋼結構輔助設計。

其優點是:這批軟件既可接力運行,亦可獨立操作,使用相當方便,稍具CAD基礎知識及有一定的結構知識和經驗的人員均可使用。由于其較強的人機交互功能和繪圖功能,以及適應性很好的前后處理功能,可以實現從結構分析到施工圖繪制的全過程。

其不足之處是:尺寸標注及梁柱斷面圖太多,且難以人工調整,計算結果亦太保守。

1.2 TBACCA系列

TBACCA系列建筑工程輔助設計系統軟件,由北京建筑工程設計軟件研究院開發,其主要軟件有:1)TBSACAD多層及高層建筑結構輔助設計系統;2)TBTS高層及多層建筑結構空間分析系統;3)TBFECAD輔助地基設計系統;4)TBLBLTCAD梁板樓梯輔助設計軟件;5)TBSSCAD鋼桁架輔助設計。

此外該系統尚含有建筑、城規、電氣、水、暖等專業軟件。這批軟件的特點是編制緊湊,操作簡單,適用范圍廣泛,同樣可實現結構分析到施工圖繪制的全過程。但它不能用于計算多塔樓結構,同時由于在現澆結構計算中未考慮樓板對梁抗扭剛度的影響,因而計算結果一般難以滿足抗扭要求。

以上兩系列軟件誰優誰劣,目前尚難以區分,但PKPM系列較為通俗,應用稍微廣泛一些。

2 結構設計過程中存在的主要問題及解決方法

1)一些軟件使用較為復雜,用戶不易掌握,而且出圖質量不高,很多情況下設計人員必須對設計出的圖形進行一些修改,才能滿足設計要求。由于這些軟件大都基于AUTOCAD軟件平臺,所以如果設計者不熟練掌握CAD技巧,那么對設計圖形進行編輯修改是非常困難的。2)國內設計軟件大都是單機版,資源浪費嚴重。各設計院對同一套軟件需要重復購買,而軟件比較昂貴,使得設計部門投入較大,對普及計算機輔助設計帶來了一定的困難,所以建立網絡CAD系統勢在必行。計算機網絡是近年來飛速發展的一個領域,它的最大特點是資源共享、信息傳遞,在一些發達國家,計算機網絡遍布各個行業,而在建筑設計方面更為普遍。所謂計算機網絡就是利用通訊設備和線路將地點不同、功能獨立的多個計算機系列互連起來,功能完善的網絡軟件實現網絡中軟、硬件資源的共享和信息傳遞。所以對于建立了網絡系統的設計部門,只需購買一套設計軟件就可以為所有設計人員共用,完全避免了重復購買軟件的費用。3)近年來,計算機輔助設計給結構設計帶來了革命性的變化,隨著計算機硬件和軟件的進步,CAD自動化程度越來越高,工程師們可以很快的完成復雜結構的分析與設計。正因如此,使得一部分人忽略、淡化了重要的設計概念,過分依賴于計算機,以至于在計算中出現差錯。所以為了避免此類問題的發生我們要做到以下幾點:首先,必須以概念設計為主導,根據建筑物的功能、高度和結構自身受力特性等來選擇合適的結構體系,如框架結構、剪力墻結構、框剪、筒體結構等。其次,了解程序的基本假定、適用范圍,根據不同的工程選擇不同的模型進行分析計算。隨著社會的發展,設計思想不斷更新,結構體系日趨多樣化,建筑平面布置與豎向體型也越來越復雜。錯層、多塔樓、樓板形狀復雜或開大洞,使樓板的剛度受到削弱和不連續性、抗側力結構沿豎向剛度發生突變,一些特殊結構沒有樓板或部分沒有樓板,此時各節點的平動不再線性相關,結構分析時不宜再按剛性樓板考慮,這時選擇適用的程序尤為關鍵。第三,正確選擇軟件。高層建筑結構三維空間分析軟件常見的有薄壁桿件模型、殼元模型,如等平面框架、排架軟件的底層框架空間分析程序等。設計人員應根據工程受力特點及結構形式正確選用相應力學模型的分析軟件。對于一些大中型重要工程應采用兩種以上不同理論模型進行比較,選擇更合理的計算結果。

3 CAD在建筑工程應用中的發展方向

1)科學計算可視化。科學計算可視化是發達國家于20世紀90年代后期提出并發展起來的新興技術,是指將科學計算過程和產生數據轉換為圖形及圖像信息,在屏幕上顯示并進行交互處理。作為科學發現與理解的強有力工具,在土木工程領域中,可視化研究有廣闊的應用前景,如抗震抗爆研究中隨時間變化的三維圖形動態顯示震源、爆源對工程結構影響及破壞規律的模擬,可為科研人員提供前所未有的機會來理解和觀察計算過程和模型設計中所發生的一切,計算可視化對工程結構的力學規律研究,對工程可靠性評估和優化設計是有力的工具,同時,又能為CAD系統提供快捷方便的前處理模塊。這將使土木工程CAD系統的功能效率提高到新的水平。2)向設計的全過程拓展,實現一體化和智能化。國外建筑工程領域在20世紀80年代已開始了設計全過程一體化的研究。從信息的集成和高水平的開發兩方面著手,提出了諸多設計階段的數據模型,分析設計全過程的自動化實施方法,還進行了建筑物產品模型標準的研究。美國和西歐一些國家曾聯合組成專門委員會,致力于開發通用服務系統,支持全球建筑設計信息交換,并研究了建筑工程模式與圖形數據交換統一標準。國外多種CAD平臺都可以支持從方案到逼真的效果顯示,從建筑、結構、設備到概預算的全設計過程。人工智能輔助設計是CAD的另一個重要發展方向,帶有內置專用知識的人工智能,能完成面向對象的參數設計,能方便地評價設計的完善性,提供易于使用的工具,在全過程設計中,引導設計人員在較高層次上自動完成分析及設計,同時保證在遵守現有標準允許的范圍內優化設計方案,改善分析及設計的質量。

4 結語

隨著國際CAD技術的發展,建筑CAD系統的使用將更加方便,同時隨著AI(人工智能)技術的發展和侵入,智能型CAD設計系統將會出現。建筑CAD技術的普及和發展,使工程設計人員完全脫離手工繪圖的日子已經來臨。然而甩掉圖板是CAD的第一代,要想趕上發達國家的水平,我們必須向網絡化、一體化進行邁步,進而提高建筑工程的整體水平和效益。

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