CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

王志強(qiáng)

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，CAD技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的推廣，尤其是在重工業(yè)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)包括圖形設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)和實(shí)體設(shè)計(jì)，以及三維模型的建立。CAD技術(shù)使工業(yè)設(shè)計(jì)更加的完美和精確，本文闡述了CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)出現(xiàn)代審美的理念。

關(guān)鍵詞：CAD技術(shù)；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 引 言

CAD技術(shù)是一門(mén)結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)科的邊緣性學(xué)科。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)中所用的各種資源，包括模型設(shè)計(jì)、圖像、動(dòng)畫(huà)、設(shè)計(jì)計(jì)算、功能建模以及設(shè)計(jì)的規(guī)范標(biāo)識(shí)等，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達(dá)（幾何形狀及尺寸、結(jié)構(gòu)配置、功能描述、材料及性質(zhì)、制造要求），也包括數(shù)據(jù)交換的方法、標(biāo)準(zhǔn)和工具，以及系統(tǒng)連接的用戶接口。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供一個(gè)輔助性的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者利用設(shè)備對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)劃、分析、模擬、評(píng)價(jià)、修改并形成最終方案的文檔性創(chuàng)造活動(dòng)。在CAD技術(shù)的輔助下，設(shè)計(jì)者發(fā)揮自己的想象力、創(chuàng)造力，以及憑借著設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)圖像有機(jī)組合，綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品描述，從而提高了設(shè)計(jì)工作的效率。CAD技術(shù)的應(yīng)用是工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢(shì)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，廣泛用于土木工程、機(jī)械生產(chǎn)、航空航天、化工制造、電子生產(chǎn)等各個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，CAD技術(shù)的應(yīng)用對(duì)工業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2 CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

CAD技術(shù)在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，也成為各行業(yè)設(shè)計(jì)師必須掌握的一門(mén)技術(shù)。現(xiàn)代的建筑圖紙?jiān)O(shè)計(jì)都是通過(guò)計(jì)算機(jī)完成設(shè)計(jì)的，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模的工業(yè)化，是計(jì)算機(jī)的價(jià)格越來(lái)越便宜，而且功能越來(lái)越強(qiáng)大，為包括鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)的所有工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了便利的條件。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，CAD技術(shù)經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造三個(gè)階段。

（1）計(jì)算機(jī)輔助分析。有限元的應(yīng)用使計(jì)算機(jī)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。有限元分析方法能夠把連續(xù)的求解區(qū)域分解成簡(jiǎn)單獨(dú)立的子區(qū)域，通過(guò)分散化的方式把求解連續(xù)體的場(chǎng)變量（位移、應(yīng)力、溫度和壓力等）問(wèn)題簡(jiǎn)化為求解有限個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)變量值。從而把求解連續(xù)體問(wèn)題的微分方程組化為代數(shù)方程組。在求解中所采用的單元數(shù)量、類型以及插值函數(shù)決定著求解的精度。計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在大型的結(jié)構(gòu)分析中，通常使用的軟件有SAP、ANSYS、ADINA、ABAQUS和MARC等，都能做到對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析、靜力分析、彈塑分析以及材料的力學(xué)分析；也能夠求解結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力和溫度分布以及頻率特性。這些軟件在使用中不斷的升級(jí)，逐漸的增加新的功能，經(jīng)過(guò)不斷的研究與改進(jìn)，軟件的可靠性不斷提高，成為結(jié)構(gòu)分析研究的主要工具。但是隨著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的個(gè)性化要求，使這些軟件不能滿足特殊化的設(shè)計(jì)要求，隨著結(jié)構(gòu)有限元和計(jì)算機(jī)算法技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了許多專業(yè)化的設(shè)計(jì)軟件，如隨著結(jié)構(gòu)有限元和計(jì)算機(jī)算法技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生許多專用軟件，如ERAB、AAD、TAT、SSDD等。這些軟件可以實(shí)現(xiàn)特殊的結(jié)構(gòu)分析，能夠完成特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，能夠按照設(shè)計(jì)人員的指令繪制完整的工程圖紙。

（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助分析需要設(shè)計(jì)師從事繁重的手工計(jì)算和繪圖，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不能把設(shè)計(jì)與分析分開(kāi)。在對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行修改時(shí)，設(shè)計(jì)師要根據(jù)設(shè)計(jì)修改要求建立模型分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件能夠考慮到設(shè)計(jì)的材料和規(guī)范要求，更具工程設(shè)計(jì)的方案要求，將形成設(shè)計(jì)分析一體化的CAD系統(tǒng)。鋼筋混凝土CAD技術(shù)已經(jīng)成熟，不僅能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，還可以在設(shè)計(jì)的同時(shí)生成施工圖紙。鋼筋混凝土的CAD技術(shù)可以用來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，當(dāng)時(shí)比起專業(yè)性的軟件來(lái)說(shuō)依然存在著不足，主要在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上不夠全面。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采取通用軟件和專用軟件，再通過(guò)計(jì)算機(jī)繪圖工具繪制出完整的圖紙。

（3）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造一體化，是工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展的一大進(jìn)步。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造集成化是利用了三維模型技術(shù)，生成了一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)實(shí)體，而且能夠自動(dòng)的完成結(jié)構(gòu)構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的圖紙可以直接用于加工。基于三維技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在屏幕上見(jiàn)到實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，及時(shí)分析問(wèn)題并進(jìn)行修改。

3 CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1）結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。二十世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要是數(shù)值計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。均采用數(shù)據(jù)文件形式對(duì)結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)輸入和輸出，需要對(duì)工程的結(jié)構(gòu)計(jì)算多次分析，每次都要對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行修改，應(yīng)用很不方便，容易出錯(cuò)。

（2）前后處理結(jié)構(gòu)計(jì)算。為了克服數(shù)據(jù)文件經(jīng)常修改的弊端，開(kāi)發(fā)研究了具有前后處理的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件。采用人機(jī)交互的方式輸入數(shù)據(jù)，直觀、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確并大大提高了工作效率，但是這種軟件處理的結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式使用有局限。

（3）結(jié)構(gòu)CAD及其系列化。結(jié)構(gòu)以D在設(shè)計(jì)行業(yè)使用較為普遍，使用效果也很理想。開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)以D系列的工作量很大，不僅涉及到圖形顯示，而且還涉及到計(jì)算理論和各種規(guī)范的要求，并且以較高自動(dòng)化程度完成施工圖紙的繪制。目前，我國(guó)使用較廣的CAD系列軟件有PKPM系列、TBSA系列等，這些軟件的推廣應(yīng)用提高了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，對(duì)建筑業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

4 CAD系統(tǒng)展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CAD技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)各專業(yè)必將形成集成化系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能更將強(qiáng)大，可以提高整體設(shè)計(jì)的效率。在集成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行的并行環(huán)境，把設(shè)計(jì)人員放在重要的位置，加強(qiáng)工程師的協(xié)同工作，共享數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形庫(kù)和材料庫(kù)，并且能夠及時(shí)修改設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展對(duì)CAD系統(tǒng)的應(yīng)用提供了新的機(jī)遇，以工程項(xiàng)目為核心，將分散于各地的設(shè)計(jì)人員組成一個(gè)“虛擬群體”，超越各種障礙如應(yīng)用領(lǐng)域、地理位置、不同計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等，協(xié)同進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)。而且這種并行設(shè)計(jì)活動(dòng)要求各方面的專家可以看到工作的結(jié)果，并能夠向著共同的目標(biāo)工作。

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