CAD 技术在建筑结构设计中的应用

沈捷攀 林 晨

近年来,计算机辅助设计(CAD)应用于建筑结构设计已由推广进入普及,它对我国建筑工程设计业带来了革命性的变化。目前的结构设计软件通过建设部鉴定并且推广使用的已经有多种,各有各的特点,但在一定程度上都存在一定的不足。由此,我们对目前的状况进行了归纳分析,得出了存在的主要问题以及解决这些问题的方法。

1 我国主要的结构设计软件

1.1 PKPM 系列

PKPM系列结构设计绘图软件,由中国建科院结构所研制开发,采用FORTRAN语言编写,以AUTOCAD做绘图支持软件。主要软件有:1)钢筋混凝土框、排架及连续梁结构计算与绘图软件;2)PMCAD结构平面设计及软件;3)TAT SATWE高层建筑结构三维分析计算程序;4)EF弹性地基梁筏板基础结构CAD;5)JLQ剪力墙结构计算机辅助设计;6)STS钢结构辅助设计。

其优点是:这批软件既可接力运行,亦可独立操作,使用相当方便,稍具CAD基础知识及有一定的结构知识和经验的人员均可使用。由于其较强的人机交互功能和绘图功能,以及适应性很好的前后处理功能,可以实现从结构分析到施工图绘制的全过程。

其不足之处是:尺寸标注及梁柱断面图太多,且难以人工调整,计算结果亦太保守。

1.2 TBACCA系列

TBACCA系列建筑工程辅助设计系统软件,由北京建筑工程设计软件研究院开发,其主要软件有:1)TBSACAD多层及高层建筑结构辅助设计系统;2)TBTS高层及多层建筑结构空间分析系统;3)TBFECAD辅助地基设计系统;4)TBLBLTCAD梁板楼梯辅助设计软件;5)TBSSCAD钢桁架辅助设计。

此外该系统尚含有建筑、城规、电气、水、暖等专业软件。这批软件的特点是编制紧凑,操作简单,适用范围广泛,同样可实现结构分析到施工图绘制的全过程。但它不能用于计算多塔楼结构,同时由于在现浇结构计算中未考虑楼板对梁抗扭刚度的影响,因而计算结果一般难以满足抗扭要求。

以上两系列软件谁优谁劣,目前尚难以区分,但PKPM系列较为通俗,应用稍微广泛一些。

2 结构设计过程中存在的主要问题及解决方法

1)一些软件使用较为复杂,用户不易掌握,而且出图质量不高,很多情况下设计人员必须对设计出的图形进行一些修改,才能满足设计要求。由于这些软件大都基于AUTOCAD软件平台,所以如果设计者不熟练掌握CAD技巧,那么对设计图形进行编辑修改是非常困难的。2)国内设计软件大都是单机版,资源浪费严重。各设计院对同一套软件需要重复购买,而软件比较昂贵,使得设计部门投入较大,对普及计算机辅助设计带来了一定的困难,所以建立网络CAD系统势在必行。计算机网络是近年来飞速发展的一个领域,它的最大特点是资源共享、信息传递,在一些发达国家,计算机网络遍布各个行业,而在建筑设计方面更为普遍。所谓计算机网络就是利用通讯设备和线路将地点不同、功能独立的多个计算机系列互连起来,功能完善的网络软件实现网络中软、硬件资源的共享和信息传递。所以对于建立了网络系统的设计部门,只需购买一套设计软件就可以为所有设计人员共用,完全避免了重复购买软件的费用。3)近年来,计算机辅助设计给结构设计带来了革命性的变化,随着计算机硬件和软件的进步,CAD自动化程度越来越高,工程师们可以很快的完成复杂结构的分析与设计。正因如此,使得一部分人忽略、淡化了重要的设计概念,过分依赖于计算机,以至于在计算中出现差错。所以为了避免此类问题的发生我们要做到以下几点:首先,必须以概念设计为主导,根据建筑物的功能、高度和结构自身受力特性等来选择合适的结构体系,如框架结构、剪力墙结构、框剪、筒体结构等。其次,了解程序的基本假定、适用范围,根据不同的工程选择不同的模型进行分析计算。随着社会的发展,设计思想不断更新,结构体系日趋多样化,建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂。错层、多塔楼、楼板形状复杂或开大洞,使楼板的刚度受到削弱和不连续性、抗侧力结构沿竖向刚度发生突变,一些特殊结构没有楼板或部分没有楼板,此时各节点的平动不再线性相关,结构分析时不宜再按刚性楼板考虑,这时选择适用的程序尤为关键。第三,正确选择软件。高层建筑结构三维空间分析软件常见的有薄壁杆件模型、壳元模型,如等平面框架、排架软件的底层框架空间分析程序等。设计人员应根据工程受力特点及结构形式正确选用相应力学模型的分析软件。对于一些大中型重要工程应采用两种以上不同理论模型进行比较,选择更合理的计算结果。

3 CAD在建筑工程应用中的发展方向

1)科学计算可视化。科学计算可视化是发达国家于20世纪90年代后期提出并发展起来的新兴技术,是指将科学计算过程和产生数据转换为图形及图像信息,在屏幕上显示并进行交互处理。作为科学发现与理解的强有力工具,在土木工程领域中,可视化研究有广阔的应用前景,如抗震抗爆研究中随时间变化的三维图形动态显示震源、爆源对工程结构影响及破坏规律的模拟,可为科研人员提供前所未有的机会来理解和观察计算过程和模型设计中所发生的一切,计算可视化对工程结构的力学规律研究,对工程可靠性评估和优化设计是有力的工具,同时,又能为CAD系统提供快捷方便的前处理模块。这将使土木工程CAD系统的功能效率提高到新的水平。2)向设计的全过程拓展,实现一体化和智能化。国外建筑工程领域在20世纪80年代已开始了设计全过程一体化的研究。从信息的集成和高水平的开发两方面着手,提出了诸多设计阶段的数据模型,分析设计全过程的自动化实施方法,还进行了建筑物产品模型标准的研究。美国和西欧一些国家曾联合组成专门委员会,致力于开发通用服务系统,支持全球建筑设计信息交换,并研究了建筑工程模式与图形数据交换统一标准。国外多种CAD平台都可以支持从方案到逼真的效果显示,从建筑、结构、设备到概预算的全设计过程。人工智能辅助设计是CAD的另一个重要发展方向,带有内置专用知识的人工智能,能完成面向对象的参数设计,能方便地评价设计的完善性,提供易于使用的工具,在全过程设计中,引导设计人员在较高层次上自动完成分析及设计,同时保证在遵守现有标准允许的范围内优化设计方案,改善分析及设计的质量。

4 结语

随着国际CAD技术的发展,建筑CAD系统的使用将更加方便,同时随着AI(人工智能)技术的发展和侵入,智能型CAD设计系统将会出现。建筑CAD技术的普及和发展,使工程设计人员完全脱离手工绘图的日子已经来临。然而甩掉图板是CAD的第一代,要想赶上发达国家的水平,我们必须向网络化、一体化进行迈步,进而提高建筑工程的整体水平和效益。

[1] 王秀夫,李彦涛.采用CAD技术进行建筑工程设计的优缺点[J].黑龙江科技信息,2009(29):331.

[2] 刘堂华.结构CAD应用技术的几个问题[J].工程建筑与档案,2002(2):29-30.

[3] 张 蓉.在建筑结构CAD中加强设计概念[J].福建建设科技,1999(4):12-14.

[4] 邵乘胜.AutoCAD辅助建筑装饰设计及工程制图的技巧[J].山西建筑,2008,34(33):365-366.

[5] 邱 岩,曾 魁.我国建筑CAD系统的现状及发展趋势[J].青岛建筑工程学院学报,1995(2):73-76.