土木工程概論 第11章 計(jì)算機(jī)在土木工程中應(yīng)用

1、第第1111章章 計(jì)算機(jī)在土木工計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用程中的應(yīng)用教教學(xué)目標(biāo)學(xué)目標(biāo)熟悉計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念；熟悉常用結(jié)構(gòu)工程軟件的功能與特點(diǎn)；了解Autocad的基本功能；了解有限元分析的概念以及其在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中的作用；了解智能建筑的概念及其發(fā)展；了解智能建筑在我國(guó)的現(xiàn)狀。教學(xué)目標(biāo)通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，加強(qiáng)理解計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程實(shí)踐中的重要性，熟悉各種不同結(jié)構(gòu)軟件的運(yùn)行環(huán)境與功能，為以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。知識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)o 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)o 第二節(jié)第二節(jié) 計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算o 第三節(jié)第三節(jié) 智能建筑智能建筑目錄目錄計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助

2、設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，簡(jiǎn)稱CAD）是一種利用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法和技術(shù)，是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新科學(xué)。 p計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述 CAD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 1. 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、工程設(shè)計(jì)知識(shí)與方法 2.計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 3.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)、有限元法 4.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)pCADCAD在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用常用結(jié)構(gòu)工程CAD軟件介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) AutoCad軟件及其操作基礎(chǔ) AutoCAD是美國(guó)Autodesk公司1982年推出的計(jì)算

3、機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件包。自推出以來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了20多次升級(jí)，從1982年的AutoCADV1.0到如今AutoCAD 2013其功能日益強(qiáng)大和完善，現(xiàn)在AutoCAD已經(jīng)成為CAD的世界標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、航天、石油化工、紡織等各種工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)pCADCAD在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用AutoCad軟件及其操作基礎(chǔ) 1.基本功能（1）平面繪圖 能以多種方式創(chuàng)建直線、圓、橢圓、多邊形、樣條曲線等基本圖形對(duì)象。 （2）繪圖輔助工具 AutoCAD提供了正交、對(duì)象捕捉、極軸追蹤、捕捉追蹤等 。 （3）標(biāo)注尺寸 可以創(chuàng)建多種類型尺寸，標(biāo)注外觀可以自行

4、設(shè)定。 （4）書寫文字 能輕易在圖形的任何位置、沿任何方向書寫文字，可設(shè)定文字、字體、傾斜角度及寬度縮放比例等屬性。 （5）三維繪圖 可創(chuàng)建3D實(shí)體及表面模型，能對(duì)實(shí)體本身進(jìn)行編輯。 （6）網(wǎng)絡(luò)功能 可將圖形在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，或是通過網(wǎng)絡(luò)訪問AutoCAD資源。 （7）數(shù)據(jù)交換 AutoCAD提供了多種圖形圖像數(shù)據(jù)交換格式及相應(yīng)命令。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)pCADCAD在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用pCADCAD在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從三維實(shí)體到二維投影的思維方式從三維實(shí)體到二維投影的思維方式 pCADCAD在我國(guó)建筑

5、工程領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用 AutoCad軟件及其操作基礎(chǔ) 2.以AutoCAD為圖形支撐平臺(tái)進(jìn)行的二次開發(fā)軟件舉例 由北京天正工程軟件有限公司開發(fā)的天正系列軟件是國(guó)內(nèi)最早開始對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)的CAD軟件之一，從1994年至今已經(jīng)發(fā)展出天正建筑、電氣、暖通、給排水、日照、結(jié)構(gòu)、裝修、市政等一系列建筑工程相關(guān)軟件。 3D3S是由同濟(jì)大學(xué)開發(fā)，主要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的CAAD軟件。它可以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、空間張拉結(jié)構(gòu)、膜材結(jié)構(gòu)、幕墻結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以及塔桅結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析計(jì)算，目前3D3S已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)廣泛使用的鋼結(jié)構(gòu)軟件。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)pCA

6、DCAD在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用天正建筑天正建筑TarchTarch對(duì)建筑物模型表面材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置的情形對(duì)建筑物模型表面材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置的情形 使用使用3D3S3D3S設(shè)計(jì)的多層建筑結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)的多層建筑結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)pCADCAD在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用使用廣廈建筑結(jié)構(gòu)使用廣廈建筑結(jié)構(gòu)CADCAD進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 使用使用PKPMPKPM生成施工圖生成施工圖 計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算 p計(jì)算機(jī)仿真的概念，以及其起源和發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真的概念，以及其起源和發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系

7、統(tǒng)控制的人的思維過程和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)性比較逼真的模仿。 在我國(guó)，自從20世紀(jì)50年代中期以來(lái)，系統(tǒng)仿真技術(shù)就在航天、航空、軍事等尖端領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了重大的成果。自20世紀(jì)80年代初開始，隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字仿真技術(shù)在土木工程、自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)、機(jī)械制造、造船、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。有限元分析（Finite Element Analyse，簡(jiǎn)稱FEA）作為計(jì)算機(jī)仿真的重要手段在土木工程有著極其廣泛的應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)在于用大量離散的單元代表一個(gè)給定的域。1941年Hrenikoff提出了所謂的網(wǎng)格法，它將平面彈性體看作是一批桿件和梁；1943年Courant提出了在一個(gè)子域上采用

8、逐段連續(xù)函數(shù)來(lái)接近未知函數(shù)。Hrenikoff和Courant提出的無(wú)疑是有限元方法（Finite Element Method，簡(jiǎn)稱FEM）的關(guān)鍵特性，但正式的有限元法的文獻(xiàn)則應(yīng)歸功于Argyris、Kelsey、Turner、Clough、Martin和Topp，其中Clough于1960年第一次使用了“有限元”這個(gè)名詞，其后有限元的研究開始迅速發(fā)展，在結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)，核物理等方面都有著極為重要的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算 p仿真軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用仿真軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用 常見的通用有限元分析程序，如ANSYS、ABAQUS、DIANA、AD

9、INA、IDARC、ALGOR等程序當(dāng)中對(duì)國(guó)內(nèi)影響比較大的是ANSYS 。 使用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析一般分前處理、求解和后處理三步。其中前處理當(dāng)中會(huì)包含著建模、設(shè)定分析類型、設(shè)定模型材料性質(zhì)參數(shù)、設(shè)定單元類型、劃分單元、施加約束和荷載幾步，是整個(gè)分析過程用時(shí)最多的部分。一個(gè)有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能夠正常完成都取決于前處理工作完成的質(zhì)量。使用使用ANSYSANSYS建模并進(jìn)行力學(xué)分析建模并進(jìn)行力學(xué)分析 在在ANSYSANSYS中導(dǎo)入中導(dǎo)入AutoCADAutoCAD模型模型 計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算 p仿真軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用仿真軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域中的

10、應(yīng)用作為當(dāng)今大型通用程序?qū)I(yè)化的趨向，ANSYS也推出了供開發(fā)者針對(duì)特定分析需求，開發(fā)具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件的專用平臺(tái)ANSYS Workbench。它提供了一個(gè)加載和管理各種API組件的基本框架，在這個(gè)框架中各種組件通過Jscript、Vbscript和HTML腳本組織成適合用戶使用的GUI，開發(fā)者自己的技術(shù)也可以向ANSYS的技術(shù)一樣編制成API融入到程序當(dāng)中 。ANSYS Workbench ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 在在ANSYS WorkbenchANSYS Workbench中導(dǎo)入中導(dǎo)入AutoCAD AutoCAD 模型模型計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算

11、 p仿真軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用仿真軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用 ANSYS功能雖然強(qiáng)大，但美中不足的是由于ANSYS對(duì)混凝土、地基等高度非線性問題的處理相當(dāng)困難，相較之下ABAQUS在這方面有著更有為優(yōu)越的表現(xiàn)。 ANSYS WorkbenchANSYS Workbench自動(dòng)進(jìn)行分析，定義接觸自動(dòng)進(jìn)行分析，定義接觸 在在ANSYS WorkbenchANSYS Workbench環(huán)境中查看應(yīng)力云圖環(huán)境中查看應(yīng)力云圖 智能建筑智能建筑 p智能建筑的概念及其發(fā)展智能建筑的概念及其發(fā)展 智能建筑的概念，在本世紀(jì)末誕生于美國(guó)。第一幢智能大廈于1984年在美國(guó)哈特福德 （Hartford）市建成。智

12、能建筑是信息時(shí)代的必然產(chǎn)物，當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志是4C技術(shù)（即Computer計(jì)算機(jī)技術(shù)、Control控制技術(shù)、Communication通信技術(shù)、CRT圖形顯示技術(shù)）。將4C技術(shù)綜合應(yīng)用于建筑物之中，在建筑物內(nèi)建立一個(gè)計(jì)算機(jī)綜合網(wǎng)絡(luò)，使建筑物智能化。4C技術(shù)僅僅是智能建筑的結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化。 在信息社會(huì)中，人們對(duì)于現(xiàn)代建筑的概念也在發(fā)生變化，傳統(tǒng)建筑提供的服務(wù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)和工作環(huán)境等方面的要求。智能大廈(Intelligent Building，以下簡(jiǎn)單稱IB)的出現(xiàn)，使得一幢幢樓就變成一個(gè)小社會(huì)，其內(nèi)部有眾多的小公司，各種商業(yè)的生活行為要求數(shù)以兆計(jì)的信息和控制指令進(jìn)出整

13、座大廈。IB把建筑物的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理等基本要 素以及它們之間內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行優(yōu)化組合，從而提供一個(gè)投資合理、高效、舒適、便利的環(huán)境 。 智能建筑智能建筑 p智能建筑的概念及其發(fā)展智能建筑的概念及其發(fā)展 智能大廈的沿革 IB的發(fā)展史，是一個(gè)從監(jiān)控到管理的發(fā)展過程，也是樓宇設(shè)備監(jiān)控的演變史。早期的超高層大樓一般設(shè)備非常多，諸如空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、停車場(chǎng)系統(tǒng)等各種專業(yè)系統(tǒng)同時(shí)共存。操作和控制這些系統(tǒng)，僅靠中央臨近室很難實(shí)現(xiàn)。80年代，微電腦技術(shù)的崛起再加上信號(hào)傳統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，基本上實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)備都可以顯示于大樓內(nèi)的中央監(jiān)控室，并且較容易地進(jìn)行操作和管理，從而提高

14、了效率 。智能建筑智能建筑 p智能建筑的概念及其發(fā)展智能建筑的概念及其發(fā)展 智能大廈的內(nèi)涵與體系結(jié)構(gòu)1.位于華盛頓特區(qū)的“智能大廈研究機(jī)構(gòu)”對(duì)IB的定義 ：“智能大廈是人們通過對(duì)建筑物的四個(gè)基本要素結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)的最優(yōu)化分析，提供一個(gè)投資合理、效率又高的舒適、溫馨、便利的環(huán)境?！?.美國(guó)智能建學(xué)會(huì)(AIBI，American Intelligent Building Institute)定義“智能建筑”是將結(jié)構(gòu) 、系統(tǒng)、服務(wù)、運(yùn)營(yíng)及其相互聯(lián)系全面綜合，并達(dá)到最佳組合，所獲得的高效率、高功能與舒適性的大樓。3.日本的建筑學(xué)界強(qiáng)調(diào)IB就是高功能大樓，是方便有效地利用現(xiàn)代信息與通

15、信設(shè)備，并利用樓宇自動(dòng)化技術(shù)，具有高度綜合管理功能的大樓。4.新加坡規(guī)定IB必須有三個(gè)條件：一是具有保安、消防與環(huán)境控制等先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以及自動(dòng)調(diào)節(jié)大廈的溫度、濕度、燈光等參數(shù)的各種設(shè)施，以創(chuàng)造舒適安全的環(huán)境；二是具有良好的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，使數(shù)據(jù)在大廈內(nèi)進(jìn)行流通；三是提供足夠的對(duì)外通信設(shè)施與能力。5.我們的認(rèn)識(shí)：IB 是以建筑為平臺(tái)，利用系統(tǒng)集成方法，將智能型計(jì)算機(jī)、通信及信息技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過對(duì)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控，對(duì)信息資源的管理和對(duì)使用者的信息服務(wù)及其與建筑的優(yōu)化組合，所獲得的投資合理，適合信息社會(huì)需要并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活更具人情化的建筑物。智能建筑智能建筑 p智

16、能建筑的概念及其發(fā)展智能建筑的概念及其發(fā)展 建筑物的運(yùn)作綜合智能化建筑物的運(yùn)作綜合智能化通常由五個(gè)方面組成：1.建筑功能運(yùn)作自動(dòng)化。大型建筑物的運(yùn)作包含有多種功能系統(tǒng)，如水、電、熱力、空調(diào)、通訊等等。他們又各有特色，如水又分為生活用水、生活污水、生活熱水、生產(chǎn)污水、消防用水、生活及生產(chǎn)廢水處理與循環(huán)使用、生產(chǎn)及生活污水的處理等。而這些對(duì)一座建筑物來(lái)說要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制就十分復(fù)雜。所以智能的概念是替人來(lái)做出最佳方案并完成其運(yùn)行。2.建筑物的節(jié)能運(yùn)作。智能建筑的另一使命是降低建筑物各類設(shè)備的能耗，延長(zhǎng)其使用壽命，提高效率，減少管理人員，求取更高的經(jīng)濟(jì)效率。3.通信自動(dòng)化。利用電信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星電視和計(jì)算機(jī)

17、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為大廈提供現(xiàn)代化的信息傳遞手段。4.辦公自動(dòng)化。5.安全保衛(wèi)自動(dòng)化。通過各種攝像、各種感觸探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)采集、分析、處理，并經(jīng)由機(jī)電一體化的設(shè)備進(jìn)行控制保護(hù)。智能建筑智能建筑 p智能建筑在我國(guó)的發(fā)展智能建筑在我國(guó)的發(fā)展 建筑物的運(yùn)作綜合智能化 智能建筑在我們國(guó)家起步相對(duì)較晚，在二十世紀(jì)八十年代末才提出了樓宇自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化。這個(gè)時(shí)候人們對(duì)建筑智能化理解主要是將電話、有線電視系統(tǒng)接到建筑中來(lái)，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)對(duì)建筑中機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制和管理。各個(gè)系統(tǒng)是獨(dú)立，相互沒有聯(lián)系，與建筑結(jié)合也不密切。 智能建筑在國(guó)內(nèi)興起的初期階段，大多數(shù)建筑單位并不了解何為智能大廈，只是抓住這個(gè)時(shí)耀的詞匯套用在自己的建筑物上，致使我國(guó)真正意義上的智能化建筑甚少。隨著社會(huì)進(jìn)步，中國(guó)的智能建筑市場(chǎng)十分巨大，但早期的智能建筑技術(shù)及產(chǎn)品都由外國(guó)公司控制，工程也由外國(guó)公司把持，如：霍尼維爾、江森、瑪斯特公司等，使大量外匯流失。而且很多設(shè)備往往由不同的國(guó)外廠家提供，產(chǎn)品兼容性差，以致單個(gè)產(chǎn)品性能不錯(cuò)，但組成系統(tǒng)后效果較差。加上系統(tǒng)建成后的后期維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)也缺乏一個(gè)國(guó)內(nèi)的隊(duì)伍予以支持和配合，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效果往往不佳，更出現(xiàn)了不少爭(zhēng)議之作。 智能建筑本身就是一發(fā)展的概念