關(guān)于土木工程信息化的發(fā)展及前景

1、關(guān)于土木工程信息化的發(fā)展及前景近四十年來,計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,使土木工程這一古老的學(xué)科煥發(fā)了青春。計算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用,也已從早期的數(shù)值分析發(fā)展到了工程設(shè)計的各個階段和更多的環(huán)節(jié)。20年前,結(jié)構(gòu)工程師們對計算機(jī)幫助他們進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)的分析計算工作已經(jīng)感到非常滿意,而今天,用計算機(jī)繪制圖紙已是計算機(jī)在土木中的最簡單應(yīng)用。建筑業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)今時代它的發(fā)展無疑將被信息化帶動。作為國家未來的土木工程師應(yīng)該對其發(fā)展的新方向有一個整體的認(rèn)識和理解，也為了更好的掌握其節(jié)拍走到前沿領(lǐng)域推動大的飛躍，我做了相應(yīng)的調(diào)查和整理，來淺析這些問題。土木工程的信息化的概念土木工程的信息化的概念是用

2、計算機(jī)、通信、自動控制等信息匯集處理高新技術(shù)對傳統(tǒng)土木工程技術(shù)手段及施工方式進(jìn)行改造與提升，促進(jìn)土木工程技術(shù)及施工手段不斷完善，使其更加科學(xué)、合理、高效。其中計算機(jī)在土木中的應(yīng)用是最廣泛的。已經(jīng)擴(kuò)展到建筑材料和制品的生產(chǎn)、各類土木工程設(shè)計、計算、施工及研發(fā)等領(lǐng)域。概況在土木工程領(lǐng)域，計算機(jī)的應(yīng)用已不僅僅局限于CAD,而是發(fā)展到工程項目全生命周期的每一個方面和每一個環(huán)節(jié)。土木工程CAD已經(jīng)向著土木工程CAE的方向發(fā)展，即在工程項目全生命周期的每一個方面和每一個環(huán)節(jié)中應(yīng)用科學(xué)計算可視化計算、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多媒體技術(shù)、3S（GS、GPS、RS）等計算機(jī)新技術(shù)。計算機(jī)在土木工程中的主要應(yīng)用

3、方向和發(fā)展計算機(jī)技術(shù)涵蓋了工程設(shè)計、施工、企業(yè)、管理和信息系統(tǒng)。應(yīng)用在現(xiàn)場信息的采集和處理、協(xié)同設(shè)計、結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析和計算等方面。VR技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項集成性極高的高新信息技術(shù)。土木工程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及土木工程領(lǐng)域的各個學(xué)科，已顯示出一定的實(shí)用性，技術(shù)潛力十分巨大，應(yīng)用前景非常廣闊。在土木工程中，長期以來人們不得不用抽象的概念表示非常豐富的內(nèi)容，如用平面圖、剖面圖、立面圖等平面圖形成一些規(guī)定的符號來表示三維的立體建筑，用比較抽象的圖形和精練的語言來描述復(fù)雜的場景，以傳遞大量的信息。但這一種信息處理與傳遞方式受到信息接受者所從事的職業(yè)、知識結(jié)構(gòu)及理解能力的影響，交流起來非常困難。而VR技

4、術(shù)融合了數(shù)字圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支把抽象、復(fù)雜的計算機(jī)數(shù)據(jù)空間轉(zhuǎn)化為直觀的、用戶熟悉的事物。它的技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供一種高級的人機(jī)接口。使虛構(gòu)的世界在感覺上與現(xiàn)實(shí)世界卻是基本相同的。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備多感知性、沉浸性、和交互性的優(yōu)勢特征，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在虛擬施工過程和施工結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中，建立周圍場景、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械設(shè)備等的三維CAD模型（虛擬模型），形成基于計算機(jī)的具有一定功能的仿真系統(tǒng)，讓系統(tǒng)中的模型具有動態(tài)性能，并對系統(tǒng)中的模型進(jìn)行虛擬裝配，根據(jù)虛擬裝

5、配的結(jié)果，在人機(jī)交互的可視化環(huán)境中對施工方案進(jìn)行修改。復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工涉及的因素較多，是施工方案設(shè)計必須考慮的問題。建筑結(jié)構(gòu)施工前往往要對施工方案進(jìn)行受力狀態(tài)復(fù)核。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對不同的方案，在短時間內(nèi)做大量的分析，從而保證施工方案最優(yōu)化。在工程項目招標(biāo)投標(biāo)中的應(yīng)用建筑業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，建筑市場的過度競爭已是長期的事實(shí)。借助虛擬仿真系統(tǒng)，把不能預(yù)演的施工過程和方法表現(xiàn)出來，不僅節(jié)省了時間和建設(shè)投資，而且不用項目經(jīng)理的現(xiàn)場答辯，方案的優(yōu)劣就一目了然。這無疑大大增加了承包商中標(biāo)的幾率。在可視化計算領(lǐng)域的應(yīng)用可視化計算將是今后一個重要的發(fā)展方向。在運(yùn)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以

6、通過顏色的深淺給出三維物體中各點(diǎn)力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點(diǎn)去觀察。還可以利用VR的交互性能，實(shí)時修改各種數(shù)據(jù)，以便對各種方案及結(jié)果進(jìn)行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。把可視化計算技術(shù)應(yīng)用于超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計、工程控制和結(jié)構(gòu)分析中，將增強(qiáng)計算軟件的前后置處理能力。例如，在橋梁工程控制和結(jié)構(gòu)分析的可視化計算中，倒退（拆）分析結(jié)構(gòu)倒拆動態(tài)演示、結(jié)構(gòu)理想施工線型顯示、施工階段主梁形心線的設(shè)計曲線和實(shí)測擬合曲線的顯示、前進(jìn)分橋結(jié)構(gòu)拼裝動態(tài)演示、施工預(yù)告圖形顯示、主梁內(nèi)力圖顯示、危險截面應(yīng)力分布圖顯示等等。更重要的是能借助圖形或圖像來進(jìn)行實(shí)

7、時動態(tài)地控制結(jié)構(gòu)的重分析和獲取施工控制數(shù)據(jù)，同時能實(shí)時動態(tài)演示和控制設(shè)計和施工的過程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不斷發(fā)展，專用于計算機(jī)圖形和多媒體信息處理的高性能DSP芯片可使處理能力提高上百倍，三維圖形算法和參數(shù)化建模算法等可使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加成熟。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還有很多不完善的地方，尤其在土木工程的研究方面，我們應(yīng)努力建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)有價值的虛擬現(xiàn)實(shí)工程系統(tǒng)，使其在工程設(shè)計、施工、管理和可視化計算等方面得到更廣泛的應(yīng)用。土木工程結(jié)構(gòu)的無線AE測試系統(tǒng)設(shè)計制作無線AE檢測節(jié)點(diǎn)，采用LABVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境開發(fā)了系統(tǒng)監(jiān)測評估軟件，建立擴(kuò)展性高的AE測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的無線測量

8、與損傷定位，也將解決目前國內(nèi)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器頻寬較低的現(xiàn)狀。無線AE測試系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)基于無線傳感技術(shù)與LABVIEW技術(shù)。主要由無線AE檢測節(jié)點(diǎn)（簡稱節(jié)點(diǎn)），無線AE檢測基站（簡稱基站）與PC機(jī)組成，如圖1所示。無線AE測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計以便在未來替換和更新時達(dá)到最大的適應(yīng)性，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，能使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)方便升級以至完善。系統(tǒng)按功能劃分模塊又可以分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊兩大部分。無線AE測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由無線AE檢測節(jié)點(diǎn)和無線AE檢測基站組成?；酒鹬?jié)點(diǎn)與PC機(jī)間的橋梁作用，它負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)無線傳送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過基站的通信接口傳送給計算機(jī)進(jìn)行分析

9、和永久性存儲。數(shù)據(jù)處理模塊提供一個人機(jī)交互的系統(tǒng)軟件平臺，用來與無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時通信，接收來自基站的數(shù)據(jù)，存儲到計算機(jī)中，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)損傷檢測，報警等功能。使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)更完善，使用更方便。3S技術(shù)3S技術(shù)是指GS（地理信息系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)）和RS（遙感技術(shù)）。GS是采集、存儲、管理分析地球表面與空間地理分布有關(guān)的空間信息系統(tǒng)。GS在城市規(guī)劃與管理，農(nóng)作物規(guī)劃與管理，地下管網(wǎng)規(guī)劃與管理以及災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測等方面得到了廣泛應(yīng)用。GPS是通過衛(wèi)星信測試測距導(dǎo)航來獲取空間三維坐標(biāo)，已經(jīng)越來越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)光學(xué)和電子測量儀器。GPS技術(shù)作為一種全新的測量手段，

10、其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在不存在誤差積累，精度高、速度快、全天候、無需通視和點(diǎn)位不收限制，并可同時提供平面和高程的三維位置信息方面。遙感技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展到比較成熟的階段。數(shù)字信息化集成這里僅淺析施工建造領(lǐng)域的數(shù)字化信息集成。建筑工程現(xiàn)場施工的智能方法遵循不斷提高系統(tǒng)集成化程度，從設(shè)計、制造、建造乃至運(yùn)營管理的數(shù)字化集成。直接將電腦模型或電腦圖轉(zhuǎn)化成建筑實(shí)體的技術(shù)、包括數(shù)控車床構(gòu)件加工技術(shù)、快速樣板技術(shù)、層壓塑性技術(shù)等等，都將思維想象和實(shí)際建造聯(lián)成一個整體。例如數(shù)字化仿真系統(tǒng)在基礎(chǔ)施工和結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用。它能夠根據(jù)施工方案靜態(tài)地顯示某一時刻的施工狀態(tài)，另一方面，它還能夠動態(tài)的顯示施工方案的實(shí)施全過程（如混凝

11、土澆筑、模板施工、鋼筋鋼結(jié)構(gòu)施工等等）。在這一過程中，設(shè)計人員、施工人員和管理人員據(jù)此可以更加方便直觀地展開合作。建筑工程集成系統(tǒng)由三個模塊組成：計算計集成制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成施工系統(tǒng)、計算機(jī)集成運(yùn)輸系統(tǒng)。這三個模塊分別連綴建筑工程的三個階段（設(shè)計、制造工廠、現(xiàn)場）。對于現(xiàn)場施工的組織于管理，智能化管理系統(tǒng)利用人工智能領(lǐng)域中的專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代科技，通過集成、協(xié)調(diào)、智能手段、設(shè)計實(shí)現(xiàn)計算機(jī)管理系統(tǒng)。通過現(xiàn)場施工智能化管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌組織，可惜實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場用料的綜合物流管理配送。從經(jīng)濟(jì)分析和成本預(yù)測、工廠對材料、構(gòu)件、設(shè)備的組裝集成生產(chǎn)、施工現(xiàn)場的自動化存儲于搬運(yùn)，建造過

12、程中的質(zhì)量監(jiān)測與反饋，都可以通過施工網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計劃及相關(guān)項目管理整合到計算機(jī)集成的建造信息系統(tǒng)中。通過建筑設(shè)計信息與產(chǎn)品制造的數(shù)字化集成以及及三級輔助并行工程等統(tǒng)籌方法的引入，建筑材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備的大量預(yù)制在很大程度上減少了建筑施工現(xiàn)場的工作容量和強(qiáng)度，也使得現(xiàn)場建造對于建筑質(zhì)量的控制和實(shí)現(xiàn)視乎不再擁有過去那樣的統(tǒng)治性的地位。雖然混凝土的現(xiàn)場施工仍然保留了人工澆筑的傳統(tǒng)過程，然而在成分、合成和模具制作等方面已經(jīng)融入了很多的高科技成分。除此之外計算機(jī)輔助監(jiān)測在結(jié)構(gòu)定位監(jiān)測方面也發(fā)揮著越來越大的作用?，F(xiàn)場材料結(jié)構(gòu)的測試性能測試、破壞性測試、開發(fā)性測試同樣成為計算機(jī)集成建筑體系中的重要組成部分，它們保證了現(xiàn)場建造施工質(zhì)量的有效性。集成在建造系統(tǒng)之中的數(shù)字化檢測工具可以完善性能測試手段、也同樣具有擴(kuò)大測試范圍、健全測試條件的巨大潛力。結(jié)語以上的幾大方面對數(shù)字信息化下建筑進(jìn)行了淺顯的展現(xiàn)及展望，不過這些技術(shù)也只是前沿領(lǐng)域中的九牛一毛。在當(dāng)今社會與技術(shù)的發(fā)展中，電子技術(shù)和數(shù)字化媒體的興起與普及已然成為這個時代的重要方面與主導(dǎo)特色，給人類社會的方方面面施加了不可忽略的