数字化技术在土木工程中的应用备课讲稿

1、第十四章 数字化技术(jsh)在土木工程中的应用14.1 14.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)14.2 14.2 信息化施工信息化施工14.3 14.3 智能化建筑的定义及分类智能化建筑的定义及分类14.4 14.4 智能化交通智能化交通(jiotng)(jiotng)14.5 14.5 仿真系统仿真系统14.6 14.6 土木工程专业中计算机辅助教学与网络教学土木工程专业中计算机辅助教学与网络教学第一页，共33页。引言引言 数字化技术更越来越多的应用到各个领域，小到产品的策数字化技术更越来越多的应用到各个领域，小到产品的策划、设计、制造、销售；大到医疗、教育、军事等等都

2、在探索划、设计、制造、销售；大到医疗、教育、军事等等都在探索使用数字化技术。使用数字化技术。 数字化技术是以计算机硬软件、周边设备、协议和网络为数字化技术是以计算机硬软件、周边设备、协议和网络为基础基础(jch)(jch)的信息离散化表述、定量、感知、传递、存贮、的信息离散化表述、定量、感知、传递、存贮、处理、控制、联网的集成技术。处理、控制、联网的集成技术。 计算机辅助设计、信息化施工、智能建筑、智能交通、仿计算机辅助设计、信息化施工、智能建筑、智能交通、仿真系统等是土木工程数字化技术发展的主要方向，网络教学也真系统等是土木工程数字化技术发展的主要方向，网络教学也将成为土木工程发展的重要分支

3、。将成为土木工程发展的重要分支。 第二页，共33页。14.1 14.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(shj)(CAD) (shj)(CAD) 计算机辅助设计(Computer Aided Design），简称CAD。CAD是利用计算机硬件系统和软件系统强大的计算功能和高效灵活的图形处理能力，帮助工程技术人员进行工程设计、产品设计与开发，以达到缩短设计周期、提高设计质量、降低成本、提高市场竞争力的一门先进技术。 我国对CAD的应用和研究，开始于20世纪70年代，在80年代中期进入了全面开发应用阶段，并对土木工程(tm gngchng)设计工作带来了越来越大的影响。第三页，共33页。u CAD系

4、统发展历程系统发展历程与计算机软硬件系统的发展息息相关与计算机软硬件系统的发展息息相关u单功能单功能CAD系统（系统（20世纪世纪50年代年代20世纪世纪70年代末期）；年代末期）；u基于文件管理功能的多功能基于文件管理功能的多功能CAD系统（系统（20世纪世纪80年代年代20世纪末期）；世纪末期）；u基于工程数据库技术基于工程数据库技术(jsh)的集成化的集成化CAD系统系统CMIS 将将CAD/CAM系统的系统的数据库、管理系统、网络通信相结合（数据库、管理系统、网络通信相结合（21世纪初期世纪初期今）。今）。 u CAD应用软件的发展方向：应用软件的发展方向：u 集成化、图视化、智能化、

5、并行化、标准化。集成化、图视化、智能化、并行化、标准化。第四页，共33页。u CAD技术技术(jsh)的应用现状：的应用现状：u 涉及众多学科的高新技术涉及众多学科的高新技术(jsh)领域。例如：领域。例如：u计算机硬件技术计算机硬件技术(jsh)、工程设计知识与方法；、工程设计知识与方法；u计算数学、计算力学、计算机图形学；计算数学、计算力学、计算机图形学；u数据结构和数据库、有限元法；数据结构和数据库、有限元法；u计算机网络、仿真技术计算机网络、仿真技术(jsh) 。u 常用常用(chn yn)的的CAD软件包括：软件包括：u PKPM 、MIDAS 、SAP 等。等。第五页，共33页。软

6、件名称软件名称开发单位开发单位适用范围适用范围主要功能及特点主要功能及特点PKPM中国建研院中国建研院PKPMPKPM工程部工程部框排架、框剪、砖混框排架、框剪、砖混等多、高层建筑等多、高层建筑建筑、结构、设备集成的大型建筑、结构、设备集成的大型CADCAD系统系统AutoCAD美国美国AutodeskAutodesk公司公司通用交互式绘图软件，通用交互式绘图软件，绘图功能完善、使用绘图功能完善、使用方便方便有很强的三维设计、实体结合造有很强的三维设计、实体结合造型和数据库管理等功能型和数据库管理等功能Xsteel芬兰芬兰 Tekla Tekla 公公司司 主要应用于钢结构设主要应用于钢结构设

7、计与分析计与分析是基于面向对象技术的智能软件是基于面向对象技术的智能软件包，独立的三维智能钢结构模拟、包，独立的三维智能钢结构模拟、详图的生成等。详图的生成等。天正结构天正结构cad北京天正工程北京天正工程软件公司软件公司建筑结构设计绘图建筑结构设计绘图( (在在AutoCADAutoCAD上运行）上运行）与计算程序的简单接口，可以生与计算程序的简单接口，可以生成模板施工图。建筑平面图接口成模板施工图。建筑平面图接口可与其他建筑软件连接可与其他建筑软件连接ANSYS/MultiPhysics系列软件系列软件 美国美国ANSYSANSYS公司公司 主要应用于航空、桥主要应用于航空、桥梁、建筑等各

8、个工程梁、建筑等各个工程领域的结构分析、热领域的结构分析、热分析、流体分析分析、流体分析是一个完整的有限元分是一个完整的有限元分FEAFEA软件软件包，包括包，包括(1)(1)机械机械- -结构结构(2)(2)电磁电磁学学(3)(3)计算流体动力学等三个主计算流体动力学等三个主要的组成产品要的组成产品 sap2000美国美国CSICSI公司与公司与金土木合作金土木合作 桥梁、大坝、体育场桥梁、大坝、体育场馆、工业结构和建筑馆、工业结构和建筑二维框架静力分析及复杂的三维二维框架静力分析及复杂的三维非线性动力分析非线性动力分析第六页，共33页。pkpm软件软件(run jin)界面界面第七页，共3

9、3页。u PKPM系列软件包括有：系列软件包括有：u结构平面计算机辅助设计软件结构平面计算机辅助设计软件PMCADu钢筋钢筋(gngjn)混凝土排架及连续梁结构计算与施工图绘制软件混凝土排架及连续梁结构计算与施工图绘制软件PKu多、高层建筑结构三维分析软件多、高层建筑结构三维分析软件TATu高层建筑结构动力时程分析软件高层建筑结构动力时程分析软件TAT-Du多、高层结构空间有限元分析软件多、高层结构空间有限元分析软件SATWEu高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件FEQu楼梯计算机辅助设计软件楼梯计算机辅助设计软件LTCAD第八页，共33页。剪力墙计

10、算机辅助设计软件剪力墙计算机辅助设计软件(run jin)JLQ钢筋混凝土基本构件设计计算软件钢筋混凝土基本构件设计计算软件(run jin)GJ基础基础CAD（独基、条基、桩基、筏基）软件（独基、条基、桩基、筏基）软件(run jin)JCCAD箱形基础计算机辅助设计软件箱形基础计算机辅助设计软件(run jin)BOX钢结构钢结构CAD软件软件(run jin)STS预应力混凝土结构设计软件预应力混凝土结构设计软件(run jin)PREC混凝土小型空心砌块混凝土小型空心砌块CAD软件软件(run jin)QIK 第九页，共33页。第十页，共33页。第十一页，共33页。第十二页，共33页。

11、14.2 14.2 信息化施工信息化施工 信息化施工，就是指在施工过程中所涉及的各部分各阶信息化施工，就是指在施工过程中所涉及的各部分各阶段广泛应用计算机信息技术，对工期、人力、材料、机械段广泛应用计算机信息技术，对工期、人力、材料、机械(jxi)(jxi)、资金、进度等信息进行收集、存储、处理和交流，、资金、进度等信息进行收集、存储、处理和交流，并加以科学地综合利用，为施工管理及时、准确地提供决策并加以科学地综合利用，为施工管理及时、准确地提供决策依据。依据。 信息化施工可大幅度提高施工效率和保证工程质量，减信息化施工可大幅度提高施工效率和保证工程质量，减少或杜绝工程事故，有效控制成本，实现

12、施工管理现代化。少或杜绝工程事故，有效控制成本，实现施工管理现代化。 第十三页，共33页。14.2.1 14.2.1 信息化施工现状信息化施工现状 (1)(1)在建设行业行政主管部门和建筑企业初步完成计算机在建设行业行政主管部门和建筑企业初步完成计算机的普及应用，但远没到信息化的阶段。的普及应用，但远没到信息化的阶段。 (2)(2)初步形成了建筑业专用软件市场初步形成了建筑业专用软件市场(shchng)(shchng)，有了一，有了一批自主知识版权的信息产品，满足单项应用要求，但缺少批自主知识版权的信息产品，满足单项应用要求，但缺少平台级系统软件。平台级系统软件。(3)(3)信息化总体水平处于

13、直接事务处理阶段，远没达到深信息化总体水平处于直接事务处理阶段，远没达到深层次推理系统应用阶段。层次推理系统应用阶段。(4)(4)建设行业推广信息化施工技术存在的问题和差距。建设行业推广信息化施工技术存在的问题和差距。 14.2.214.2.2信息化施工未来发展的重点信息化施工未来发展的重点 第十四页，共33页。14.3.14.3.智能化建筑智能化建筑 智能化建筑是为了适应现在信息社会对建筑物的功智能化建筑是为了适应现在信息社会对建筑物的功能，环境和高效率管理的要求，特别是对建筑物应具备能，环境和高效率管理的要求，特别是对建筑物应具备信息通信，办公自动化，和建筑设备自动控制和管理等信息通信，办

14、公自动化，和建筑设备自动控制和管理等一系列功能的要求而在传统一系列功能的要求而在传统(chuntng)(chuntng)的基础上发展起的基础上发展起来的。来的。 智能建筑一语，首次出现于美国联合科技集团智能建筑一语，首次出现于美国联合科技集团TUBSTUBS公司公司19841984年年1 1月在康乃狄格州所建设完成的月在康乃狄格州所建设完成的City PlaceCity Place大大楼的宣传语中。楼的宣传语中。第十五页，共33页。14.3.1 14.3.1 智能化建筑的定义及分类智能化建筑的定义及分类 目前智能建筑还没有确切的定义，但有两个方面的要目前智能建筑还没有确切的定义，但有两个方面的

15、要求应予满足。求应予满足。 (1) (1) 房屋设备用先进的计算机系统监测与控制，并可房屋设备用先进的计算机系统监测与控制，并可通过自动通过自动(zdng)(zdng)优化或人工干预来保证设备运行的安全优化或人工干预来保证设备运行的安全、可靠高效。、可靠高效。 (2) (2) 安装了对居住者的自动安装了对居住者的自动(zdng)(zdng)服务系统。服务系统。 智能建筑主要有以下几种类型：智能建筑主要有以下几种类型：1 1、专用办公楼；、专用办公楼；2 2、出租办公楼；、出租办公楼；3 3、综合性建筑；、综合性建筑；4 4、住宅。、住宅。第十六页，共33页。14.3.2 14.3.2 智能化建

16、筑智能化建筑(jinzh)(jinzh)的系统组成的系统组成 智能建筑是在建筑平台(pngti)上，由三大子系统所构成。 建筑平台(pngti)就是建筑物（包括环境本身）。 三大子系统是指通信网络系统、办公自动化（信息网络）系统和建筑设备自动化系统 。 智智能能建建筑筑系系统统(xtng)第十七页，共33页。14.3.2 14.3.2 智能化建筑的系统组成智能化建筑的系统组成 智能建筑的通信网络系统是保证楼内语音，数据，图智能建筑的通信网络系统是保证楼内语音，数据，图像传输的基础，它同时与外部的通信网相连，与世界各地像传输的基础，它同时与外部的通信网相连，与世界各地互通信息互通信息(xnx)(

17、xnx)，通信网络系统是智能建筑的中枢，是把，通信网络系统是智能建筑的中枢，是把构成智能建筑的三大子系统连接成有机的整体的核心。构成智能建筑的三大子系统连接成有机的整体的核心。 智能建筑的信息智能建筑的信息(xnx)(xnx)网络系统提供先进的信息网络系统提供先进的信息(xnx)(xnx)处理功能，具有决策支持体系。处理功能，具有决策支持体系。 设备自动化系统是采用计算机及其网络技术，自动控设备自动化系统是采用计算机及其网络技术，自动控制技术和通信技术组成的高度自动化的综合管理系统，保制技术和通信技术组成的高度自动化的综合管理系统，保证建筑物内舒适，安全的办公环境，同时实现高效节能要证建筑物内

18、舒适，安全的办公环境，同时实现高效节能要求求 。 第十八页，共33页。u 智能建筑的综合布线系统的特点是：智能建筑的综合布线系统的特点是：u 将所有的语音、数据、视频信号等的布线，经过统一的规将所有的语音、数据、视频信号等的布线，经过统一的规划设计，综合在一套标准的布线系统中，将智能建筑的三大子系划设计，综合在一套标准的布线系统中，将智能建筑的三大子系统有机地连接起来。统有机地连接起来。u 智能建筑与建筑环境的关系：智能建筑与建筑环境的关系：u建筑环境；建筑环境；u空调空调(kn dio)(kn dio)环境；环境；u照明环境。照明环境。第十九页，共33页。14.3.3 14.3.3 智能化建

19、筑的实施智能化建筑的实施(shsh)(shsh)步骤步骤 智能建筑的实施步骤，是使智能建筑健康(jinkng)发展的一个重要措施。 第二十页，共33页。14.4 14.4 智能化交通智能化交通 智能化交通，英文简写智能化交通，英文简写ITSITS，智能化交通一般包括以下几，智能化交通一般包括以下几个个(j )(j )系统：系统： (1) (1)先进交通管理系统；先进交通管理系统； (2) (2)交通信息服务系统；交通信息服务系统； (3) (3)车辆控制系统；车辆控制系统； (4) (4)车辆调度系统；车辆调度系统； (5) (5)公共交通系统等。公共交通系统等。 智能交通系统标准体系结构划分

20、为两层，上层为智能交通智能交通系统标准体系结构划分为两层，上层为智能交通系统通用标准，下层为分系统标准。系统通用标准，下层为分系统标准。 第二十一页，共33页。u ITS ITS中的通信技术主要包括：中的通信技术主要包括：u(1)(1)无线电广播；无线电广播；u(2)(2)电缆电缆(dinln)(dinln)通信；通信；u(3)(3)微波通信；微波通信；u(4)(4)移动通信；移动通信；u(5)(5)光纤通信；光纤通信；u(6)(6)数字基带通信；数字基带通信； u(7)(7)数字载波通信；数字载波通信；u(8)(8)红外线与超声波通信；红外线与超声波通信；u(9)(9)卫星通信。卫星通信。第

21、二十二页，共33页。u ITS ITS中的信息技术主要包括中的信息技术主要包括(boku)(boku)：u（1 1）行车记录仪；）行车记录仪；u（2 2）GPSGPSGSMGSMGISGIS车辆调度管理系统；车辆调度管理系统；u（3 3）现代图像处理技术；）现代图像处理技术；u（4 4）模式识别技术；）模式识别技术；u（5 5）数据压缩及传输技术。）数据压缩及传输技术。第二十三页，共33页。14.5 14.5 仿真系统仿真系统 计算机模拟计算机模拟(mn)(mn)仿真技术是随着计算机硬件的发仿真技术是随着计算机硬件的发展而得到迅速发展。计算机仿真是利用计算机对自然现展而得到迅速发展。计算机仿真

22、是利用计算机对自然现象、系统功能以致人脑思维等客观世界进行逼真的模拟象、系统功能以致人脑思维等客观世界进行逼真的模拟(mn)(mn)。这种模拟。这种模拟(mn)(mn)仿真是数值模拟仿真是数值模拟(mn)(mn)的进一的进一步发展。步发展。第二十四页，共33页。14.5.1 14.5.1 计算机模拟计算机模拟(mn)(mn)仿真在土木工程教学中的应用仿真在土木工程教学中的应用 采用计算机模拟的方法，利用计算机图形系统构成一个模拟的试验环境，学生向计算机输入构件数据后，就可以在屏幕(pngm)上观察到构件破坏的全过程及其内外部的各种变化 。第二十五页，共33页。14.5.2 14.5.2 计算机

23、模拟仿真在结构工程计算机模拟仿真在结构工程(gngchng)(gngchng)中的中的应用应用 当结构形式特殊、荷载及材料特性特殊十分复杂时，人们常常借助于结构的模型试验来测得其受力性能。当结构参数发生变化时，这种试验有时(yush)就受到场地和设备的限制，这时利用计算机仿真技术就可以实现。 结构工程的计算机还用于事故的反演，寻找事故的原因。第二十六页，共33页。 人类与自然灾害或人为灾害作了长期(chngq)的斗争。由于灾害的重复试验几乎是不可能的，因而计算机仿真在这一领域的应用非常有意义。 目前，已有不少关于抗灾防灾的模拟仿真软件被研制成功。 14.5.3 14.5.3 计算机模拟计算机模拟(mn)(mn)仿真在防灾工程中的应用仿真在防灾工程中的应用 第二十七页，共33页。14.5.4 14.5.4 计算机模拟计算机模拟(mn)(mn)仿真在岩土工程中的应用仿真在岩土工程中的应用 岩土处于地下，往往难于直接观察，而计算机仿真则可以(ky)把内部过程展示出来，有很大的实用价值。 第二十八页，共33页。14.6 14.6 土木工程土木工程(tm gngchng)(tm gngchng)专业中计算机辅专业中计算机辅助教学与网络教学助教学与网络教学 计算机辅助教学(Computer-Aided Instruction，简称CAI)是计算机应用于教育领域的主要方面。