计算机在土木工程中的应用

土木工程概论第十二章计算机在土木工程中的应用土木工程概论

12.1计算机辅助设计12.2土木工程的计算机仿真12.3土木工程专家系统1土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用12.1计算机辅助设计12.1.1计算机辅助设计的概述，以及其起源和发展

计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）是一种利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法和技术，是一门多学科综合应用的新科学。到目前为止计算机应用已经渗透到了机械、电子、建筑等领域当中，利用计算机，人们可以进行产品的计算机辅助制造(ComputerAidedMake，简称CAM)、计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering，简称CAE)、计算机辅助工艺规划(ComputerAidedProcessingPlanning，简称CAPP)、产品数据管理(ProductDataManagement，简称PDM)、企业资源计划(EnterpriseResourcePlanning,简称ERP)等等。CAD系统准确地讲是指计算机辅助设计系统,其内容涵盖产品设计的各个方面。把计算机辅助设计和计算机辅助制造集成在一起,称为CAD/CAM系统。习惯上工程界把CAD/CAM系统甚至CAD/CAM/CAE系统仍然叫做CAD系统,这样CAD系统的内涵就在无形中被扩大了2土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用CAD的起源应追溯到二十世纪50年代中期，由麻省理工大学林肯实验室为美国空军研发的SAGE（SemiAutomaticGroundEnvironment）防空系统，该系统使用CTR显示器展现经过计算机处理的雷达以及其他信息其后，CAD/CAM之父的PatrickJ.Hanratty在1957年开发了PRONTO，世界上第一个数控编程系统紧接着在1959年IvanSutherland在麻省理工大学林肯实验室使用TX-2计算机开发了SKETCHPAD系统，这套能够通过使用光笔在屏幕上与计算机系统进行人机交互作业的系统被人们认为是CAD工业迈出的第一步进入二十世纪70年代之后，计算机硬件性能和计算机图形学都有了很大的发展，建筑设计人员开始与软件设计人员密切配合，促使专业化的计算机辅助建筑设计（CAAD）软件诞生二十世纪80年代到90年代，计算机性能的提高以及个人电脑的出现使CAD系统发展的格局有了不小的变化，从当初针对大型机转向对PC的开发二十世纪末二十一世纪初，国际CAD产业进入了一个联合、收购、兼并频繁的时期，迄今制造业的CAD产品已经被兼并成四大谱系：IBM/Dassault、EDS/Unigraphics、PTC和Autodesk3土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用PatrickJ.Hanratty因对计算机辅助设计与制造领域作出突破性贡献而被公认为CAD/CAM之父IvanSutherland1959年在麻省理工大学林肯实验室使用TX-2计算机开发了SKETCHPAD系统，这套能够通过使用光笔在屏幕上与计算机系统进行人机交互作业的系统被人们认为是CAD工业迈出的第一步4土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用在TX-2计算机上运行的Sketchpad系统CATIAV55土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用12.1.2CAD在我国建筑工程领域的应用使用AutoCADR14作为平台的理正建筑设计软件图从三维实体到二维投影的思维方式早期的AutoCAD针对的主要是二维图形的绘制，但是从其R12版本开始从平面到立体的思维方式转变成了从立体到平面。从前设计者们往往绘制的就是建筑物的三向投影图，但今天设计者们可以首先将脑海中建筑物的形体直接在AutoCAD的绘图空间中表达出来，然后再针对不同的平面获取这个形体的投影图或是轴测图6土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用对象捕捉、跟踪，以及橡皮筋与拖拽使用AutoCAD进行设计前首先要掌握的是其对象捕捉、对象跟踪、图层、控制点、坐标系这些重要的概念，对象实际上是指在绘图空间中的一切图素，如一个圆、一条多义线甚至是一个实体，而对象捕捉则是指光标在靠近对象的时候，由AutoCAD自动的将焦点聚于对象上符合捕捉模式的控制点之上7土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用四个同样的矩形被放置在不同的图层当中图层可以说是并行的绘图空间，在这一点上有些像“四维时空”——分属于不同时间的空间重叠起来，却又互不关联，同样的在不同图层中的对象也不会相互干扰，这样就为管理繁杂的图块提供了便利。一般来说如果没有特别指定的话，对象的颜色、线型等属性都会由其所属的图层指定（ByLayer）8土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用几种不同的AutoCAD二次开发手段的比较作为一个开放的平台，AutoCAD提供了几种进行二次开发的手段：AutoLISP、VBA、以及ObjectARX9土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用由北京天正工程软件有限公司开发的天正系列软件是国内最早开始对AutoCAD进行二次开发的CAAD软件之一，从1994年至今已经发展出天正建筑、电气、暖通、给排水、日照、结构、装修、市政等一系列建筑工程相关软件。据称其天正建筑TArch软件已经成为了国内建筑设计CAD事实上的行业标准天正建筑Tarch对建筑物模型表面材质进行设置的情形10土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用使用3D3S设计的体育馆模型3D3S是由同济大学开发，主要针对钢结构设计的CAAD软件。它可以对钢结构、空间张拉结构、膜材结构、幕墙结构、网架网壳结构以及塔桅结构等进行分析计算，据称目前3D3S已经成为了国内使用最广的钢结构软件11土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用使用广厦建筑结构CAD进行结构设计广厦系列结构设计软件是由广东省建筑设计研究员和深圳市广厦软件有限公司自1996年开始进行开发的CAAD软件，主要由钢筋混凝土结构CAD、钢结构CAD、打图管理系统几个部分组成。广厦系列比较有特色的地方在于其提出了“软件租用”的概念，在其网站中注册成为会员以后便可以通过互联网使用其软件进行结构设计，这可能是推广软件使用的一个有效的手段12土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用使用PKPM生成施工图13土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用软件名称开发者PKPM系列中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所RSD中国建筑科学研究院地基基础研究所ABD系列中国建筑科学研究院ABD系列软件开发部TBSA系列中国建筑科学研究院高层部SACB中国建筑科学研究院抗震所ETABS美国计算机和结构公司（CSI）UP中国建筑科学研究院结构所STAADCHINA2004阿依艾工程软件有限公司X-SteelStructures芬兰Tekla公司SAP2000/StruCAD/SAFE/SECTIONBUILDER英国AceCAD公司SCIA德赛公司代理PS2000/SS2000中冶集团建筑研究总院钢结构软件开发部GFCAD中国建筑标准设计研究所开发PDSOFT系列中国科学院计算技术研究所CAD开放实验室3D3S/M&Tsteel/CCC/启明星系列同济大学广厦系列深圳市广厦软件有限公司14土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用MSTCAD浙江大学SSCAD上海交通大学TWCAD天津大学理正系列北京理正软件设计研究所天正系列北京天正工程软件有限公司大力神北京中地新创科技公司TUS2000清华大学建筑设计院TSSD北京探索者公司佳友CAD顺德建筑设计院有限公司PRCS合肥工业大学FAP-3北京长筑工程软件有限公司中望CAD/建筑/景园中望龙腾科技发展有限公司15土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用仿真类型全物理仿真（模拟仿真）半物理仿真（混合仿真）计算机仿真（数字仿真）模型类型物理模型物理－数学模型数学模型计算机类型模拟计算机混合计算机数字计算机应用举例振动台实验伪动力实验计算机模拟实验国内建筑结构行业常用CAAD软件仿真类型亚实时仿真实时仿真超实时仿真时间比例关系仿真时钟<实时时钟仿真时钟=实时时钟仿真时钟>实时时钟应用举例结构生命全过程仿真振动台实验伪动力实验国内建筑结构行业常用CAAD软件12.2.1计算机仿真的概念，以及其起源和发展12.2土木工程的计算机仿真16土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。在我国，自从20世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，数字仿真技术在土木工程、自动控制、电气传动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用有限元分析（FiniteElementAnalyse，简称FEA）作为计算机仿真的重要手段在土木工程有着极其广泛的应用，其实质在于用大量离散的单元代表一个给定的域1941年Hrenikoff提出了所谓的网格法，它将平面弹性体看作是一批杆件和梁；1943年Courant提出了在一个子域上采用逐段连续函数来接近未知函数。Hrenikoff和Courant提出的无疑是有限元方法（FiniteElementMethod，简称FEM）的关键特性，但正式的有限元法的文献则应归功于Argyris、Kelsey、Turner、Clough、Martin和Topp，其中Clough于1960年第一次使用了“有限元”这个名词，其后有限元的研究开始迅速发展，在结构力学、流体力学、电学、热力学，核物理等方面都有着极为重要的应用17土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用现代有限元历史背景正是因为有限元分析在工程领域的重要应用，很多软件公司都开发了不同的有限元分析软件。其中在国内影响较大的有ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等，如表12.4所示。这些有限元分析软件往往已经整合了CAD建模的部分，同时也会对第三方CAD模型提供支持18ABAQUSADINAAFEMSAirMechanicsALADDINAlgorANSYSAVwin(Avansse)BEASYBOSSInternationalCADRECADSCAEFEMCESAR-LCPCCAESARII-(pipestressanalysis)COSARCOSMOS/MCSA/GENSACSA/NASTRANCSA/VisualforAutoCADCSTRAADDIANADYNA3DELFENENERCALCESACompETABS(CSI)FE/PipeFEItFEMAPFEMGVFlexPDEGenesisGRAPEGBW16&GBW32GTSTRUDLHyperMesh(AltairComputing)I-DEASMasterSeriesIndusFEAINERTIALapFEALARSALUSASMARCME/NASTRAN土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用常用有限元分析软件19MicrostranforWindowsMotionView(AltairComputing)MSC/DYTRANMSC/FATIGUEMSC/MARCMSC/NASTRANMSC/NASTRAN(forWindows)MSC/PatranmTAB*STRESSMultiframeNE/NastranNISA/DISPLAYOptiStruct(AltairComputing)P-Frame(Softek)PDEToolboxPDEase2DPENTAGON2DPENTAGON3DPERMASProkonProPHLEXRISA-2DRISA-3DRobot97RSTABS-Frame(Softek)SAFE(CSI)SAFISAMCEFSAP2000(CSI)SoFiSTiKSTAADIIISTAAD/ProSTARDYNESTRAND6STRAPStressCheckTEDDSVISAGEZebulon常用有限元分析软件土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用20土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用12.2.2仿真软件在我国建筑工程领域中的应用常见的通用有限元分析程序，如ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等程序当中对国内影响比较大的是ANSYS国家大剧院计算模型结构的整体变形21土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用使用ANSYS建模并进行力学分析在ANSYS中导入AutoCAD模型使用ANSYS进行结构有限元分析一般分前处理、求解和后处理三步。其中前处理当中会包含着建模、设定分析类型、设定模型材料性质参数、设定单元类型、划分单元、施加约束和荷载几步，是整个分析过程用时最多的部分。一个有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能够正常完成都取决于前处理工作完成的质量22土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用ANSYSWorkbench设计思路在ANSYSWorkbench中导入AutoCAD模型作为当今大型通用程序专业化的趋向，ANSYS也推出了供开发者针对特定分析需求，开发具自主知识产权软件的专用平台ANSYSWorkbench。它提供了一个加载和管理各种API组件的基本框架，在这个框架中各种组件通过Jscript、Vbscript和HTML脚本组织成适合用户使用的GUI，开发者自己的技术也可以向ANSYS的技术一样编制成API融入到程序当中23土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用ANSYSWorkbench自动进行分析，定义接触在ANSYSWorkbench环境中查看应力云图ANSYS功能虽然强大，但美中不足的是由于ANSYS对混凝土、地基等高度非线性问题的处理相当困难，相较之下ABAQUS在这方面有着更有为优越的表现24土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用ABAQUS是美国ABAQUS公司于1978年推出的一套功能强大的有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力、位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透、应力耦合分析）及压电介质分析25土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用12.3土木工程专家系统12.3.1人工智能不同科学或学科背景的学者对人工智能有不同的理解，提出不同的观点，人们称这些观点为符号主义（Symbolism）、联结主义（Connectionism）和行为主义（Actionism）等，或者叫做逻辑学派（Logicism）、仿生学派（Bionicsism）和生理学派（Physiologism），此外还有计算机学派、心理学派和语言学派等。但一般来说人们认为人工智能是模仿和执行人脑的某些智能功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动26土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用人工智能之父AlanTuring著名的英国科学家AlanTuring被称为人工智能之父，AlanTuring不仅创造了一个简单的通用的非数字计算模型，而且直接证明了计算机可能以某种被理解为智能的方法工作。1950年，AlanTuring发表了题为《计算机能思考吗？》的论文，对人工智能给出定义并且论证了人工智能的可能性27土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用目前人工智能的主要学派主要有符号主义、联结主义以及行为主义三家。这三种不同的学派中以联结主义最为人们所关注。它源于仿生学中对人脑模型的研究，其代表成果是1943年生理学家McCulloch和数理逻辑学家Pitts创立的脑模型，即MP模型。60到70年代，联结主义，尤其是对以感知机（Perceptron）为代表的脑模型的研究曾出现过热潮，由于当时的理论模型、生物原型和技术条件的限制，脑模型研究在70年代后期至80年代初期落入低潮。直到Hopfield在1982年和1984年发表两篇重要论文，提出用硬件模拟神经网络之后联结主义又重新抬头。1986年Rumelhart等人提出多层网络中的反向传播(BP)算法。此后，联结主义势头大振，从模型到算法，从理论分析到工程实现，为神经网络计算机走向市场打下基础。28土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用对于人工智能的技术发展也有几种不同的争论，如专用路线、通用路线、硬件路线以及软件路线等，其研究领域包括语言处理、定理证明、数据检索系统、视觉系统、问题求解、人工智能方法、程序语言设计、自动程序设计以及专家系统等。但引用R.Shank的话“一台计算机如果不能学习，它就不是智能的”，人工智能的学习才是最其重要的研究领域29土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用12.3.2专家系统

专家系统是指能够运用特定领域的专门知识，通过推理来模拟通常由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题，达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能程序系统。它能对决策的过程作出解释，并有学习功能，即能自动增长解决问题所需的知识专家系统的三个特点：逻辑判断、过程透明和自我学习

专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定30土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用由于每个专家系统所需要完成的任务和特点不同，其系统结构也不尽相同，一般只具有图中部分模块理想专家系统的结构图31土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用专家系统的主要组成部分知识库(KnowledgeBase)：知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等综合数据库(GlobalDatabase)：又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据(信息)，即被处理对象的一些当前事实推理机(ReasoningMachine)：用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作

解释器(Explanator)：能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其他候选解的原因接口(Interface)：又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等

32土木工程概论第12章计算机在土木工程中的应用专家系统的发展已经历了3个阶段，正向第四代过渡和发展。第一代专家系统（DENDRAL、MACSYMA等）以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点。但在体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解问题的能力弱。第二代专家系统（MYCIN、CASNET、PROSPECTOR、HEARSAY等）属单学科专业型、应用型系统，其体系结构较完整，移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发