Mathcad在建筑工程和结构的应用

Mathcad在建筑工程和结构的应用议程Mathcad简介Mathcad在建筑工程和结构的应用Mathcad和AutoCAD的集成Mathcad和Mirostation的集成案例分享Mathcad介绍Mathsoft成立于1985总部设于Cambridge,MA2006年4月PTC收购Mathsoft公司在工程计算领域20年的领先地位客户大多是来自工业领域的佼佼者,其中90%为世界财富1000250K商业用户使用Mathcad进行工程计算和优化全球近2000所大学,500K学生用户和老师使用Mathcad进行学习和学术研究2006年四月获得DesktopEngineering授予的readerspickforProductoftheYear(“年度产品奖”)3MAirbusBAESystemsBechtelCorp.BoeingCaterpillarDuPontEliLillyGeneralDynamicsHewlett-PackardHoneywellHyundaiHeavyLockheedMartinCorp.LosAlamosNationalLabNASANorthropGrummanCorp.ParsonBrinkerhoffRaytheonRollsRoyceSchlumbergerSiemensUniversalStudiosWestinghouse©2006PTCMathcad的价值定位Mathcad

工作表自动化计算过程可重复、可审核标准计算Standardcalculations专有计算Proprietarycalculations实时计算自动“量刚单位”管理共享工程知识可读性计算基于XML格式使得下游对文档发布时能够自动化实现确保可追踪性能够进行关联计算关联到设计几何模型结果关联到客户和设计需求Mathcad在产品开发中的角色

工程设计：自然科学和数学原理在实际中的应用，有效提高了设计、制造和流程的效率以及经济结构、机器、过程和系统的利用。

（来源：）

工程计算是产品研发流程中的重要资产，必须视为重要的知识产权(IP)取得和共享若要取得足以影响重要工程决策的知识，最好能取得决策所依据的计算结果，才能追踪确认Mathcad可以捕捉CAD系统和设计几何不能捕捉的工程意图©2006PTC概念设计细部设计分析加工与制造

验证与原型

技术出版物质量保证产品需求市场驱动:机会和价值传统的工程计算方法已经过时太多低效的设计/分析在不断重复过时的工程计算方法随着企业的全球化,老旧的传统经验知识因不能完全满足要求而被抛弃我们必须不断改进我们的作业方式以适应新的环境©2006PTC表格计算方法使用很普遍，它对于工程计算来说并非理想工具

问题在于实时计算但公式难以读懂没有量刚单位管理审核困难不支持高级数学计算微积分Calculus微分方程式Differentialequations等等….“天才工程师们使用Excel，得到的却是他们根本没有意识到的严重错误。而错误的积累比你所能够想象到的更快。”AlanStevens博士劳士莱斯数学建模和仿真专家©2006PTCMathcad是工程计算软件的全球标准专注于工程设计直觉式易学易用的白板式界面书写式数学符号全面可在同一个工作单中包含文字、直观数学运算式、图像和和注解最丰富的应用系统–强大的数学函数、单位自动识别可互操作能与其他工程应用很方便地整合在一起可扩展能够把功能扩展到桌面系统上和桌面系统以外。©2006PTC统一使用Mathcad可以获得关键优势提高个人和过程效率易学易用，自动处理关键任务，减少错误如果与Pro/ENGINEER一起使用，可以获得可预测工程功能，该功能可以把下游过程中设计叠代的时间和数量减少改进工程设计的验证和校验捕捉和保存工程计算中锁定的重要知识产权促进公司的最佳实践和知识产权的重复利用支持对标准的遵循

©2006PTC10Mathcad关键能力实时数值和符号计算超过400内嵌的函数和求解器向量和矩阵计算2维和3维图形绘制单位管理能力编程能力解方程能力Uniqueprovenancecapabilities输出各种格式文档形式，如pdf,html,etc.帮助手册、培训手册、快速指导等典型用户遍及各行各业TransportationWasteWaterManagementEnvironmentalEngineeringPlant&BuildingConstructionMaintenanceOperations©2006PTC11Oil&GasGovernmentProcessIndustriesPowerGenerationCivilEngineeringSchlumbergerSaipemShellOilTechnipOffshoreHyundaiHeavySargent&LundySiemensPowerSouthernCo.WestinghouseHydroQuebecEliLillyBASFDuPontProcter&GamblePraxairSandiaNat’lLabs.FloridaDOTNASAKnollsAtomicPowerLab.DepartmentofDefenseCH2MHillHNTBBechtelParsonsURSPipelineDesignPlatformDevelopmentOffshoreExplorationBasinModelingGastoLiquidProcessingGas,Steam,Electric&NuclearpowerplantdesignCorrective&PreventivemaintenancePowerDistributionGeneratorDesignRegulatoryComplianceDrugDiscoveryFacilitiesDesignProductInnovationMedicalPackagingPlasticsManufacturingAircraftEngineDesignWeaponSystemsAnalysisBridge&HighwayDevelopmentNuclearResearchEnergySuretyDefenseAnalysis应用方式多姿多态Application:Analyzesteelbeamspecs.tocalculateloading,shearandmoment,orcomputeforcesonweldedjointsofconcretecylinderpipes.CivilengineeringandconstructioncompaniesuseMathcadtodesign,certify&maintainlargeprojects.©2006PTC12Oil&GasGovernmentProcessIndustriesPowerGenerationCivilEngineeringSchlumbergerSaipemShellOilTechnipOffshoreHyundaiHeavySargent&LundySiemensPowerSouthernCo.WestinghouseHydroQuebecEliLillyBASFDuPontProcter&GamblePraxairSandiaNat’lLabs.FloridaDOTNASAKnollsAtomicPowerDept.ofDefenseCH2MHillHNTBBechtelParsonsURSApplication:Structuralanalysisofoffshoreplatformsorcalculationsofvibrationsinducedbywaves¤tsonunderseapipelines.Mathcadisusedtodocumentdesigncalculations,reuseIPfrompriorprojectsandtoensurecompliancewithregulatorystandards.Application:Thedesignofnuclearandcoalgasificationpowerplantsreliesheavilyoncalculations.Mathcadtemplatesstandardize&automatecriticalcalculations;Mathcad’sAPI/XMLschemaenablesdataexchangewithCAD/CAEApplication:Closely-regulatedindustriesrequirecaptureandsubmissionofallcalculationsusedinthedesign/testofprocessplants.Mathcad’snaturalmathnotationanddocumentinterfacesupportthiscriticalrequirement.Application:AstateagencyneedstodesignHighmastlightpolesinaccordancewith1994AASHTOsigningandlightingspecification.Governmentandstateagenciessub-contractmanyprojects.Mathcadmakescollaboration&certificationofrequirementseasy.业界含有丰富的使用案例库可共享©2006PTC13©2006PTCMathcad在建筑工程及结构(AEC)的应用Mathcad强大的数学能力和丰富的行业扩展库为建筑工程及结构(AEC)的多个领域的应用提供了高级工程计算能力高速公路设计桥梁和高塔工程挡土墙结构分析废物处理系统环境:水和空气污染控制管线设计灌溉系统交通:铁路,航空港©2006PTCMathcad在建筑工程及结构(AEC)的应用Mathcad的行业扩展库为建筑结构设计提供了高级工程计算能力梁分析钢结构梁分析钢筋混泥土板和梁分析钢筋混泥土支柱分析钢结构支柱分析钢筋混泥土平板设计钢筋混泥土地基分析挡土结构分析建筑物防风防震分析钢筋混泥土材料属性，扩张和搭接长度设计©2006PTCMathcad在建筑工程及结构(AEC)的应用Mathcad的行业扩展库为建筑热环境设计提供了高级工程计算能力墙壁和管道稳态热传递建筑物中瞬态热传递利用有限元法进行建筑物的热传导分析多层墙壁间的周期性热流动房间和地下室间的热传导和对流分析建筑物中的辐射热传递阳光辐射温度和湿度的舒适度计算加热和冷却载荷计算建筑热控制水暖系统规格计算辐射采暖系统分析单跨梁－剪切应力和扭矩为单跨梁计算反作用力和最大扭矩并绘制相应的剪切应力图和扭矩图，包括有无终端扭矩、均布或集中载荷的情况组合梁截面属性为由钢梁和混泥土板构成的组合截面梁计算水平剪切应力和截面属性钢筋混泥土挡土坝计算确定大坝的底部宽度、厚度，墙体的厚度以及护岸（带回填、有无堆载）的加固区域计算等©2006PTCMathcadinAEC–AutoCAD集成©2006PTCMathcadinAEC–BentleyMicrostation集成©2006PTC22桥梁、公路桥梁、公路©2006PTC23客户案例-中铁四院关心的问题:桥梁设计比重加大；特殊桥梁设计增多；传统计算软件无法解决好处:解决复杂问题无需手工求解；精度和准确率提高；评价:“部署Mathcad后，工程设计的精度和准确率提高了很多。而之前很多结构新颖的铁路桥梁的细节设计比较复杂，手工计算需要把复杂的工程问题进行分解和简化才可以进行设计，费时又费力。现在这个环节可以省略掉，对于工程计算问题只要能写出数学表达式，而无论这个数学表达式有多么复杂，我们都有信心解决。”－中铁第四勘察设计院桥梁处软件室负责人黄卫表示实际问题：在中铁第四勘察设计院桥梁处设计的尼尔森体系提篮拱桥中，拱轴线是由悬链线方程描述的曲线，拱圈是圆形截面，拱平面倾斜，两排吊杆在拱平面内倾斜交织。要想计算每根吊杆的长度、吊杆与拱圈的交点坐标、吊杆与拱圈锚接点钢垫板的厚度、以及吊杆与梁体锚固块的尺寸，用手工计算几乎不可能完成，通常的解决办法要么编写专门的数值计算程序，要么将拱圈离散化，在CAD系统中用作图的方法一根吊杆一根吊杆地求近似解。解决方法：现在有了Mathcad,其直观的数学表达方式和卓越的数值计算能力，使中铁第四设计院桥梁处的工程师再次面对这种复杂结构的工程时可以批量作业。而且，Mathcad也会把工程设计的结果和中间过程表示得十分清楚，使得工程设计过程变得透明详尽。©2006PTC国内客户中国石化工程建设公司（SEI）隶属中国石油化工集团公司，是集工程项目的可行性研究、技术咨询、设计、设备采购、施工管理和监理、工程总承包、项目管理服务、技术服务为一体的国际型工程公司，拥有工程设计综合资质甲级证书、工程监理甲级资格证书、工程造价咨询单位甲级资格证书、工程咨询甲级资格证书、甲级环境影响评价证书、工程招标代理机构甲级资质证书、工商领域固定资产投资咨询机构甲级资质证书等国家顶级资质，取得了ISO9001-2000质量体系认证证书和HSE认证证书。中国寰球工程公司隶属于中国石油天然气集团公司，是集设计、采购、施工管理和开车指导等多种功能为一体的，具有工程总承包能力的国际工程公司，是智力密集、技术密集的科技型国有骨干企业.

海外市场占公司总营业额的70％以上。1998～2008年，公司已连续六年被世界工程界的权威刊物美国《工程新闻记录》（ENR）评为全球最大225家国际工程承包商之一和全球最大200家国际设计公司之一，是连续十年同时进入上述排行榜的唯一一家中国公司。©2006PTC客户案例－美国佛罗里达州交通部现有情况:

100多个土木工程师；服务佛罗里达6000多个桥梁和12,000多公里的高数公路；

需求:需要能够提高沟通和设计效率；计算必须精确，同时要求信息沟通及时、易懂；计算过程能够能够分享并且被重用；好处:"There'sverylittleIcan'tdoinMathcad,"concludedPavlov."Themainbenefitscomefromtheformat,whichresembleatypedsetofcalculations.Theseprogramsareeasiertodevelopbyengineersandeasierforotherstofollowandreviewsincethelogicisexpressedinafamiliarmanner.TheformatiswhatplacesMathcadheadandshouldersaboveotherprogramsofasimilarfunction."

AndrePavlovStateStructuralEngineeringManagerStructuresDesignOfficeManagement’sKeyObjectives:Setastandardfortechnicalcalculationanddesigncommunicationwithintheirengineeringgroupandcontractors.EncouragedocumentreuseFloridaDepartmentofTransportation(VDOT)©2006PTC客户案例－美国佛罗里达州交通部（网站）©2006PTC客户案例－美国佛罗里达州交通部（工作表）RectangularSpreadFootingProgram,v1.0,isaMathcad14programthatanalyzesrectangularspreadfootingsforsignandsignalstructuresinaccordancewiththeAASHTOStandardBridgespecification.LRFDLiveLoadGenerator,v2.5,isaMathcad13programthatcalculatesliveloadsfortruck,trucktrain,lane,partiallane,andpermitloadsinaccordancewiththeAASHTOLRFDspecification.HighMast,v2.0,isaMathcad13programthatdesignsHighmastlightpolesinaccordancewiththe2001AASHTOsigns,lightsandsignalsspecification.LRFDRetainingWallProgram,v2.1,isaMathcad13programthatanalyzesanddesignscast-in-placeretainingwallsinaccordancewiththeAASHTOLRFDspecification.桥梁矩形底座载荷分析：卡车、火车、道路杆档土墙注：AASHTO是美国国家公路与运输协会（AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials，简称AASHTO）是美国一个研究交通运输相关问题的机构©2006PTC客户案例-南达科塔交通部“Mathcadallowsengineerstoaccomplishfivedaysworthofcalculationsinonedaywhileleavingbehindahistoricalfootprintthatcanbeusedforbridgerepairormaintenanceforyearstocome”saysJohnCole,ChiefBridgeEngineer.JohnColeChiefBridgeEngineerManagement’sKeyObjectives:Encouragedocumentreuse.Bettertraceabilityofcalculationsregardingrehabilitationofbridgework.Createstandardcalculationsforeasyre-useacrosstheengineeringteams.SouthDakotaDepartmentofTransportation关心的问题:安全和成本控制应用国家标准和部门经验消除电子表格好处:将冗长的计算过程标准化计算过程可被重复使用，易于审核Mathcad实现了CH2MHILL公司的标准化©2007PTC29挑战简介位于科罗拉多州恩格尔伍德的CH2MHILL公司提供全球领先的工程建设全方位服务行动结果不必封闭高速公路就完成了俄勒冈设计－建造项目中21座桥梁的替换和维修工程。SRS建筑工程提前13个月完工，CBT建筑工程提前4个月完工。为设计过程中的工程计算数据建立单点入口控制数据输入，保持格式一致加速设计变更和再版避免错误数据关联性，更改将自动反应在整个数据库中实施Mathcad的企业内部解决方案精确的工程计算对于桥梁设计的SAMHYUNPF(韩国)是非常关键的©2006PTC业务驱动力SAMHYUNPF(Korea)是创建于1999年的桥梁工程公司。SAMHYUN曾经是预应力桥梁工程的领导者，从设计到建造的方方面面都有丰富的经验和知识。

最近,SAMHYUN

引领该行业成功研发了‘Precom’梁技术-最新的复合桥梁建造方法。解决方案“使用Excel将花费较长的时间建立计算表格.使用Mathcad，我们不仅是节省可50%的时间，而且提升了计算的校验和精度。” -Ji,GuSam,ViceDirectoroftheDesignTeam

结果SAMHYUNPF使用Mathcad作为梁计算过程的计算校验工具。Mathcad对于提升结构计算的速度和减少错误非常关键

使用Mathcad,SAMHYUN能够更好的校验计算过程;而Excel的计算通常很难发现其中可能的错误。使用Mathcad,SAMHYUN

的工程师可以节省50%的创建计算的时间-因为他们可以更容易的完成计算过程文档和重用。SAMHYUN已经可以使用Mathcad完成“Precom”梁的自动化计算过程。SAMHYUNPF使用Mathcad创建关键工程计算,所以相对先前使用的Excel，他们计算过程文档化更容易时间更短以前使用的工具:MicrosoftExcel电子表格Mathcad计算及档案制作软件：化身宜兰大学土木工程系的精算大师Mathcad=Math+Cad辅助工程师向环极限挑战宜兰大学土木工程学系主任喻新表示：「我们推荐学生使用PTCMathcad软件，因其使用接口非常人性化，让数学计算及图表制作轻松一次到位。学生能够直接使用一般的数学符号书写，以平常手写的计算公式就能实行计算功能。有人称Mathcad是『工程师的Excel』，点出了Mathcad很聪明地以数学书写作为沟通平台，让使用者彼此能快速分享计算过程，从中得到清楚验证，任何人都能随心所欲地进行下一阶段作业。」Uni-SystemMathcad被评为产品设计过程中工程计算文文件处理的标准解决方案它是当今世界面向工程设计领域支持多达九种语言的，全面直观的解决方案Mathcad是PTC的“产品设计系统”（PDS）中必不可少的一个组成部分Mathcad可以同时提高个人效率和流程效率结论ThankYou!Mathcad功能简述(1/2)计算、模型化及可视化您的想法具有丰富的内建函数与运算符执行算数计算或寻找符号解法支援各式各样的数值与数据类型自动进行单位的追踪与转换2D与3D图表会随着计算内容的变更而一并进行更新坐标图的种类包括了笛卡儿坐标图、极坐标图、曲面图、等高线图、直方图、分布图以及向量场图文件的任何部分都可以制成动画、包括数字计算结果、图表和影像数据记录计算内容当变更了某个变数时，Mathcad会自动重新计算方程式、重新绘制图表，并且更新计算结果确认、验证您的解法，并加入批注将文字、公式和图表整合在一张工作表后，就能够轻松地将计算工作加以可视化，且加入图解和批注，而整个解法都会收纳、记录在同一个地方可以利用格式化选项与模板来建立完全符合规格的文件非常容易阅读、确认和验证因为所有重要的假设、方程式、方法和结果都使用一般的数学记号一般人都能阅读并了解这些计算内容，在设计确认、验证和稽核流程方面有着长足的进步整合所有软件和系统中的数据具备互操作性和联机功能，能够支持许多受欢迎的桌面应用程序与工程应用程序Mathcad功能简述(2/2)整合机制和Pro/ENGINEER双向整合机制提供独一无二的预测工程功能。Mathcad可以预测设计行为，进而驱动Pro/ENGINEERCAD模型使用的主参数和尺寸还支援(模拟)实时数据取用功能让您能够交换NationalInstruments模拟(E系列)I/O机板与MeasurementComputing模拟I/O机板的资料跨网络共享Mathcad工作表及协同合作共享Mathcad格式、书面格式、XML格式、PDF格式或网页格式的高质量工作表，供整个工程团队查阅，让其他的使用者可以和您合作进行某个项目，或是单纯地检视工作表网络存取近端网络或全球信息网上的实时数学文件利用整合的浏览器或超链接支持，透过内部或外部网络移动文件数据档案或书面格式使用者可以透过XML文件格式将数据内容转换成MSWord、PDF、XHTML以及其他发行格式文件可以直接打印成书面格式，或是转换成PDF格式，在Acrobat进行检视或打印E-book您可以在「编制模式(AuthoringMode)」下建立自己的电子书，编辑自己的Mathcad工作表，并以数字化方式呈现出来E-book不但有目录，还可以加入链接和可搜寻索引当您与他人共享您工作内容时，档案加密与文件保护机制可以协助您有效保护自己的知识产权Mathcad的优势(1/2)易学易用-不需要任何特殊的程序设计技巧提升产能，让工程师能够节省时间并减少错误改善重要计算的校验和验证促成最佳计算工作模式，以及计算内容的重复使用提供符合标准的完整计算文件可以自动执行许多工作(包括单位平衡化与重新计算)，节省您的时间，同时降低发生错误的机会。直觉的工程聚焦易于使用,白板界面自然的数学符号广泛的联合文本，数学，图形和注释在单一的工作表中无与伦比的应用宽度-强大的数学功能，识别单位可互操作的易于与其他工程软件集成可升级的可延伸功能在桌面和远程Mathcad14.0新功能(1/5)PTC于2006年4月并购Mathsoft后，首次发行Mathcad全球版Mathcad14.0。除了Mathcad产品系列目前拥有的优点之外，此版本还加入多项重大的强化功能，可以提升个人和工程流程产能。全球语言支持9种语言Mathcad目前支持9种PTC常用语言：英文、德文、法文、意大利文、西班牙文、日文、繁体中文和简体中文、韩文。完整的Unicode支援无论操作系统、本机或语言设定为何，Unicode可以让工作表显示结果一致。使用者可以在Mathcad工作表的任何部分使用所有的必要区域和领域正确的记号，包括变量名称、绘图标签等。Mathcad现在增强了亚洲字符的支持功能、提高使用性、简化日文字符插入功能，并且提升个人产能及全球协同合作。Mathcad14.0新功能(2/5)提高计算能力和明确性工作表分析用户可以使用新的工作表比较功能直接检视并比较2张类似的工作表，再迅速辨识加入、变更或移除的区域。如此有助于协同合作、工作表重复使用，并能提升工程师的工程计算和稽核能力。工作表搜寻强化功能现在还能搜寻工作表折迭(隐藏)区域中的结果，搜寻结果报告因此更加完整。如此可提升工程设计效率、质量和协同合作效能。行内数值评估和明示计算强化功能用户可以使用这项功能定义和评估单一语句(同行)中的方程式，编制精简的文件和标准的报告格式。因此不但能节省工作表的空间，还能改进工作表的结构和清晰度。此外，行内数值评估还能结合变量名称与行内数值评估的结果，进而强化现存的明示计算功能。用户可以运用明示计算替换方程式中的变量值，以记录和确认计算结果中使用的数值是否正确。此外，用户在记录明示计算的中间方程式和结果时，也可以使用Mathcad14.0强化功能。明示计算的清晰度提高后，确认、验证和稽核工程计算的速度将会加快。对于在设计提案、标准合法性证明文件或其他正式报告中包含工作表的工程师，将因这项强化功能而受益良多。Mathcad14.0新功能(3/5)强化符号运算功能Mathcad14.0包含重大的符号更新，新增和强化的功能如：符号向量化、完整求解、新增和强化关键词、连分数展开、扩张、分段和重复求解。之后，用户便能衍生方程式、展示流程以及记录工程推理。对于需要使用符号的进阶用户、研究员和设计工师以及其他博士级使用者，都将因此强化功能受益良多。新的梯度运算符和雅可比(Jacobian)矩阵。这些新的符号功能可用于向量分析，尤其适合做为genfit和stiffODE求解器的输入值。这些功能同时适用于符号与数值分析，可以简化及清楚表达向量分析计算；适用用户包括进阶用户和机械设计工程师。数学求解器强化功能这些强化功能扩大了用户求解和记录工程设计问题的范围。新增的常微分方程式(ODE)求解器强化功能计算更迅速、更可靠。使用不同刻度和周期的解法更迅速、可靠地求解设计问题ODE。降低求解困难ODE问题的专业门坎。此强化功能让众多工程师受惠，特别是机械工程师。ODE矩阵运算的状态空间模式(Statespace)。以领域正确的状态空间记号输入ODE的联立线性方程式。此外，还有其他记录和取得知识产权适用的特定领域记号。此功能的受惠者是研发和分析控制工程设计的用户。绘图格式强化功能用户可以编制出更好的图形化报表，并提高整个产品研发流程的记录、沟通与协同合作效能。Mathcad14.0新功能(4/5)新增2D绘图轴上的数字格式自定义卷标，用户可以迅速自定义图形。极化图负半径支持将产生不同的极化图样式，可以提高绘图质量和清晰度。Mathcad14.0的极化图强化功能对电气设计工程师而言极为实用，可以分析通讯设备或加装天线的电器所产生的电磁幅射