CAD技术在土木工程中的应用研究

叶 龙，刘明凯，李向召

YE Long, LIU Ming-kai, LI Xiong-zhao

（安阳师范学院 建筑工程学院，安阳 455000 ）

0 引言

CAD技术的不断发展和应用领域的日益扩大，导致了传统设计方法的重大改革。传统设计要求人们根据经验创造设计方案，然而，随着结构的复杂化和大型化，单纯依靠人为地反复比较和选择，势必使方案的选择受到极大的限制。利用计算机高速、大存储及逻辑判断功能可使经验设计代之以理性设计，近似设计代之为准确设计。由于计算机速度和容量的不断增长，体积和价格的不断下降以及各种外围设备的迅速发展，使计算机处理图像的能力日益增强，在这种条件下，曾经以数据计算为主的电子计算机逐渐成为可以在各个环节下帮助工程师完成设计任务的工具。

1 CAD技术在土木工程中的应用范围

随着CAD技术的不断完善和发展，CAD技术已是土木工程行业中应用最广泛和发展最快的技术之一。目前CAD技术已参与到土木工程的规划、设计、施工等各个阶段，使用CAD技术的意义不仅仅在于提高了企业的技术水平，更成为同其他企业进行竞争的重要手段。

图1 CAD技术应用范围

1.1 应用在规划中

在一个工程中，对项目的前期规划是非常重要的，要考虑的因素有很多，包括社会经济，自然条件和环境因素等。任何一项规划都关乎项目的成败。应用于这一阶段的CAD系统包括三类，其一是规划信息的查询与存储系统，例如地理信息系统，城市政策信息系统，该系统主要主要采用数据库系统形式；其二是信息分析系统，例如城市规划信息分析系统；其三是规划辅助表现及制作系统，例如景观表现系统。

1.2 应用于设计中

一个完整的土木建筑设计过程包括选定结构形式、假定形状尺寸、结构模型化、结构分析与验算、绘制图面、材料计算等过程。因为结构设计是CAD技术在土木建筑工程中最早应用的，所以有关设计CAD系统的发展比较成熟。

如在对桥梁的结构设计中。首先利用CAD软件对桥梁结构进行实体建模，如图2所示，然后分析了桥梁截面情况和受力后情况，按照实际情况对桥梁的受力和变形进行了准确的估算，为工程质量提供的保障。

1.3 应用于施工中

土木建筑工程的施工过程包括投标报价，施工调查，施工组织设计，人员、器材和资金调配，具体施工及项目工程管理和验收等。而CAD技术在每一个环节中都得到了广泛的应用。我国已采用了投标报价与合同管理、工程项目管理、网络计划等系统，现在国外已经开发出建筑物和构筑物的集成施工系统，CAD技术的应用，有效的提高了企业的技术实力和管理水平。

图2 桥梁实体模型

图3 桥梁截面形状

1.4 应用于维护管理中

为解决建筑物的老化与功能下降问题，对建筑物必须进行定期的维护与管理，主要是定期检查、维护与加固。在维护管理中最早应用CAD技术的是煤气、上下水管线图的计算机管理，主要是管线的位置和管线埋设条件。由于采用了维护管理系统，较大的降低了管路的分析与检查的工作难度。随着CAD技术的进步，近年来又出现了以数据库为中心，道路设施维护管理的CAD系统，该系统可以保存定期检查结果信息，还可以辅助维修和加固规划设计。

2 CAD技术的优劣势

2.1 CAD技术在土木工程中的优点

传统的手工绘图需要十几种绘图工具，而且一旦出错，就要在图纸上进行涂改，这样就影响了图纸的整洁和美观。而CAD制图只需要装有绘图软件的电脑、打印机和鼠标就可以完成任何复杂图纸的绘制，同时软件提供的UNDO功能可以为工程设计人员绘图提供保障，即便出错也可以返回出错之前的图面。通过参数化绘图工具还能为工程设计人员提供独特的表达方式，提供更加广阔的思维空间。

一般土木设计过程是由提出方案、方案设计、初步设计和施工图设计组成。传统制图方式中，各阶段不同设计成果要分时制作，影响了工程设计人员之间的默契，制约了制图速度的提高；在CAD制图中，可以通过图纸资料互换，即便设计方案有所修改，工程设计人员也只要调整下原有的设计图纸即可，现在CAD软件大多提供了丰富的分类图库，在需要时直接在图库中找寻即可，重复工作越多，这种优势就越明显，这样就可以明显提高工作效率。

土木工程设计对裂缝宽度、挠度、承载力和配筋面积等参数方面要求很严格，而且在实际工程中，对各个结构件如梁、板承受的载荷的设计要符合规范，还要根据相关设计标准进行计算和调整，计算数值稍有偏差就会导致产品不合设计要求，所以对计算的要求很高，CAD对此提供了专业的计算模块，能够快速准确的处理大量的数据，特别是在日影分析、市内声场分析和灯光照度分析等方面的计算，无论精度还是速度都是手工计算无法比拟的。

CAD制图中为避免构图实体在空间中发生不必要的碰撞，CAD可以在真色彩、真三维和光照情况下，按照物体运动轨迹构建虚拟建筑体，在虚拟体中可以进行实时漫游，查看构件组合情况，这样就可以使结构的板、梁、柱和墙等的设计达到相容、相配性，有效的避免了碰撞的发生。发现问题后可以迅速而详细的进行修改，直到满意为止，这样就为工程设计人员提供了有益的帮助。

通过CAD软件制作的工程图表可以直接存储到软盘和硬盘中，这样可以避免资料因受潮、虫蛀以及破坏性查阅造成的不必要损失，如果将设计资料刻录成光盘，数据能至少能保存50年。一个设计院资料室所有资料被几张光盘所代替，查找和管理都变得更加简便和规范。

随着信息技术快速发展，网络技术大范围的普及以及CAD智能化的应用，各企业间跨地区的设计合作与异地招投标等设想均有实现的可能。如日本1992年开始建设行业的CALS（综合信息系统）研究，其具体的标准已经出台，所谓CALS就是企业和机关所持信息标准化和数字化，利用网络进行开发、设计、运筹和运用全过程的共用的系统工程，不受部门间、企业间特定机器和系统的制约。

CAD制作的建筑效果图通过利用透视关系、光影关系和建筑材料的质感真实的再现了设计的成果，再通过配合真实的树木、人、天空和汽车等背景使得效果更加逼真，几乎可达到以假乱真的地步。而且只要CAD制作的效果图完成就可以按照任意指定的透视角度，模型材质，快速的生成数张效果图，无需再从头做起，这也是传统手绘制图所不具备的一个优势，这一切都为设计师的设计工作提供了很多的便利，也使设计师在展示自己的设计成果时能更加全面和有说服力。

2.2 CAD技术的缺点

由于电脑屏幕尺寸的限制，设计师在进行设计和修改时往往只能关注到设计的局部，这样就不能站在全局的角度思考问题，对全局的设计和布置会产生不良的影响，使得整个建筑的比例和体量失控。建筑设计师需要有艺术家的灵感和天赋，而这种灵感很多就是在设计过程中“模模糊糊”产生的，因为CAD对数据要求很精确，所以在制图时要求每一笔都要有准确的数据，设计师只能屈从于电脑的机械和准确，这样设计中的模糊性和随机性就被忽略，一些有创意的灵感也就被扼杀掉了。同时由于CAD软件自身功能的局限性和不完善性，以及设计工程师对CAD软件掌握的熟练程度不足，使得建筑师好的灵感和创意不能通过CAD来表达，建筑师优秀的创意、思路和灵感再次被束缚。

前人曾说过：“建筑是凝固的音乐”，建筑不仅仅是单纯的结构设计，他是将科技、艺术、文化和哲学融为一体的一门博大精深的学科，同时建筑不仅仅是一件商品，更是一件给人以美感的艺术品。一些从事设计工程人员认为，过分依赖CAD技术会使得建筑设计工作由艺术创作者变为工业化生产机器，CAD一直以来引以为傲的复制与套用修改技术，则直接省去了设计的过程，这本身就伤害了这一学科；CAD带来的设计标准化和工业化使得设计出的作品千篇一律，缺乏人文关怀，设计个性和灵气，使建筑沦落为纯粹的商品，而用电脑效果图来取代最有艺术气息的手绘建筑效果图，虽然快捷方便，但却终究缺少设计师所要表达的个性与设计师特有的艺术风格与感受。

CAD是一项技术含量很高的技术，一名普通设计师要通过半年甚至一年的时间来熟悉掌握CAD软件的基本用法和相关电脑知识，这样就浪费了人力资源和工作时间，在培训设计师的同时还要交付高额的培训费，增加了企业成本；单就CAD软件而言，一套正版的工程建筑软件都要花费1-2万以上，还要定期的升级和更新，需要大量的后续资金投入，而且由于CAD软件对系统配置要求很高，必须是性能良好的计算机才能顺畅的运行CAD软件，同时想要完整的实现微机制图还需要别的配套设备如：工作站，绘图仪，复印机，扫描仪，数字化仪，数码相机，刻录光盘，UOS和USB等，这样计算下来，再加上前面的培训费，电脑设备和正版软件及其后续升级所需的资金，投入就更加不菲。

目前应用范围较为广泛的专业软件大多数只停留在二维的基础上，在设计中只能算是个绘图工具，缺乏智能化。真正的智能化结构软件应该是不仅仅能构建三维立体图像，还能自动执行相关规范，设计中所用的参数不仅能达到经济实用的效果，还要便于施工。如中国建筑科学研究院PKPM CAD软件工程部和新加坡建屋发展局联合开发的BEAM CAGE软件，在使用过程中能自动按照英国规范完成钢筋混凝土梁的配筋、选筋和挠度的计算，施工图的生成的一系列的功能，不过该软件虽然自动化程度较高，绘图质量较好，终究是在英国规范的基础上建立起来的。而国内应用广泛的工程智能化设计软件如PKPM在使用时，设计师们还得调整梁、板、柱的配筋，尤其是柱的配筋，PKPM软件自动生成的顶层柱配筋常常因为屋面梁传递来的弯矩较大，配筋也较大，而下层由于梁传递来的弯矩较小，配筋也较小，造成大柱种在小柱上的现象。这就需要设计师进行人工的修改和调节。可见，我们还缺乏标准统一的智能化结构设计软件。

3 结论

综上所述，CAD技术给设计师的工作带来了极大的便利，但同时也为设计师提出了不少难题，我们应该辩证的看待CAD为我们带来的好处和由他产生的一些麻烦，努力学习CAD相关知识，尽量减小CAD使用中的负面影响，充分发挥CAD的长处，为设计工作的发展做出更多的贡献。

[1]曲怀海, 陈充君.土木CAD的信息化管理[J].山东交通科技, 2005.

[2]王冲.CAD在土木工程设计中的利与弊[J].科技广场,2005.

[3]阿尔清.沙特巴里的CAD技术在土木工程中的应用[J].科技信息, 2008.

[4]吴银柱, 吴丽萍.土建工程CAD[M].高等教育出版社,2006.