CAD技术在钢结构设计中的应用分析

王志强

摘 要：随着计算机软件开发技术的快速发展，CAD技术在工业设计中得到了广泛的推广，尤其是在重工业领域得到了普遍的应用。计算机工业设计包括图形设计、工艺参数和实体设计，以及三维模型的建立。CAD技术使工业设计更加的完美和精确，本文阐述了CAD技术在钢结构设计中的应用，使钢结构设计能够体现出现代审美的理念。

关键词：CAD技术；钢结构设计；应用

1 引 言

CAD技术是一门结合计算机科学与工程学科的边缘性学科。计算机辅助设计为工业设计者提供了设计中所用的各种资源，包括模型设计、图像、动画、设计计算、功能建模以及设计的规范标识等，包括产品数据的表达（几何形状及尺寸、结构配置、功能描述、材料及性质、制造要求），也包括数据交换的方法、标准和工具，以及系统连接的用户接口。计算机辅助设计是工业产品设计者提供一个辅助性的设计系统，设计者利用设备对工业产品进行规划、分析、模拟、评价、修改并形成最终方案的文档性创造活动。在CAD技术的辅助下，设计者发挥自己的想象力、创造力，以及凭借着设计经验，对图像有机组合，综合运用多学科的知识完成产品设计和产品描述，从而提高了设计工作的效率。CAD技术的应用是工业现代化发展的趋势，将计算机技术和图像学技术结合起来，广泛用于土木工程、机械生产、航空航天、化工制造、电子生产等各个设计领域，CAD技术的应用对工业的发展做出了巨大的贡献。

2 CAD技术在钢结构中的应用

CAD技术在各个行业得到了广泛的应用，也成为各行业设计师必须掌握的一门技术。现代的建筑图纸设计都是通过计算机完成设计的，特别是随着计算机技术的发展和大规模的工业化，是计算机的价格越来越便宜，而且功能越来越强大，为包括钢结构在内的所有工业产品的设计提供了便利的条件。在钢结构的设计中，CAD技术经历了计算机辅助分析、计算机辅助设计和计算机辅助制造三个阶段。

（1）计算机辅助分析。有限元的应用使计算机技术在钢结构的设计中得到了广泛的应用。有限元分析方法能够把连续的求解区域分解成简单独立的子区域，通过分散化的方式把求解连续体的场变量（位移、应力、温度和压力等）问题简化为求解有限个单元节点上的场变量值。从而把求解连续体问题的微分方程组化为代数方程组。在求解中所采用的单元数量、类型以及插值函数决定着求解的精度。计算机辅助分析已经在工程技术领域得到了广泛应用。在大型的结构分析中，通常使用的软件有SAP、ANSYS、ADINA、ABAQUS和MARC等，都能做到对结构的动力分析、静力分析、弹塑分析以及材料的力学分析；也能够求解结构的位移、应力和温度分布以及频率特性。这些软件在使用中不断的升级，逐渐的增加新的功能，经过不断的研究与改进，软件的可靠性不断提高，成为结构分析研究的主要工具。但是随着钢结构设计的个性化要求，使这些软件不能满足特殊化的设计要求，随着结构有限元和计算机算法技术的应用，产生了许多专业化的设计软件，如随着结构有限元和计算机算法技术的应用，产生许多专用软件，如ERAB、AAD、TAT、SSDD等。这些软件可以实现特殊的结构分析，能够完成特殊结构的设计要求，能够按照设计人员的指令绘制完整的工程图纸。

（2）计算机辅助设计。计算机辅助分析需要设计师从事繁重的手工计算和绘图，计算机辅助设计不能把设计与分析分开。在对设计的方案进行修改时，设计师要根据设计修改要求建立模型分析。结构设计软件能够考虑到设计的材料和规范要求，更具工程设计的方案要求，将形成设计分析一体化的CAD系统。钢筋混凝土CAD技术已经成熟，不仅能够对结构进行设计和计算，还可以在设计的同时生成施工图纸。钢筋混凝土的CAD技术可以用来对钢结构的计算分析，当时比起专业性的软件来说依然存在着不足，主要在结构的设计上不够全面。钢结构的设计采取通用软件和专用软件，再通过计算机绘图工具绘制出完整的图纸。

（3）计算机辅助设计与制造。计算机辅助设计到计算机辅助设计与制造一体化，是工业设计的发展的一大进步。计算机辅助设计与制造集成化是利用了三维模型技术，生成了一个复杂的结构实体，而且能够自动的完成结构构件和标准节点的设计，产生的图纸可以直接用于加工。基于三维技术，设计人员可以在屏幕上见到实体结构模型，及时分析问题并进行修改。

3 CAD技术在钢结构设计中的应用

（1）结构分析计算。二十世纪末，计算机在建筑工程领域的应用主要是数值计算、分析和设计结构。均采用数据文件形式对结构分析和设计的数据输入和输出，需要对工程的结构计算多次分析，每次都要对数据文件进行修改，应用很不方便，容易出错。

（2）前后处理结构计算。为了克服数据文件经常修改的弊端，开发研究了具有前后处理的结构分析計算软件。采用人机交互的方式输入数据，直观、简便、准确并大大提高了工作效率，但是这种软件处理的结构比较规则，对于复杂的结构形式使用有局限。

（3）结构CAD及其系列化。结构以D在设计行业使用较为普遍，使用效果也很理想。开发结构以D系列的工作量很大，不仅涉及到图形显示，而且还涉及到计算理论和各种规范的要求，并且以较高自动化程度完成施工图纸的绘制。目前，我国使用较广的CAD系列软件有PKPM系列、TBSA系列等，这些软件的推广应用提高了建筑结构的设计水平，对建筑业的发展起到了巨大的推动作用。

4 CAD系统展望

随着计算机技术和CAD技术的应用，结构设计与相关各专业必将形成集成化系统，系统的功能更将强大，可以提高整体设计的效率。在集成的基础上，实现工程运行的并行环境，把设计人员放在重要的位置，加强工程师的协同工作，共享数据库、图形库和材料库，并且能够及时修改设计。网络技术的迅猛发展对CAD系统的应用提供了新的机遇，以工程项目为核心，将分散于各地的设计人员组成一个“虚拟群体”，超越各种障碍如应用领域、地理位置、不同计算机应用系统等，协同进行工程项目设计。而且这种并行设计活动要求各方面的专家可以看到工作的结果，并能够向着共同的目标工作。

参考文献

[1]余志祥，赵世春.三维CAD技术在复杂钢结构工程中的应用[J].钢结构，2008（7）：56～57.

[2]刘红，徐志强.探讨CAD技术在钢结构设计中的应用[J].中国建筑金属结构，2013（12）：83～84.

[3]胡燚，张运东，张强.三维CAD技术在水利水电工程设计中的应用分析[J].硅谷，2013（23）：147～148.

[4]邢艳秋.浅谈三维CAD技术在机械设计中的应用[J].中国科技信息，2013（13）：213～214.