葉 龍，劉明凱，李向召

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

（安陽師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安陽 455000 ）

0 引言

CAD技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴大，導(dǎo)致了傳統(tǒng)設(shè)計方法的重大改革。傳統(tǒng)設(shè)計要求人們根據(jù)經(jīng)驗創(chuàng)造設(shè)計方案，然而，隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和大型化，單純依靠人為地反復(fù)比較和選擇，勢必使方案的選擇受到極大的限制。利用計算機高速、大存儲及邏輯判斷功能可使經(jīng)驗設(shè)計代之以理性設(shè)計，近似設(shè)計代之為準(zhǔn)確設(shè)計。由于計算機速度和容量的不斷增長，體積和價格的不斷下降以及各種外圍設(shè)備的迅速發(fā)展，使計算機處理圖像的能力日益增強，在這種條件下，曾經(jīng)以數(shù)據(jù)計算為主的電子計算機逐漸成為可以在各個環(huán)節(jié)下幫助工程師完成設(shè)計任務(wù)的工具。

1 CAD技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用范圍

隨著CAD技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，CAD技術(shù)已是土木工程行業(yè)中應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的技術(shù)之一。目前CAD技術(shù)已參與到土木工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工等各個階段，使用CAD技術(shù)的意義不僅僅在于提高了企業(yè)的技術(shù)水平，更成為同其他企業(yè)進行競爭的重要手段。

圖1 CAD技術(shù)應(yīng)用范圍

1.1 應(yīng)用在規(guī)劃中

在一個工程中，對項目的前期規(guī)劃是非常重要的，要考慮的因素有很多，包括社會經(jīng)濟，自然條件和環(huán)境因素等。任何一項規(guī)劃都關(guān)乎項目的成敗。應(yīng)用于這一階段的CAD系統(tǒng)包括三類，其一是規(guī)劃信息的查詢與存儲系統(tǒng)，例如地理信息系統(tǒng)，城市政策信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要主要采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)形式；其二是信息分析系統(tǒng)，例如城市規(guī)劃信息分析系統(tǒng)；其三是規(guī)劃輔助表現(xiàn)及制作系統(tǒng)，例如景觀表現(xiàn)系統(tǒng)。

1.2 應(yīng)用于設(shè)計中

一個完整的土木建筑設(shè)計過程包括選定結(jié)構(gòu)形式、假定形狀尺寸、結(jié)構(gòu)模型化、結(jié)構(gòu)分析與驗算、繪制圖面、材料計算等過程。因為結(jié)構(gòu)設(shè)計是CAD技術(shù)在土木建筑工程中最早應(yīng)用的，所以有關(guān)設(shè)計CAD系統(tǒng)的發(fā)展比較成熟。

如在對橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。首先利用CAD軟件對橋梁結(jié)構(gòu)進行實體建模，如圖2所示，然后分析了橋梁截面情況和受力后情況，按照實際情況對橋梁的受力和變形進行了準(zhǔn)確的估算，為工程質(zhì)量提供的保障。

1.3 應(yīng)用于施工中

土木建筑工程的施工過程包括投標(biāo)報價，施工調(diào)查，施工組織設(shè)計，人員、器材和資金調(diào)配，具體施工及項目工程管理和驗收等。而CAD技術(shù)在每一個環(huán)節(jié)中都得到了廣泛的應(yīng)用。我國已采用了投標(biāo)報價與合同管理、工程項目管理、網(wǎng)絡(luò)計劃等系統(tǒng)，現(xiàn)在國外已經(jīng)開發(fā)出建筑物和構(gòu)筑物的集成施工系統(tǒng)，CAD技術(shù)的應(yīng)用，有效的提高了企業(yè)的技術(shù)實力和管理水平。

圖2 橋梁實體模型

圖3 橋梁截面形狀

1.4 應(yīng)用于維護管理中

為解決建筑物的老化與功能下降問題，對建筑物必須進行定期的維護與管理，主要是定期檢查、維護與加固。在維護管理中最早應(yīng)用CAD技術(shù)的是煤氣、上下水管線圖的計算機管理，主要是管線的位置和管線埋設(shè)條件。由于采用了維護管理系統(tǒng)，較大的降低了管路的分析與檢查的工作難度。隨著CAD技術(shù)的進步，近年來又出現(xiàn)了以數(shù)據(jù)庫為中心，道路設(shè)施維護管理的CAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以保存定期檢查結(jié)果信息，還可以輔助維修和加固規(guī)劃設(shè)計。

2 CAD技術(shù)的優(yōu)劣勢

2.1 CAD技術(shù)在土木工程中的優(yōu)點

傳統(tǒng)的手工繪圖需要十幾種繪圖工具，而且一旦出錯，就要在圖紙上進行涂改，這樣就影響了圖紙的整潔和美觀。而CAD制圖只需要裝有繪圖軟件的電腦、打印機和鼠標(biāo)就可以完成任何復(fù)雜圖紙的繪制，同時軟件提供的UNDO功能可以為工程設(shè)計人員繪圖提供保障，即便出錯也可以返回出錯之前的圖面。通過參數(shù)化繪圖工具還能為工程設(shè)計人員提供獨特的表達方式，提供更加廣闊的思維空間。

一般土木設(shè)計過程是由提出方案、方案設(shè)計、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計組成。傳統(tǒng)制圖方式中，各階段不同設(shè)計成果要分時制作，影響了工程設(shè)計人員之間的默契，制約了制圖速度的提高；在CAD制圖中，可以通過圖紙資料互換，即便設(shè)計方案有所修改，工程設(shè)計人員也只要調(diào)整下原有的設(shè)計圖紙即可，現(xiàn)在CAD軟件大多提供了豐富的分類圖庫，在需要時直接在圖庫中找尋即可，重復(fù)工作越多，這種優(yōu)勢就越明顯，這樣就可以明顯提高工作效率。

土木工程設(shè)計對裂縫寬度、撓度、承載力和配筋面積等參數(shù)方面要求很嚴格，而且在實際工程中，對各個結(jié)構(gòu)件如梁、板承受的載荷的設(shè)計要符合規(guī)范，還要根據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行計算和調(diào)整，計算數(shù)值稍有偏差就會導(dǎo)致產(chǎn)品不合設(shè)計要求，所以對計算的要求很高，CAD對此提供了專業(yè)的計算模塊，能夠快速準(zhǔn)確的處理大量的數(shù)據(jù)，特別是在日影分析、市內(nèi)聲場分析和燈光照度分析等方面的計算，無論精度還是速度都是手工計算無法比擬的。

CAD制圖中為避免構(gòu)圖實體在空間中發(fā)生不必要的碰撞，CAD可以在真色彩、真三維和光照情況下，按照物體運動軌跡構(gòu)建虛擬建筑體，在虛擬體中可以進行實時漫游，查看構(gòu)件組合情況，這樣就可以使結(jié)構(gòu)的板、梁、柱和墻等的設(shè)計達到相容、相配性，有效的避免了碰撞的發(fā)生。發(fā)現(xiàn)問題后可以迅速而詳細的進行修改，直到滿意為止，這樣就為工程設(shè)計人員提供了有益的幫助。

通過CAD軟件制作的工程圖表可以直接存儲到軟盤和硬盤中，這樣可以避免資料因受潮、蟲蛀以及破壞性查閱造成的不必要損失，如果將設(shè)計資料刻錄成光盤，數(shù)據(jù)能至少能保存50年。一個設(shè)計院資料室所有資料被幾張光盤所代替，查找和管理都變得更加簡便和規(guī)范。

隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大范圍的普及以及CAD智能化的應(yīng)用，各企業(yè)間跨地區(qū)的設(shè)計合作與異地招投標(biāo)等設(shè)想均有實現(xiàn)的可能。如日本1992年開始建設(shè)行業(yè)的CALS（綜合信息系統(tǒng)）研究，其具體的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺，所謂CALS就是企業(yè)和機關(guān)所持信息標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化，利用網(wǎng)絡(luò)進行開發(fā)、設(shè)計、運籌和運用全過程的共用的系統(tǒng)工程，不受部門間、企業(yè)間特定機器和系統(tǒng)的制約。

CAD制作的建筑效果圖通過利用透視關(guān)系、光影關(guān)系和建筑材料的質(zhì)感真實的再現(xiàn)了設(shè)計的成果，再通過配合真實的樹木、人、天空和汽車等背景使得效果更加逼真，幾乎可達到以假亂真的地步。而且只要CAD制作的效果圖完成就可以按照任意指定的透視角度，模型材質(zhì)，快速的生成數(shù)張效果圖，無需再從頭做起，這也是傳統(tǒng)手繪制圖所不具備的一個優(yōu)勢，這一切都為設(shè)計師的設(shè)計工作提供了很多的便利，也使設(shè)計師在展示自己的設(shè)計成果時能更加全面和有說服力。

2.2 CAD技術(shù)的缺點

由于電腦屏幕尺寸的限制，設(shè)計師在進行設(shè)計和修改時往往只能關(guān)注到設(shè)計的局部，這樣就不能站在全局的角度思考問題，對全局的設(shè)計和布置會產(chǎn)生不良的影響，使得整個建筑的比例和體量失控。建筑設(shè)計師需要有藝術(shù)家的靈感和天賦，而這種靈感很多就是在設(shè)計過程中“模模糊糊”產(chǎn)生的，因為CAD對數(shù)據(jù)要求很精確，所以在制圖時要求每一筆都要有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，設(shè)計師只能屈從于電腦的機械和準(zhǔn)確，這樣設(shè)計中的模糊性和隨機性就被忽略，一些有創(chuàng)意的靈感也就被扼殺掉了。同時由于CAD軟件自身功能的局限性和不完善性，以及設(shè)計工程師對CAD軟件掌握的熟練程度不足，使得建筑師好的靈感和創(chuàng)意不能通過CAD來表達，建筑師優(yōu)秀的創(chuàng)意、思路和靈感再次被束縛。

前人曾說過：“建筑是凝固的音樂”，建筑不僅僅是單純的結(jié)構(gòu)設(shè)計，他是將科技、藝術(shù)、文化和哲學(xué)融為一體的一門博大精深的學(xué)科，同時建筑不僅僅是一件商品，更是一件給人以美感的藝術(shù)品。一些從事設(shè)計工程人員認為，過分依賴CAD技術(shù)會使得建筑設(shè)計工作由藝術(shù)創(chuàng)作者變?yōu)楣I(yè)化生產(chǎn)機器，CAD一直以來引以為傲的復(fù)制與套用修改技術(shù)，則直接省去了設(shè)計的過程，這本身就傷害了這一學(xué)科；CAD帶來的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化使得設(shè)計出的作品千篇一律，缺乏人文關(guān)懷，設(shè)計個性和靈氣，使建筑淪落為純粹的商品，而用電腦效果圖來取代最有藝術(shù)氣息的手繪建筑效果圖，雖然快捷方便，但卻終究缺少設(shè)計師所要表達的個性與設(shè)計師特有的藝術(shù)風(fēng)格與感受。

CAD是一項技術(shù)含量很高的技術(shù)，一名普通設(shè)計師要通過半年甚至一年的時間來熟悉掌握CAD軟件的基本用法和相關(guān)電腦知識，這樣就浪費了人力資源和工作時間，在培訓(xùn)設(shè)計師的同時還要交付高額的培訓(xùn)費，增加了企業(yè)成本；單就CAD軟件而言，一套正版的工程建筑軟件都要花費1-2萬以上，還要定期的升級和更新，需要大量的后續(xù)資金投入，而且由于CAD軟件對系統(tǒng)配置要求很高，必須是性能良好的計算機才能順暢的運行CAD軟件，同時想要完整的實現(xiàn)微機制圖還需要別的配套設(shè)備如：工作站，繪圖儀，復(fù)印機，掃描儀，數(shù)字化儀，數(shù)碼相機，刻錄光盤，UOS和USB等，這樣計算下來，再加上前面的培訓(xùn)費，電腦設(shè)備和正版軟件及其后續(xù)升級所需的資金，投入就更加不菲。

目前應(yīng)用范圍較為廣泛的專業(yè)軟件大多數(shù)只停留在二維的基礎(chǔ)上，在設(shè)計中只能算是個繪圖工具，缺乏智能化。真正的智能化結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)該是不僅僅能構(gòu)建三維立體圖像，還能自動執(zhí)行相關(guān)規(guī)范，設(shè)計中所用的參數(shù)不僅能達到經(jīng)濟實用的效果，還要便于施工。如中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD軟件工程部和新加坡建屋發(fā)展局聯(lián)合開發(fā)的BEAM CAGE軟件，在使用過程中能自動按照英國規(guī)范完成鋼筋混凝土梁的配筋、選筋和撓度的計算，施工圖的生成的一系列的功能，不過該軟件雖然自動化程度較高，繪圖質(zhì)量較好，終究是在英國規(guī)范的基礎(chǔ)上建立起來的。而國內(nèi)應(yīng)用廣泛的工程智能化設(shè)計軟件如PKPM在使用時，設(shè)計師們還得調(diào)整梁、板、柱的配筋，尤其是柱的配筋，PKPM軟件自動生成的頂層柱配筋常常因為屋面梁傳遞來的彎矩較大，配筋也較大，而下層由于梁傳遞來的彎矩較小，配筋也較小，造成大柱種在小柱上的現(xiàn)象。這就需要設(shè)計師進行人工的修改和調(diào)節(jié)?？梢?，我們還缺乏標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的智能化結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件。

3 結(jié)論

綜上所述，CAD技術(shù)給設(shè)計師的工作帶來了極大的便利，但同時也為設(shè)計師提出了不少難題，我們應(yīng)該辯證的看待CAD為我們帶來的好處和由他產(chǎn)生的一些麻煩，努力學(xué)習(xí)CAD相關(guān)知識，盡量減小CAD使用中的負面影響，充分發(fā)揮CAD的長處，為設(shè)計工作的發(fā)展做出更多的貢獻。

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