1、第十四章 数字化技术在土木工程中的应用14.1 14.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)14.2 14.2 信息化施工信息化施工14.3 14.3 智能化建筑的定义及分类智能化建筑的定义及分类14.4 14.4 智能化交通智能化交通14.5 14.5 仿真系统仿真系统14.6 14.6 土木工程专业中计算机辅助教学与网络教学土木工程专业中计算机辅助教学与网络教学引言引言 数字化技术更越来越多的应用到各个领域，小到产品的策划、设计、制造、销售；大到医疗、教育、军事等等都在探索使用数字化技术。 数字化技术数字化技术是以计算机硬软件、周边设备、协议和网络为是以计算机硬软件、周边设备
2、、协议和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存贮、处理、控基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存贮、处理、控制、联网的集成技术。制、联网的集成技术。 计算机辅助设计计算机辅助设计、信息化施工信息化施工、智能建筑智能建筑、智能交通智能交通、仿仿真系统真系统等是土木工程数字化技术发展的主要方向，网络教学网络教学也将成为土木工程发展的重要分支。 14.1 14.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD) (CAD) 计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer Aided Design(Computer Aided Design），简称），简称CADCAD。CAD是利用计算机硬件系统
3、和软件系统强大的计算功能和高效是利用计算机硬件系统和软件系统强大的计算功能和高效灵活的图形处理能力，帮助工程技术人员进行工程设计、产灵活的图形处理能力，帮助工程技术人员进行工程设计、产品设计与开发，以达到缩短设计周期、提高设计质量、降低品设计与开发，以达到缩短设计周期、提高设计质量、降低成本、提高市场竞争力的一门先进技术。成本、提高市场竞争力的一门先进技术。 我国对CAD的应用和研究，开始于20世纪70年代，在80年代中期进入了全面开发应用阶段，并对土木工程设计工作带来了越来越大的影响。u CAD系统发展历程系统发展历程与计算机软硬件系统的发展息息相关与计算机软硬件系统的发展息息相关单功能单功
4、能CAD系统系统（20世纪世纪50年代年代20世纪世纪70年代末期）；年代末期）；基于文件管理功能的多功能基于文件管理功能的多功能CAD系统系统（20世纪世纪80年代年代20世世纪末期）；纪末期）；基于工程数据库技术的集成化基于工程数据库技术的集成化CAD系统系统CMIS 将将CAD/CAM系统的数据库、管理系统、网络通信相结合（系统的数据库、管理系统、网络通信相结合（21世纪初世纪初期期今）。今）。 u CAD应用软件的发展方向：应用软件的发展方向： 集成化、图视化、智能化、并行化、标准化集成化、图视化、智能化、并行化、标准化。u CAD技术的应用现状：技术的应用现状： 涉及众多学科的高新技
5、术领域。例如：涉及众多学科的高新技术领域。例如：计算机硬件技术、工程设计知识与方法；计算机硬件技术、工程设计知识与方法；计算数学、计算力学、计算机图形学；计算数学、计算力学、计算机图形学；数据结构和数据库、有限元法；数据结构和数据库、有限元法；计算机网络、仿真技术计算机网络、仿真技术 。u 常用的常用的CAD软件包括：软件包括： PKPM PKPM 、MIDASMIDAS 、SAPSAP 等。软件名称软件名称开发单位开发单位适用范围适用范围主要功能及特点主要功能及特点PKPM中国建研院中国建研院PKPMPKPM工程部工程部框排架、框剪、砖混框排架、框剪、砖混等多、高层建筑等多、高层建筑建筑、结
6、构、设备集成的大型建筑、结构、设备集成的大型CADCAD系统系统AutoCAD美国美国AutodeskAutodesk公司公司通用交互式绘图软件，通用交互式绘图软件，绘图功能完善、使用绘图功能完善、使用方便方便有很强的三维设计、实体结合造有很强的三维设计、实体结合造型和数据库管理等功能型和数据库管理等功能Xsteel芬兰芬兰 Tekla Tekla 公司公司 主要应用于钢结构设主要应用于钢结构设计与分析计与分析是基于面向对象技术的智能软件是基于面向对象技术的智能软件包，独立的三维智能钢结构模拟、包，独立的三维智能钢结构模拟、详图的生成等。详图的生成等。天正结构天正结构cad北京天正工程北京天正
7、工程软件公司软件公司建筑结构设计绘图建筑结构设计绘图( (在在AutoCADAutoCAD上运行）上运行）与计算程序的简单接口，可以生与计算程序的简单接口，可以生成模板施工图。建筑平面图接口成模板施工图。建筑平面图接口可与其他建筑软件连接可与其他建筑软件连接ANSYS/MultiPhysics系列软件系列软件 美国美国ANSYSANSYS公公司司 主要应用于航空、桥主要应用于航空、桥梁、建筑等各个工程梁、建筑等各个工程领域的结构分析、热领域的结构分析、热分析、流体分析分析、流体分析是一个完整的有限元分是一个完整的有限元分FEAFEA软件软件包，包括包，包括(1)(1)机械机械- -结构结构(2
8、)(2)电磁电磁学学(3)(3)计算流体动力学等三个主计算流体动力学等三个主要的组成产品要的组成产品 sap2000美国美国CSICSI公司公司与金土木合作与金土木合作 桥梁、大坝、体育场桥梁、大坝、体育场馆、工业结构和建筑馆、工业结构和建筑二维框架静力分析及复杂的三维二维框架静力分析及复杂的三维非线性动力分析非线性动力分析pkpm软件界面软件界面u PKPM系列软件包括有：系列软件包括有：结构平面计算机辅助设计软件结构平面计算机辅助设计软件PMCAD钢筋混凝土排架及连续梁结构计算与施工图绘制软件钢筋混凝土排架及连续梁结构计算与施工图绘制软件PK多、高层建筑结构三维分析软件多、高层建筑结构三维
9、分析软件TAT高层建筑结构动力时程分析软件高层建筑结构动力时程分析软件TAT-D多、高层结构空间有限元分析软件多、高层结构空间有限元分析软件SATWE高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件FEQ楼梯计算机辅助设计软件楼梯计算机辅助设计软件LTCAD剪力墙计算机辅助设计软件剪力墙计算机辅助设计软件JLQ钢筋混凝土基本构件设计计算软件钢筋混凝土基本构件设计计算软件GJ基础基础CAD（独基、条基、桩基、筏基）软件（独基、条基、桩基、筏基）软件JCCAD箱形基础计算机辅助设计软件箱形基础计算机辅助设计软件BOX钢结构钢结构CAD软件软件STS预应力混凝土结构设
10、计软件预应力混凝土结构设计软件PREC混凝土小型空心砌块混凝土小型空心砌块CAD软件软件QIK 14.2 14.2 信息化施工信息化施工 信息化施工信息化施工，就是指在施工过程中所涉及的各部分就是指在施工过程中所涉及的各部分各阶段广泛应用计算机信息技术，对工期、人力、材料、各阶段广泛应用计算机信息技术，对工期、人力、材料、机械、资金、进度等信息进行收集、存储、处理和交流，机械、资金、进度等信息进行收集、存储、处理和交流，并加以科学地综合利用，为施工管理及时、准确地提供并加以科学地综合利用，为施工管理及时、准确地提供决策依据。决策依据。 信息化施工可大幅度提高施工效率和保证工程质量，减少或杜绝工
11、程事故，有效控制成本，实现施工管理现代化。 14.2.1 14.2.1 信息化施工现状信息化施工现状 (1)(1)在建设行业行政主管部门和建筑企业初步完成计算机的普在建设行业行政主管部门和建筑企业初步完成计算机的普及应用，但远没到信息化的阶段。及应用，但远没到信息化的阶段。 (2)(2)初步形成了建筑业专用软件市场，有了一批自主知识版权初步形成了建筑业专用软件市场，有了一批自主知识版权的信息产品，满足单项应用要求，但缺少平台级系统软件。的信息产品，满足单项应用要求，但缺少平台级系统软件。(3)(3)信息化总体水平处于直接事务处理阶段，远没达到深层次信息化总体水平处于直接事务处理阶段，远没达到深
12、层次推理系统应用阶段。推理系统应用阶段。(4)(4)建设行业推广信息化施工技术存在的问题和差距。建设行业推广信息化施工技术存在的问题和差距。 14.2.214.2.2信息化施工未来发展的重点信息化施工未来发展的重点 14.3.14.3.智能化建筑智能化建筑 智能化建筑智能化建筑是为了适应现在信息社会对建筑物的功能，环境和高效率管理的要求，特别是对建筑物应具备信息通信，办公自动化，和建筑设备自动控制和管理等一系列功能的要求而在传统的基础上发展起来的。 智能建筑一语，首次出现于美国联合科技集团TUBS公司1984年1月在康乃狄格州所建设完成的City Place大楼的宣传语中。14.3.1 14.
13、3.1 智能化建筑的定义及分类智能化建筑的定义及分类 目前智能建筑还没有确切的定义，但有两个方面的要求应予满足。 (1) (1) 房屋设备用先进的计算机系统监测与控制，并可通房屋设备用先进的计算机系统监测与控制，并可通过自动优化或人工干预来保证设备运行的安全、可靠高效。过自动优化或人工干预来保证设备运行的安全、可靠高效。 (2) (2) 安装了对居住者的自动服务系统。安装了对居住者的自动服务系统。 u 智能建筑主要有以下几种类型：智能建筑主要有以下几种类型：1 1、专用办公楼；、专用办公楼；2 2、出租办公楼；、出租办公楼；3 3、综合性建筑；、综合性建筑；4 4、住宅。、住宅。14.3.2
14、14.3.2 智能化建筑的系统组成智能化建筑的系统组成 智能建筑是在建筑平台上，由三大子系统所构成。 建筑平台建筑平台就是建筑物（包括环境本身）建筑物（包括环境本身）。 三大子系统三大子系统是指通信网络系统、办公自动化（信息网络）系通信网络系统、办公自动化（信息网络）系统统和和建筑设备自动化系统建筑设备自动化系统 。 智智能能建建筑筑系系统统14.3.2 14.3.2 智能化建筑的系统组成智能化建筑的系统组成 智能建筑的通信网络系统是保证楼内语音，数据，图像传输的基础，它同时与外部的通信网相连，与世界各地互通信息，通信网络系统是智能建筑的中枢，是把构成智能建筑的三大子系统连接成有机的整体的核心
15、。 智能建筑的信息网络系统提供先进的信息处理功能，具有决策支持体系。 设备自动化系统是采用计算机及其网络技术，自动控制技术和通信技术组成的高度自动化的综合管理系统，保证建筑物内舒适，安全的办公环境，同时实现高效节能要求 。 u 智能建筑的综合布线系统的特点是：智能建筑的综合布线系统的特点是： 将所有的语音、数据、视频信号等的布线，经过统一的规划设计，综合在一套标准的布线系统中，将智能建筑的三大子系统有机地连接起来。u 智能建筑与建筑环境的关系：智能建筑与建筑环境的关系：建筑环境；空调环境；照明环境。14.3.3 14.3.3 智能化建筑的实施步骤智能化建筑的实施步骤 智能建筑的实施步骤，是使智
16、能建筑健康发展的一个重要措施。 14.4 14.4 智能化交通智能化交通 智能化交通，英文简写ITS，智能化交通一般包括智能化交通一般包括以下几个系统： (1)(1)先进交通管理系统；先进交通管理系统； (2)(2)交通信息服务系统；交通信息服务系统； (3)(3)车辆控制系统；车辆控制系统； (4)(4)车辆调度系统；车辆调度系统； (5)(5)公共交通系统等。公共交通系统等。 智能交通系统标准体系结构划分为两层，上层为智能交通系统通用标准，下层为分系统标准。 u ITS ITS中的通信技术主要包括：中的通信技术主要包括：(1)(1)无线电广播；无线电广播；(2)(2)电缆通信；电缆通信；(
17、3)(3)微波通信；微波通信；(4)(4)移动通信；移动通信；(5)(5)光纤通信；光纤通信；(6)(6)数字基带通信；数字基带通信； (7)(7)数字载波通信；数字载波通信；(8)(8)红外线与超声波通信；红外线与超声波通信；(9)(9)卫星通信。卫星通信。u ITS ITS中的信息技术主要包括：中的信息技术主要包括：（1 1）行车记录仪；）行车记录仪；（2 2）GPSGPSGSMGSMGISGIS车辆调度管理系统；车辆调度管理系统；（3 3）现代图像处理技术；）现代图像处理技术；（4 4）模式识别技术；）模式识别技术；（5 5）数据压缩及传输技术。）数据压缩及传输技术。14.5 14.5
18、仿真系统仿真系统 计算机模拟仿真技术是随着计算机硬件的发展而得到迅速发展。计算机仿真计算机仿真是利用计算机对是利用计算机对自然现象、系统功能以致人脑思维等客观世界进自然现象、系统功能以致人脑思维等客观世界进行逼真的模拟。行逼真的模拟。这种模拟仿真是数值模拟数值模拟的进一步发展。14.5.1 14.5.1 计算机模拟仿真在土木工程教学中的应用计算机模拟仿真在土木工程教学中的应用 采用计算机模拟的方法，利用计算机图形系统构成一个模拟的试验环境，学生向计算机输入构件数据后，就可以在屏幕上观察到构件破坏的全过程及其内外部的各种变化 。14.5.2 14.5.2 计算机模拟仿真在结构工程中的应用计算机模
19、拟仿真在结构工程中的应用 当结构形式特殊、荷载及材料特性特殊十分复杂时，人们常常借助于结构的模型试验来测得其受力性能。当结构参数发生变化时，这种试验有时就受到场地和设备的限制，这时利用计算机仿真技术就可以实现。 结构工程的计算机还用于事故的反演，寻找事故的原因。 人类与自然灾害或人为灾害作了长期的斗争。由于灾害的重复试验几乎是不可能的，因而计算机仿真在这一领域的应用非常有意义。 目前，已有不少关于抗灾防灾的模拟仿真软件被研制成功。 14.5.3 14.5.3 计算机模拟仿真在防灾工程中的应用计算机模拟仿真在防灾工程中的应用 14.5.4 14.5.4 计算机模拟仿真在岩土工程中的应用计算机模拟
20、仿真在岩土工程中的应用 岩土处于地下，往往难于直接观察，而计算机仿真则可以把内部过程展示出来，有很大的实用价值。 14.6 14.6 土木工程专业中计算机辅助教学与网络教学土木工程专业中计算机辅助教学与网络教学 计算机辅助教学计算机辅助教学(Computer-Aided Instruction(Computer-Aided Instruction，简称简称CAICAI)是计算机应用于教育领域的主要方面。 典型的CAI系统是在学习者和计算机之间的一系列交互活动中开展教学的。这种人机交互活动是由CAI软件系统控制的。随着互联网的普及，网络教育又成为新的一种计算机辅助教学。 14.6.1 14.6.
21、1 计算机辅助教学计算机辅助教学CAI CAI 一、计算机辅助教学的主要特点：一、计算机辅助教学的主要特点： (1)形式多样、生动活泼； (2)高度交互、因材施教； (3)信息量大、重现力强； (4)界面友好、操作简单。二、计算机辅助教学的主要优点：二、计算机辅助教学的主要优点： (1)有利于增强教学效果； (2)有利于贯彻因材施教的原则； (3)有利于激发学习者的兴趣； (4)有利于培养学习者的多种能力； (5)有利于提高教学质量。 土木工程概论CAI从土木工程的历史、现状与未来的视角，立足国内，涉及世界，全面描述了土木工程所涵盖的广泛内容。 14.6.1 14.6.1 计算机辅助教学计算机辅助教学CAI CAI 14.6.2 14.6.2 网上教学与学习网上教学与学习 网络的发展，网上教学与学习已成为可能。它除了CAI的优点以外，还具备网上答疑、网上讨论等虚拟教室或学术论坛的功能，下图为某高校土木工程概论网络课程的界面。 谢谢 谢！谢！
