CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用分析

王志強

摘 要：隨著計算機軟件開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，CAD技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中得到了廣泛的推廣，尤其是在重工業(yè)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。計算機工業(yè)設(shè)計包括圖形設(shè)計、工藝參數(shù)和實體設(shè)計，以及三維模型的建立。CAD技術(shù)使工業(yè)設(shè)計更加的完美和精確，本文闡述了CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠體現(xiàn)出現(xiàn)代審美的理念。

關(guān)鍵詞：CAD技術(shù)；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；應(yīng)用

1 引 言

CAD技術(shù)是一門結(jié)合計算機科學(xué)與工程學(xué)科的邊緣性學(xué)科。計算機輔助設(shè)計為工業(yè)設(shè)計者提供了設(shè)計中所用的各種資源，包括模型設(shè)計、圖像、動畫、設(shè)計計算、功能建模以及設(shè)計的規(guī)范標(biāo)識等，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達（幾何形狀及尺寸、結(jié)構(gòu)配置、功能描述、材料及性質(zhì)、制造要求），也包括數(shù)據(jù)交換的方法、標(biāo)準(zhǔn)和工具，以及系統(tǒng)連接的用戶接口。計算機輔助設(shè)計是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計者提供一個輔助性的設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計者利用設(shè)備對工業(yè)產(chǎn)品進行規(guī)劃、分析、模擬、評價、修改并形成最終方案的文檔性創(chuàng)造活動。在CAD技術(shù)的輔助下，設(shè)計者發(fā)揮自己的想象力、創(chuàng)造力，以及憑借著設(shè)計經(jīng)驗，對圖像有機組合，綜合運用多學(xué)科的知識完成產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品描述，從而提高了設(shè)計工作的效率。CAD技術(shù)的應(yīng)用是工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢，將計算機技術(shù)和圖像學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，廣泛用于土木工程、機械生產(chǎn)、航空航天、化工制造、電子生產(chǎn)等各個設(shè)計領(lǐng)域，CAD技術(shù)的應(yīng)用對工業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻。

2 CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

CAD技術(shù)在各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，也成為各行業(yè)設(shè)計師必須掌握的一門技術(shù)?，F(xiàn)代的建筑圖紙設(shè)計都是通過計算機完成設(shè)計的，特別是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模的工業(yè)化，是計算機的價格越來越便宜，而且功能越來越強大，為包括鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)的所有工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計提供了便利的條件。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，CAD技術(shù)經(jīng)歷了計算機輔助分析、計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造三個階段。

（1）計算機輔助分析。有限元的應(yīng)用使計算機技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。有限元分析方法能夠把連續(xù)的求解區(qū)域分解成簡單獨立的子區(qū)域，通過分散化的方式把求解連續(xù)體的場變量（位移、應(yīng)力、溫度和壓力等）問題簡化為求解有限個單元節(jié)點上的場變量值。從而把求解連續(xù)體問題的微分方程組化為代數(shù)方程組。在求解中所采用的單元數(shù)量、類型以及插值函數(shù)決定著求解的精度。計算機輔助分析已經(jīng)在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在大型的結(jié)構(gòu)分析中，通常使用的軟件有SAP、ANSYS、ADINA、ABAQUS和MARC等，都能做到對結(jié)構(gòu)的動力分析、靜力分析、彈塑分析以及材料的力學(xué)分析；也能夠求解結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力和溫度分布以及頻率特性。這些軟件在使用中不斷的升級，逐漸的增加新的功能，經(jīng)過不斷的研究與改進，軟件的可靠性不斷提高，成為結(jié)構(gòu)分析研究的主要工具。但是隨著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的個性化要求，使這些軟件不能滿足特殊化的設(shè)計要求，隨著結(jié)構(gòu)有限元和計算機算法技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了許多專業(yè)化的設(shè)計軟件，如隨著結(jié)構(gòu)有限元和計算機算法技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生許多專用軟件，如ERAB、AAD、TAT、SSDD等。這些軟件可以實現(xiàn)特殊的結(jié)構(gòu)分析，能夠完成特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，能夠按照設(shè)計人員的指令繪制完整的工程圖紙。

（2）計算機輔助設(shè)計。計算機輔助分析需要設(shè)計師從事繁重的手工計算和繪圖，計算機輔助設(shè)計不能把設(shè)計與分析分開。在對設(shè)計的方案進行修改時，設(shè)計師要根據(jù)設(shè)計修改要求建立模型分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件能夠考慮到設(shè)計的材料和規(guī)范要求，更具工程設(shè)計的方案要求，將形成設(shè)計分析一體化的CAD系統(tǒng)。鋼筋混凝土CAD技術(shù)已經(jīng)成熟，不僅能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行設(shè)計和計算，還可以在設(shè)計的同時生成施工圖紙。鋼筋混凝土的CAD技術(shù)可以用來對鋼結(jié)構(gòu)的計算分析，當(dāng)時比起專業(yè)性的軟件來說依然存在著不足，主要在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上不夠全面。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計采取通用軟件和專用軟件，再通過計算機繪圖工具繪制出完整的圖紙。

（3）計算機輔助設(shè)計與制造。計算機輔助設(shè)計到計算機輔助設(shè)計與制造一體化，是工業(yè)設(shè)計的發(fā)展的一大進步。計算機輔助設(shè)計與制造集成化是利用了三維模型技術(shù)，生成了一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)實體，而且能夠自動的完成結(jié)構(gòu)構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點的設(shè)計，產(chǎn)生的圖紙可以直接用于加工。基于三維技術(shù)，設(shè)計人員可以在屏幕上見到實體結(jié)構(gòu)模型，及時分析問題并進行修改。

3 CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

（1）結(jié)構(gòu)分析計算。二十世紀(jì)末，計算機在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要是數(shù)值計算、分析和設(shè)計結(jié)構(gòu)。均采用數(shù)據(jù)文件形式對結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的數(shù)據(jù)輸入和輸出，需要對工程的結(jié)構(gòu)計算多次分析，每次都要對數(shù)據(jù)文件進行修改，應(yīng)用很不方便，容易出錯。

（2）前后處理結(jié)構(gòu)計算。為了克服數(shù)據(jù)文件經(jīng)常修改的弊端，開發(fā)研究了具有前后處理的結(jié)構(gòu)分析計算軟件。采用人機交互的方式輸入數(shù)據(jù)，直觀、簡便、準(zhǔn)確并大大提高了工作效率，但是這種軟件處理的結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式使用有局限。

（3）結(jié)構(gòu)CAD及其系列化。結(jié)構(gòu)以D在設(shè)計行業(yè)使用較為普遍，使用效果也很理想。開發(fā)結(jié)構(gòu)以D系列的工作量很大，不僅涉及到圖形顯示，而且還涉及到計算理論和各種規(guī)范的要求，并且以較高自動化程度完成施工圖紙的繪制。目前，我國使用較廣的CAD系列軟件有PKPM系列、TBSA系列等，這些軟件的推廣應(yīng)用提高了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平，對建筑業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。

4 CAD系統(tǒng)展望

隨著計算機技術(shù)和CAD技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計與相關(guān)各專業(yè)必將形成集成化系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能更將強大，可以提高整體設(shè)計的效率。在集成的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)工程運行的并行環(huán)境，把設(shè)計人員放在重要的位置，加強工程師的協(xié)同工作，共享數(shù)據(jù)庫、圖形庫和材料庫，并且能夠及時修改設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展對CAD系統(tǒng)的應(yīng)用提供了新的機遇，以工程項目為核心，將分散于各地的設(shè)計人員組成一個“虛擬群體”，超越各種障礙如應(yīng)用領(lǐng)域、地理位置、不同計算機應(yīng)用系統(tǒng)等，協(xié)同進行工程項目設(shè)計。而且這種并行設(shè)計活動要求各方面的專家可以看到工作的結(jié)果，并能夠向著共同的目標(biāo)工作。

參考文獻

[1]余志祥，趙世春.三維CAD技術(shù)在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2008（7）：56～57.

[2]劉紅，徐志強.探討CAD技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（12）：83～84.

[3]胡燚，張運東，張強.三維CAD技術(shù)在水利水電工程設(shè)計中的應(yīng)用分析[J].硅谷，2013（23）：147～148.

[4]邢艷秋.淺談三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2013（13）：213～214.