CAD技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉立勛

河北拓樸建筑設(shè)計(jì)有限公司

1 CAD技術(shù)應(yīng)用概述

1.1 建筑CAD發(fā)展歷程

CAD技術(shù)也被稱作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與相應(yīng)軟件產(chǎn)品輔助人工完成設(shè)計(jì)工作的一項(xiàng)技術(shù)手段，最早起源于20世紀(jì)70年代，通過(guò)編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序快速獲得計(jì)算結(jié)果，在工程概預(yù)算與管理領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著時(shí)間推移，CAD技術(shù)體系日益成熟，各企業(yè)陸續(xù)推出多種CAD軟件，如Etabs軟件、PKPM系列軟件、TBACCA系列軟件等。

在CAD技術(shù)早期發(fā)展階段，受到基礎(chǔ)軟件與硬件限制，技術(shù)使用功能較為單一，并不具備圖形交互等功能，主要被用于開(kāi)展方案評(píng)估、施工圖繪制等工作，多數(shù)設(shè)計(jì)工作仍采取手工方式完成。在近年來(lái)，隨著第二代CAD系統(tǒng)的問(wèn)世推廣，CAD技術(shù)使用功能呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢(shì)，可以依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成絕大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

1.2 主要設(shè)計(jì)軟件

1.2.1 PKPM系列

該系列CAD軟件為我國(guó)建科院研制，采取AUTOCAD繪圖支持軟件與FORTRAN編程語(yǔ)言，主要包括建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)軟件、彈性地基梁筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、高層建筑結(jié)構(gòu)三維計(jì)算軟件、鋼結(jié)構(gòu)輔助軟件等。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，該系列CAD軟件具備獨(dú)立操作條件，以及優(yōu)異的人機(jī)交互性能與前后處理能力，適用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的各個(gè)環(huán)節(jié)。但是，所繪制梁柱斷面等圖紙標(biāo)注信息較為煩瑣，人工調(diào)整難度高，且計(jì)算結(jié)果相對(duì)較為保守。

1.2.2 TBACCA系列

該系列CAD軟件由我國(guó)背景建筑工程設(shè)計(jì)軟件研究院研制，由鋼桁架輔助設(shè)計(jì)軟件、高層建筑輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、輔助地基設(shè)計(jì)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)空間分析系統(tǒng)等成，實(shí)際應(yīng)用范圍涵蓋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣、暖通等專業(yè)，具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，適用范圍較廣。但是，在實(shí)際應(yīng)用期間，TBACCA系列軟件不具備多塔建筑結(jié)構(gòu)的條件，且無(wú)法客觀分析樓板對(duì)梁抗扭剛度所造成影響，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性有待提升。

1.3 CAD技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，CAD技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括以下幾點(diǎn)。

1.3.1 工作量少

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中，需要以手工方式完成圖紙繪制等工作，需要企業(yè)投入大量勞動(dòng)力，長(zhǎng)期開(kāi)展基礎(chǔ)性與重復(fù)性工作。同時(shí)，受到人為因素影響，偶爾出現(xiàn)圖紙畫(huà)錯(cuò)等問(wèn)題，實(shí)際工作量較大。而對(duì)CAD技術(shù)的應(yīng)用，可以依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與專業(yè)繪圖軟件，在短時(shí)間內(nèi)完成圖紙繪制等設(shè)計(jì)工作，有效縮減了實(shí)際工作量。

1.3.2 設(shè)計(jì)成果重復(fù)利用

可以對(duì)使用CAD軟件所完成設(shè)計(jì)成果進(jìn)行重復(fù)利用，如從繪圖軟件中導(dǎo)出CAD圖紙，直接將建筑施工圖轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備底圖等，以此簡(jiǎn)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟。

1.3.3 資料管理

設(shè)計(jì)人員可選擇將設(shè)計(jì)圖紙等工程資料信息以虛擬數(shù)字形式存儲(chǔ)在CAD軟件中，軟件具有實(shí)時(shí)查閱、遠(yuǎn)程控制、異地下載等功能，切實(shí)滿足現(xiàn)代建筑工程的設(shè)計(jì)需求。

1.4 CAD技術(shù)缺點(diǎn)

CAD技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在實(shí)際應(yīng)用期間，仍舊暴露出諸多技術(shù)缺陷，具體如下：第一，束縛設(shè)計(jì)思想。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式相比，在應(yīng)用CAD技術(shù)時(shí)，必須明確標(biāo)注建筑物比例與構(gòu)件尺寸等參數(shù)，禁止在設(shè)計(jì)期間存在模糊性與隨機(jī)性數(shù)據(jù)。這雖然有效提高了設(shè)計(jì)精度，但在一定層面上，限制了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作思路，不利于提高建筑外觀美觀度與藝術(shù)鑒賞價(jià)值。第二，技術(shù)水平要求高。CAD技術(shù)體系較為復(fù)雜，由多種計(jì)算機(jī)輔助軟件加以組成，且技術(shù)體系發(fā)展速度較快，陸續(xù)推出新型軟件產(chǎn)品與技術(shù)理念，對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素養(yǎng)及學(xué)習(xí)能力提出較高要求。

2 CAD技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 CAD技術(shù)在寒地木建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

該項(xiàng)目為風(fēng)屏障木結(jié)構(gòu)建筑，分布于長(zhǎng)春市吉林建筑大學(xué)，CAD技術(shù)主要被用于建筑能耗模擬計(jì)算、構(gòu)建CAD模型、建筑節(jié)能優(yōu)化方面中，具體應(yīng)用情況如下。

2.1.1 建筑能耗模擬計(jì)算

設(shè)計(jì)人員使用designbuilder能耗模擬軟件，在軟件中構(gòu)建數(shù)字能耗模型，向模型中導(dǎo)入室外設(shè)計(jì)參數(shù)與室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，如年平均氣溫值、地區(qū)類型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等。另外，構(gòu)建簡(jiǎn)化能耗模型，在模型中導(dǎo)入不可控變量以及可控變量。同時(shí)，在軟件中對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)屬性與特性進(jìn)行物理描述。用戶通過(guò)操作CAD軟件，在確定結(jié)構(gòu)特性與輸入變量后，即可確定高輸出變量與獲取建筑能耗模擬計(jì)算結(jié)果。此外，考慮到該建筑為新建建筑，選擇采取正向模擬法。

2.1.2 CAD建模

在該項(xiàng)目中，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)人員最終選擇使用Sketch?UP軟件繪制建筑效果圖，使用Auto CAD軟件繪制建筑平面圖。同時(shí)，考慮到所構(gòu)建建筑能耗模型存在文件無(wú)法兼容問(wèn)題，選擇使用DesignBuilder軟件重新構(gòu)建建筑能耗模型，并在軟件中獨(dú)立設(shè)置能耗模擬參數(shù)，所構(gòu)建CAD模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)屏障木結(jié)構(gòu)建筑CAD模型效果圖

2.1.3 建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

在建筑節(jié)能優(yōu)化環(huán)節(jié)，CAD技術(shù)的應(yīng)用步驟為：設(shè)計(jì)調(diào)研—建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)-暖通給排水設(shè)計(jì)—節(jié)能設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)—確定最終建筑結(jié)構(gòu)方案。同時(shí)，建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)具有雙向性特征，在設(shè)計(jì)期間出現(xiàn)各類問(wèn)題，或是未達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，都將回到方案設(shè)計(jì)階段，重復(fù)開(kāi)展節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。此外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，CAD技術(shù)暴露出多項(xiàng)問(wèn)題，如各環(huán)節(jié)所使用CAD軟件處于孤立狀態(tài)，實(shí)際設(shè)計(jì)效率存在優(yōu)化空間，缺乏開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)條件。例如，使用Auto CAD與3D max軟件開(kāi)展建筑前期平立剖與3D效果圖繪制作業(yè)，使用Designbuilder軟件開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)能耗模擬計(jì)算作業(yè)。

2.2 CAD技術(shù)在動(dòng)力時(shí)程分析中的應(yīng)用

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，動(dòng)力時(shí)程分析工作的意義是能夠客觀掌握建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際抗震性能，分析建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與受地震影響時(shí)建筑物破損程度二者關(guān)系，為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展提供信息支持。而從技術(shù)應(yīng)用層面來(lái)看，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，對(duì)CAD技術(shù)的應(yīng)用，憑借技術(shù)可視化等使用功能，幫助設(shè)計(jì)人員更為直觀地理解試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，客觀層面上提高了建筑結(jié)構(gòu)選型與受力分析等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)水平。

以廣廈項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由多個(gè)模塊組成。其中，圖形錄入模塊負(fù)責(zé)定義各樓層設(shè)計(jì)信息與轉(zhuǎn)換圖形信息，可視化模塊負(fù)責(zé)將信息圖形進(jìn)行可視化顯示，平面應(yīng)力模塊負(fù)責(zé)對(duì)構(gòu)件內(nèi)力與變形開(kāi)展有限元分析，施工圖模塊負(fù)責(zé)繪制及修改CAD施工圖，力學(xué)計(jì)算模塊負(fù)責(zé)完成磚混與樓板計(jì)算等任務(wù)，動(dòng)力時(shí)程模塊負(fù)責(zé)分析建筑結(jié)構(gòu)受到地震波作用時(shí)的響應(yīng)情況并輸出結(jié)果。

以動(dòng)力時(shí)程模塊應(yīng)用為例，首先，用戶在軟件中采取人機(jī)交互方式來(lái)確定建筑結(jié)構(gòu)，持續(xù)將圖形信息轉(zhuǎn)換至可識(shí)別數(shù)據(jù)信息，并依次開(kāi)展樓板次梁計(jì)算以及結(jié)構(gòu)計(jì)算操作，完成力學(xué)分析處理任務(wù)，確保軟件內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)信息與實(shí)際力學(xué)性能高度相似。其次，結(jié)合項(xiàng)目所處區(qū)域地理?xiàng)l件與地震烈度，在軟件中基于力學(xué)特性發(fā)出受迫震動(dòng)，分析受地震波影響下的建筑結(jié)構(gòu)位移受力情況，對(duì)位移量、反應(yīng)力以彎矩等參數(shù)進(jìn)行記錄。最后，基于分析結(jié)果，判斷建筑結(jié)構(gòu)是否符合抗震規(guī)范，評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，選擇性對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

3 CAD技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用建議

3.1 推動(dòng)技術(shù)可視化發(fā)展

在CAD技術(shù)早期發(fā)展階段，受到軟件與硬件限制，CAD技術(shù)不具備可視化使用功能，存在應(yīng)用局限性，設(shè)計(jì)人員難以深入了解建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。因此，企業(yè)需要重點(diǎn)研發(fā)與完善CAD技術(shù)的可視化功能，依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與軟件工具，將計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為可視化圖形圖像信息，直接在屏幕上進(jìn)行交互處理，在可視化狀態(tài)下開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，如三維動(dòng)態(tài)顯示震源與模擬破壞規(guī)律。

3.2 加強(qiáng)設(shè)計(jì)全過(guò)程一體化建設(shè)

由于不同CAD軟件相互間的兼容性較差，且單一軟件的使用功能匱乏，存在應(yīng)用局限性。因此，在使用CAD技術(shù)的前提下，會(huì)將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作分割成若干環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)間的關(guān)聯(lián)系數(shù)較低。這一問(wèn)題的存在，限制了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平及效率的進(jìn)一步提升。針對(duì)此，應(yīng)推動(dòng)CAD技術(shù)體系的創(chuàng)新優(yōu)化，提高各項(xiàng)CAD軟件的兼容性，持續(xù)完善軟件使用功能，以加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程一體化建設(shè)。例如，西方發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)末起開(kāi)展相關(guān)研究，制定了建筑工程模式與圖形數(shù)據(jù)交換統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并致力于研發(fā)統(tǒng)一CAD平臺(tái)，將CAD技術(shù)貫穿應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)全設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.3 掌握軟件應(yīng)用技巧

各類CAD軟件的操作流程較為復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)人員對(duì)專業(yè)素養(yǎng)有著較高要求，如果沒(méi)有熟練掌握軟件操作技巧，容易出現(xiàn)繪圖結(jié)果錯(cuò)誤與參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤等問(wèn)題，進(jìn)而影響到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量與方案可行性。因此，設(shè)計(jì)人員必須熟練掌握各類常用CAD軟件的操作技巧。以PKPM系列軟件為例，在使用PMCAD軟件構(gòu)建交互式建筑結(jié)構(gòu)模型時(shí)，需要將結(jié)構(gòu)布置形式與構(gòu)建荷載存在差異的結(jié)構(gòu)層分別在多個(gè)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層中進(jìn)行描述，禁止使用圖案編輯菜單對(duì)單獨(dú)標(biāo)準(zhǔn)層或任意部分進(jìn)行拖動(dòng)平移處理，避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位現(xiàn)象。同時(shí)，嚴(yán)格遵循從上到下順序組裝標(biāo)準(zhǔn)層，禁止篡改或調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)層組裝順序，并將所輸入荷載值視為荷載標(biāo)準(zhǔn)值，而非荷載設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代建筑工程中，企業(yè)與設(shè)計(jì)人員需要正確認(rèn)識(shí)到CAD技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，將技術(shù)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終，確保技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。同時(shí)，為滿足全新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，需要推動(dòng)CAD技術(shù)體系優(yōu)化創(chuàng)新，持續(xù)完善技術(shù)功能，以促進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)的信息化、現(xiàn)代化發(fā)展。