CAD技術在建筑結構設計中的應用
摘 要：CAD技術作為建筑結構設計體系中的一項重要技術，可以輔助人工快速完成圖紙繪制、圖形編輯與數據加工工作，對建筑結構設計體系的變革有著重要意義。因此，為充分發(fā)揮技術優(yōu)勢，提高技術應用推廣力度，本文重點分析了CAD技術在建筑結構設計領域的應用，以供參考。
關鍵詞：CAD技術;建筑工程;結構設計
1 CAD技術應用概述
1.1 建筑CAD發(fā)展歷程 CAD技術也被稱作為計算機輔助設計，是依托計算機系統(tǒng)與相應軟件產品輔助人工完成設計工作的一項技術手段，最早起源于 20 世紀 70 年代，通過編寫計算機程序快速獲得計算結果，在工程概預算與管理領域中得到廣泛應用。隨著時間推移， CAD 技術體系日益成熟，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技術早期發(fā)展階段，受到基礎軟件與硬件限制，技術使用功能較為單一，并不具備圖形交互等功能，主要被用于開展方案評估、施工圖繪制等工作，多數設計工作仍采取手工方式完成。在近年來，隨著第二代CAD系統(tǒng)的問世推廣，CAD技術使用功能呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，可以依托計算機系統(tǒng)完成絕大多數建筑結構設計工作。
1.2 主要設計軟件 1.2.1 PKPM系列該系列 CAD 軟件為我國建科院研制，采取 AUTOCAD 繪圖支持軟件與FORTRAN編程語言，主要包括建筑結構平面設計軟件、彈性地基梁筏板基礎結構設計軟件、高層建筑結構三維計算軟件、鋼結構輔助軟件等。根據實際應用情況來看，該系列CAD 軟件具備獨立操作條件，以及優(yōu)異的人機交互性能與前后處理能力，適用于建筑結構設計工作的各個環(huán)節(jié)。但是，所繪制梁柱斷面等圖紙標注信息較為煩瑣，人工調整難度高，且計算結果相對較為保守。 1.2.2 TBACCA系列該系列 CAD 軟件由我國背景建筑工程設計軟件研究院研制，由鋼桁架輔助設計軟件、高層建筑輔助設計系統(tǒng)、輔助地基設計系統(tǒng)、結構空間分析系統(tǒng)等成，實際應用范圍涵蓋建筑結構設計、電氣、暖通等專業(yè)，具有操作簡單的優(yōu)勢，適用范圍較廣。但是，在實際應用期間，TBACCA系列軟件不具備多塔建筑結構的條件，且無法客觀分析樓板對梁抗扭剛度所造成影響，計算結果準確性有待提升。
1.3 CAD技術優(yōu)勢在建筑結構設計領域中，CAD 技術的主要優(yōu)勢包括以下幾點。 1.3.1 工作量少在傳統(tǒng)設計模式中，需要以手工方式完成圖紙繪制等工作，需要企業(yè)投入大量勞動力，長期開展基礎性與重復性工作。同時，受到人為因素影響，偶爾出現(xiàn)圖紙畫錯等問題，實際工作量較大。而對CAD技術的應用，可以依托計算機系統(tǒng)與專業(yè)繪圖軟件，在短時間內完成圖紙繪制等設計工作，有效縮減了實際工作量。 1.3.2 設計成果重復利用可以對使用CAD軟件所完成設計成果進行重復利用，如從繪圖軟件中導出CAD圖紙，直接將建筑施工圖轉變?yōu)樵O備底圖等，以此簡化建筑結構設計步驟。 1.3.3 資料管理設計人員可選擇將設計圖紙等工程資料信息以虛擬數字形式存儲在CAD軟件中，軟件具有實時查閱、遠程控制、異地下載等功能，切實滿足現(xiàn)代建筑工程的設計需求。
1.4 CAD技術缺點 CAD技術在建筑結構設計領域應用廣泛，但在實際應用期間，仍舊暴露出諸多技術缺陷，具體如下：第一，束縛設計思想。與傳統(tǒng)設計模式相比，在應用CAD技術時，必須明確標注建筑物比例與構件尺寸等參數，禁止在設計期間存在模糊性與隨機性數據。這雖然有效提高了設計精度，但在一定層面上，限制了設計師的創(chuàng)作思路，不利于提高建筑外觀美觀度與藝術鑒賞價值。第二，技術水平要求高。CAD技術體系較為復雜，由多種計算機輔助軟件加以組成，且技術體系發(fā)展速度較快，陸續(xù)推出新型軟件產品與技術理念，對設計人員的專業(yè)素養(yǎng)及學習能力提出較高要求。
2 CAD技術在建筑結構設計中的應用實例
2.1 CAD技術在寒地木建筑結構設計中的應用該項目為風屏障木結構建筑，分布于長春市吉林建筑大學， CAD技術主要被用于建筑能耗模擬計算、構建CAD模型、建筑節(jié)能優(yōu)化方面中，具體應用情況如下。 2.1.1 建筑能耗模擬計算設計人員使用designbuilder能耗模擬軟件，在軟件中構建數字能耗模型，向模型中導入室外設計參數與室內設計參數，如年平均氣溫值、地區(qū)類型、圍護結構傳熱系數等。另外，構建簡化能耗模型，在模型中導入不可控變量以及可控變量。同時，在軟件中對該建筑結構屬性與特性進行物理描述。用戶通過操作 CAD軟件，在確定結構特性與輸入變量后，即可確定高輸出變量與獲取建筑能耗模擬計算結果。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建模在該項目中，結合實際情況，設計人員最終選擇使用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，考慮到所構建建筑能耗模型存在文件無法兼容問題，選擇使用DesignBuilder 軟件重新構建建筑能耗模型，并在軟件中獨立設置能耗模擬參數，所構建CAD模型如圖1所示。2.1.3 建筑節(jié)能優(yōu)化設計在建筑節(jié)能優(yōu)化環(huán)節(jié)，CAD技術的應用步驟為：設計調研— 建筑結構方案設計-暖通給排水設計—節(jié)能設計、深化設計—確定最終建筑結構方案。同時，建筑節(jié)能優(yōu)化設計具有雙向性特征，在設計期間出現(xiàn)各類問題，或是未達到預期設計目標時，都將回到方案設計階段，重復開展節(jié)能優(yōu)化設計工作。此外，根據實際應用情況來看，CAD技術暴露出多項問題，如各環(huán)節(jié)所使用 CAD軟件處于孤立狀態(tài)，實際設計效率存在優(yōu)化空間，缺乏開展協(xié)同設計工作的基礎條件。例如，使用Auto CAD與3D max軟件開展建筑前期平立剖與3D效果圖繪制作業(yè)，使用Designbuilder 軟件開展建筑結構能耗模擬計算作業(yè)。
2.2 CAD技術在動力時程分析中的應用在建筑結構設計階段，動力時程分析工作的意義是能夠客觀掌握建筑結構實際抗震性能，分析建筑結構動力特性與受地震影響時建筑物破損程度二者關系，為建筑結構抗震設計工作的開展提供信息支持。而從技術應用層面來看，在建筑結構設計階段，對CAD技術的應用，憑借技術可視化等使用功能，幫助設計人員更為直觀地理解試驗計算結果，客觀層面上提高了建筑結構選型與受力分析等環(huán)節(jié)的設計水平。以廣廈項目為例，該項目 CAD 系統(tǒng)結構由多個模塊組成。其中，圖形錄入模塊負責定義各樓層設計信息與轉換圖形信息，可視化模塊負責將信息圖形進行可視化顯示，平面應力模塊負責對構件內力與變形開展有限元分析，施工圖模塊負責繪制及修改CAD施工圖，力學計算模塊負責完成磚混與樓板計算等任務，動力時程模塊負責分析建筑結構受到地震波作用時的響應情況并輸出結果。
3 CAD技術在建筑結構設計中的應用建議
3.1 推動技術可視化發(fā)展在CAD技術早期發(fā)展階段，受到軟件與硬件限制，CAD技術不具備可視化使用功能，存在應用局限性，設計人員難以深入了解建筑結構設計情況。因此，企業(yè)需要重點研發(fā)與完善CAD技術的可視化功能，依托計算機系統(tǒng)與軟件工具，將計算結果與數據信息轉換為可視化圖形圖像信息，直接在屏幕上進行交互處理，在可視化狀態(tài)下開展結構設計工作，如三維動態(tài)顯示震源與模擬破壞規(guī)律。
3.2 加強設計全過程一體化建設由于不同CAD軟件相互間的兼容性較差，且單一軟件的使用功能匱乏，存在應用局限性。因此，在使用 CAD 技術的前提下，會將建筑結構設計工作分割成若干環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)間的關聯(lián)系數較低。這一問題的存在，限制了建筑結構設計水平及效率的進一步提升。針對此，應推動CAD技術體系的創(chuàng)新優(yōu)化，提高各項CAD軟件的兼容性，持續(xù)完善軟件使用功能，以加強建筑結構設計的全過程一體化建設。例如，西方發(fā)達國家自20世紀末起開展相關研究，制定了建筑工程模式與圖形數據交換統(tǒng)一標準，并致力于研發(fā)統(tǒng)一CAD平臺，將CAD技術貫穿應用于建筑結構全設計過程。
3.3 掌握軟件應用技巧各類CAD軟件的操作流程較為復雜，對設計人員對專業(yè)素養(yǎng)有著較高要求，如果沒有熟練掌握軟件操作技巧，容易出現(xiàn)繪圖結果錯誤與參數計算錯誤等問題，進而影響到建筑結構設計質量與方案可行性。因此，設計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 軟件構建交互式建筑結構模型時，需要將結構布置形式與構建荷載存在差異的結構層分別在多個結構標準層中進行描述，禁止使用圖案編輯菜單對單獨標準層或任意部分進行拖動平移處理，避免出現(xiàn)節(jié)點錯位現(xiàn)象。同時，嚴格遵循從上到下順序組裝標準層，禁止篡改或調整標準層組裝順序，并將所輸入荷載值視為荷載標準值，而非荷載設計值。
4 結語
綜上所述，在現(xiàn)代建筑工程中，企業(yè)與設計人員需要正確認識到CAD技術的應用價值，將技術應用于建筑結構設計始終，確保技術優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。同時，為滿足全新的建筑結構設計需求，需要推動CAD技術體系優(yōu)化創(chuàng)新，持續(xù)完善技術功能，以促進我國建筑業(yè)的信息化、現(xiàn)代化發(fā)展。
參考文獻：
[1] 任震宇.CAD技術在高層建筑結構設計中的應用[J].自動化與儀器儀表,2017(10).
[2] 沈捷攀,林晨 .CAD 技術在建筑結構設計中的應用[J]. 山西建筑,2010(7).
[3] 王秀夫,李彥濤.采用CAD技術進行建筑工程設計的優(yōu)缺點[J].黑龍江科技信息,2009(29).
[4] 邢海霞 . 淺談 CAD 軟件應用與建筑結構設計[J]. 山西建筑,2008(7) .
《CAD技術在建筑結構設計中的應用》來源：《綠色環(huán)保建材》，作者：劉立勛
