探讨CAD技术在钢结构设计中的应用

摘要：计算机辅助设计(CAD)技术是跨计算机科学与工程科学的边缘学科。现如今的CAD技术能够应用在工程科学以及计算机科学中，尤其在钢结构领域中普遍应用。CAD系统提供了设计者设计工作所需的各种资源，包括建立设计对象的模型、实体设计与图形设计及图形显示、工程计算及优化、功能建模及运动建模、产品设计所需的标准规范及材料的基本性能、工艺参数等工程数据。本文即详细阐述了CAD技术在钢结构设计中的应用。

关键词：CAD技术；钢结构；计算机辅助；结构分析；信息交换

中图分类号：TU2 文献标识码：A

CAD技术概述

计算机辅助设计(CAD)技术是跨计算机科学与工程科学的边缘学科。计算机辅助设计系统提供了设计者设计工作所需的各种资源，包括建立设计对象的模型、实体设计与图形设计及图形显示、工程计算及优化、功能建模及运动建模、产品设计所需的标准规范及材料的基本性能、工艺参数等工程数据，包括产品数据的表达(如几何形状及尺寸、几何与拓扑表达、结构配置、材料及性质、功能描述、制造要求等)，包括数据交换标准、方法及工具，与系统交互作业的用户接口。

计算机辅助设计是为设计者提供，设计者利用计算机辅助设计系统的资源，对产品设计进行规划、分析、综合、模拟、评价、修改、决策并形成工程文档的创造性活动。设计者的创新能力、想象力、经验与直觉和计算机的高速运算能力，图形显示与处理能力有机结合，综合运用多学科的相关技术完成问题求解，产品设计及产品描述，极大地提高设计工作效率，为无图纸生产提供了前提和基础。

CAD技术于二十世纪五十年代后期起步，随着计算机技术和计算机图形学技术的应用，计算机工程绘图成为可能。CAD技术广泛应用于建筑、机械、化工、航天、电子等工程设计和产品设计领域，CAD技术的应用对现代科学技术的发展极具贡献。

CAD技术应用在钢结构中的主要功能

（一）计算机辅助分析

有限元技术的应用推动了计算机辅助技术在结构设计中的应用。有限元分析方法是把复杂的求解区域（连续体）分解为有限个形状简单的子区域（单元），通过这种把连续体离散化的方法，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限个单元节点上的场变量值。从而把求解连续体问题的微分方程组化为代数方程组。求解的精度取决于所采用的单元类型、数量以及单元的插值函数。

现在这种方法已经广泛应用于工程技术领域。一些大型结构分析通用软件，如ADINA、ABAQUS、SAp、ANSYS、MARC等，都可以进行结构的静力分析、动力分析、弹塑分析以及断裂和复合材料力学分析；求解结构的应力、位移和温度分布以及频率特性。这些通用软件经过多年的研究与改进，稳定性和结果的可靠性不断提高，成为结构分析研究的主要工具。但是通用软件也有其局限性，由于通用软件不能够充分考虑结构设计的特殊问题，结构分析的前处理建模和结果输出后处理非常繁琐。

随着结构有限元和计算机算法技术的应用，产生许多专用软件，利用这些软件可以实现结构分析的计算机化，特别是功能强大的结构分析软件，不仅可以完成结构分析设计，而且可以根据设计人员的要求绘制完整的工程设计图纸和节点大样图纸。

（二）计算机的辅助设计

结构设计软件可以把不同性质的材料特点以及设计规范完善考虑，按照工程设计的具体要求，CAD系统得以形成。国内的一些钢筋混凝土的CAD系统，在开发问题上较为灵活，一方面能够开展基本构件的设计，以及结构的计算分析流程，另一方面还能够按照不同的要求对施工的图纸自动生成。一些钢结构的分析能够应用在CAD系统中，可是和钢结构的具体需求上，还是会存在着一定的差异性，不能够细致的考虑到整体的结构设计。钢结构在设计方面，当前所使用的方式要将专用软件或者通用软件所完成的构件设计、结构的分析设计放在首位。

此外，还要使用AutoCAD等绘图系统对图纸进行全面的绘制。例如：梁支撑节点、柱间支撑、吊车梁的牛腿节点、柱脚的节点、柱与梁的拼装节点等都是手工对其完成的。

（三）计算机辅助设计与制造集成化

在发达国家，钢结构CAD系统的研究已经处于计算机辅助设计与制造集成化时期，利用三维模型技术，生成复杂的结构实体，并且能够自动完成结构构件和标准节点的设计，产生用于工厂车间加工的图纸，可以与数控机床实现数据交换，设计结果文件可以直接用于加工。用户通过图形交互界面，利用三维建模技术，生产复杂结构实体，并能够自动完成结构构件和标准节点设计，设计人员可以根据自己的要求修改节点。基于三维技术，设计人员可以在屏幕上见到实体结构模型，及时分析问题并进行修改。

三、CAD技术在我国钢结构设计中的应用

我国钢结构CAD技术经过几十年的应用已经取得很大成就，其应用主要经历了以下阶段：

（一）结构分析计算

二十世纪八十年代左右，建筑工程领域应用计算机进行数值计算、分析和设计结构。进行结构分析和设计的软件的输人和输出均采用数据文件形式，对二项工程的结构分析设计需要计算多次，每次都要对数据文件进行修改，应用很不方便，容易出错。

（二）前后处理结构计算

为了克服数据文件经常修改的弊端，开发研究了具有前后处理的结构分析计算软件。采用人机交互的方式输人数据，直观、简便、准确并大大提高了工作效率，但是这种软件处理的结构比较规则，对于复杂的结构形式使用有局限。

（三）结构CAD及其系列化

结构CAD在设计行业使用较为普遍，使用效果也很理想。开发结构CAD系列的工作量很大，不仅涉及到图形显示，而且还涉及到计算理论和各种规范的要求，并且以较高自动化程度完成施工图纸的绘制。目前，我国使用较广的CAD系列软件有PKPM系列、TBSA系列等，这些软件的推广应用提高了建筑结构的设计水平，对建筑业的发展起到了巨大的推动作用。

（四）面向对象的钢结构CAD系统

分析当前的建筑结构微机CAD系统不难看出，传统的CAD系统一般是基于DOS操作系统或AUTOCAD图形支撑平台用结构，化方法开发的。通常将整个系统按功能分成不同模块，通过模块间数据交换实现操作过程。当系统需要更新或扩充时，由于各模块间的密切联系，局部修改会影响整个系统，结构化方法实现的CAD系统维护工作量很大。此外，DOS本身的内存管理能力弱，开发大型系统时要采用覆盖连接、分步运行等技术，运行速度慢，界面不够友好。WINDOWS的出现和O一O技术的成熟，为CAD系统的研究开创了新的前景。

1、面向用户的应用程序

这是整个系统的控制中心，直接与用户交换信息。借助于VC++的MFC类库可很容易建立优秀的用户界面。用户通过菜单、图标、对话框等标准界面形式向应用程序输入信息，提出建模、分析、设计及绘图要求，应用程序将输入信息存入中心数据库，并根据要求向有关对象发送消息，请求操作，然后将结果送回中心数据库以备其它操作调用。

2、存储信息的中心数据库

这是整个系统的信息中心，所有与结构设计有关的数据和图形信息都存储在这里。可采用面向对象数据库(ODBMS)，关系型数据库(RDBMS)或自定义数据库模型对数据和图形进行管理。无论是。DBMS还是RDBMS在管理复杂的数据结构时都比自定义数据库模型有明显的优势，利用Microsoft的开放数据库连通性(ODBC)标准和SQL语言应用程序可直接访问常用的数据库文件。

3、实现信息交换的管理程序

在面向用户的应用程序中，结构分析部分已经相当完善，可在CAD系统上外挂已有程序进行结构分析，并将结果存入数据库。现有分析程序的文件格式可能与中心数据库的文件格式不同，必须利用管理程序做相应的转换才能实现已有程序与中心数据库的信息交换。但是用VC++类库建立的设计和绘图应用程序可直接访问中心数据库。

4、面向设计对象的专业类库

这是面向对象CAD系统的核心。将钢结构设计过程和设计方法抽象成各种对象，如材料、截面、构件等，并建立相应的类。

一般来说，结构构件设计是主要设计环节之一，可通过建立抽象的构件设计基类来实现。抽取各种构件设计的共同特性，如内力、钢号、几何长度等，作为基类数据；抽取强度验算、刚度验算、稳定验算等操作建立虚函数，在导出类中重新定义，具体实现。

根据我国钢结构设计规范的要求，在构件设计的抽象基类上建立轴心受力构件、受弯构件、拉弯压弯构件三个继承类，再根据截面形式、加工方法的不同导出相应的子类，以完成各种构件的设计。

结语

综上，在研究CAD技术的过程中，一定要将计算机硬件透彻了解，才可以把钢结构的设计需求有效掌握。施工图中的自动生成能力是CAD 技术的基本性能，要把专业类库有效建立，钢结构能够组成的基本对象为型钢、焊缝、螺栓以及钢板，CAD 能够让具有实际意义的结构对象得出，让手工的设计和系统设计保持统一。

参考文献

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