郑州大学现代远程教育《土木工程CAD》课程论文

浅谈CAD技术在我国土木工程领域的

应用与发展

学 号：13122281023 姓 名：刘诚浩 完成时间：2014年10月19日

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浅谈CAD技术在我国土木工程领域的应用与发展

摘 要： 本文主要介绍CAD技的概念，介绍CAD技术的几个发展阶段和发展趋势，以及CAD技术在工程设计中的应用和实施情况 关键词 CAD技术；发展阶段；应用；发展趋势

CAD（ComputerAidedDesign）是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员完成工程或产品的设计和分析的一种技术。自1950年诞生以来，已广泛应用于航空航天业、船舶制造业、模具制造业、电子电器业、建筑设计业等相关领域。随着产品设计要求的不断提升，CAD技术也相应的不断发展。现今的计算机技术已经将计算机辅助制造技术（ComputerAidedManufac-turing，简称CAM）、计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，简称CAE）、产品数据管理技术（ProductDataManagement，简称PDM）、计算机辅助工艺计划(ComputerAidedProcessPlanning，简称CAPP)、计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，简称CIMS）等技术实现集成化，将它们融为一体，从而提高设计效率。 一、CAD技术的发展阶段： 第一阶段：线框造型技术阶段

20世纪50年代出现的CAD模型是极为简单的线框式模型，它表示的是物体的棱边。它由物体上的点、直线、曲线等几何要素组成，在计算机内部以点表和边表来表达。 由于线框模型的构成元素是点、线、圆弧、B样条曲线等，其数据结构简单，运算速度快，有很好的交互作图功能。但它也有局限性，如不能进行体积、面积、重量等几何特性的计算。 第二阶段：曲面造型技术阶段

进入70年代，正是飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间遇到了大量的自由曲面问题，由此曲面造型技术得以发展。曲面模型是以物体的各表面为单位来表示物体的形体特征，它在线框模型的基础上增加了有关面、边的结构信息(拓扑信息)，给出了顶点、边、面之间的二层拓扑信息。而限于当时的技术，那时的曲面造型只能采用多截面试图和特征纬线来近似表达所设计的自由曲面，同时制造商

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也只能依赖于油泥模型来近似模拟曲面。

由于曲面造型比线框造型增加了有关面边信息、表面特征等内容，该格式的模型可以用许多小面片拼合而成。这些面片可以是平面、规则曲面(解析曲面)和参数曲面。采用表面模型可以对产品作消隐、着色、剖面、表面积计算、曲面求交等操作，这使得在CAD阶段建立的模型数据在CAM阶段可用；但曲面模型只能表达形体的表面信息，无法包含零件的物理信息，如质量、材料等，故对零件CAE的分析支持有限。

第三阶段：实体造型技术阶段随着产品设计的持续发展，计算机辅助工程分析——CAE的需求日益高涨。CAE要求能获得形体的完整信息；在此背景下，发展了实体造型技术。 实体造型采用有向棱边右手法则确定所在面外法线的方向，以此来描述表面的哪一侧存在实体，这样就能分清实体内部、实体外部，形成实体模型。它的计算比线框模型和表面模型复杂得多，而且它记录的不单单是物体全部的几何信息，还记录了全部点、线、面、体的拓扑结构信息，是一种可以全面反映物体的结构、尺寸和性质的几何模型，从而有效的支持了CAE的分析需求。实体造型常用的表示形式有：构造 实体几何表示、边界表示和扫描表示；关键运算有实体的求交运算、集合运算等。 虽然实体造型具有可定义模型简单物理属性以及曲面拓扑信息等优点，但是其也存在一系列的不足之处：如公差与精度、工艺中心孔、装配关系等非几何信息均不能表达。 第四阶段：特征建模技术阶段

80年代后期，CIMS技术得到了迅速发展，这就要求CAD模型零件除了包含自身的几何信息外，还必须为其他系统，如PDM、CAM等系统提供反映设计人员所要求的非几何信息，如公差与精度、材料等信息，在这种需求的推动下，出现了特征建模技术。 特征建模技术不仅使零件模型可以反映产品零件本身的特点，也使得产品零件可按照设计者的意图进行分类，分类的依据为产品描述信息。 特征建模技术被誉为CAD/CAE/CAM发展的新里程碑：它的出现和发展为解决CAD/CAE/CAM集成提供了理论基础和方法。特征是一种综合概念，它作为产品开发过程中各种信息的载体，除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息，如材料、尺寸、形位公差、热处理、表面粗糙度等信息。因此特征模型包含丰富的工程语义，它是在更高层次上对几何形体上的型腔、孔、

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槽等的集成描述。

第五阶段：参数化技术阶段

参数化造型技术的核心内容是参数设计。所谓参数设计是指用一组参数来定义几何图形的尺寸数值，并构造尺寸关系，然后提供给设计者进行几何造型使用的一种方法。参数与设计对象的控制尺寸有一种对应关系，设计结果的修改靠尺寸驱动来完成。这种方法常用来设计一些产品的系列化标准件库。 用户在建立这样的标准件库时，在数据层面大多采用参数化建模与驱动技术来实现，这样不仅可以提高数据的一致性和可靠性，也为模型数据的后续管理、优化和升级提供便利。CAD服务终端在使用这些数据进行检索的数据量也会相应的减少，一般只需要用标准号、材料名称等基本信息便可快速查询数据模型。使用参数化建模技术建立起的标准件库中的文件数量相比较于应用一般建模技术，其仅在文件数量上即可大大节约建库成本和空间占有量。因而采用参数化设计将大大降低成本，满足企业参与激烈竞争的要求。

目前参数化设计中，最常用的方法是：从已有的CAD图形文件中查找约束关系，将固定尺寸的图形转换成参数化图形。对于许多系列化、标准化的通用件或定型产品(如阀门、夹具、液压缸等)设计中采用的数学模型及产品的基本结构都是相对固定的。所不同的是尺寸大小有差异，而这种差异是产品设计中取值不同所造成的。参数化设计的主要思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而设计出一批在形状或功能上具有相似性的数据模型。参数化实体造型的关键是几何约束关系的提取、表达、求解及参数化模型的构造。 二、CAD技术在土木工程领域的应用 2.1 CAD技术在工程设计中的应用

CAD技术在工程设计中有着很广泛的应用，对于建筑设计这一领域，有着包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计、平面布景、建筑构造设计、小区规划、日照分析、室内装潢等各类应用软件。对于结构设计，计算机辅助设计软件可以做到包括有限元分析、结构平面设计、结构计算和分析、高层结构分析、地基及基础设计、钢结构设计与加工等方面。此外计算机辅助设计软件还能应用于包括水、电、暖以及及管道等各种设备设计。在城市规划、城市交通设计，市政管线

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设计，交通工程设计，水利工程设计以及其他工程设计和管理等方面，计算机辅助设计软件也有着很广泛的应用。

随着CAD技术的不断发展,其覆盖的工作领域也不断地扩大,如工程设计CAD项目的管理、初步设计、分析计算、绘制工程、统计优化等。CAD技术的应用正在有力而迅速地改变着传统的工程设计方法和设计生产的管理模式。

我国主要使用的CAD软件是美国AUTODESK公司开发的AUTODESK软件,它是一个功能强大、易学易用、具有开放型结构的软件口不仅便于用户使用,而且系统本身可不断地扩充和完善,它被广泛地应用于微机及工作站上。因此,国内外软件开发商在此基础上进行有关工程设计专业的二次开发,如建筑行业:华远的HOUSE软件、建研院的ABD集成化软件和BICAD软件、理正的CAD软件、方圆公司的方圆三维室内设计系统等。

CAD软件必须有能接受和使其运行的物体,即硬件来支持它才能有实际意义,这样就存在了CAD系统。CAD系统是由硬件、软件组成。硬件包括处理运算设备、图形显示设备、外部存储设备、数据图形输入输出设备以及有关的信息传输等硬件平台设备、软件包括系统软件、支撑(图形、汉字等)软件和专业应用软件。 2.2 工程CAD技术的实施情况

我国是在1990年才开始引用CAD技术进行工程设计的,为更好的推广计算机应用及CAD技术,使之能较好地协助各生产科室完成生产,真正做到\洋为中用\在此平台上既可进行文字汉化及软件开发、引进、消化、提高、软硬件的维护管理??。也可根据本单位的具体情况采用\以引入为主,自己开发为辅\的原则。以中国建筑研究院为例,他们先后购置了美国inter graph公司的工作站、微机、绘图仪、打印机等硬件设备,又从台湾引进了建筑工程集成化软件CAD系统,同时制定了《机房管理制度》、《计罚权衡作人员守则》、《计算机管理人员守则》等相应的管理制度以保证计算机设备的正常运转。为了使设计人员尽快掌握CAD技术,他们对各专业工程设计人员进行了计算机基础和CAD应用技术的培训。CAD技术经过1年试行,2年～3年的推广应用,很快达到CAD技术应用的第一阶段,即实现建筑建模、分析计算、方案优化、施工图绘制。现第二阶段也已初见成效。

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