计算机在土木工程中的应用

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1、土 木 工 程 概 论,第十二章 计算机在土木工程中的应用,土 木 工 程 概 论,12.1 计算机辅助设计 12.2 土木工程的计算机仿真 12.3 土木工程专家系统,12.1 计算机辅助设计,12.1.1 计算机辅助设计的概述，以及其起源和发展,计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）是一种利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法和技术，是一门多学科综合应用的新科学。到目前为止计算机应用已经渗透到了机械、电子、建筑等领域当中，利用计算机，人们可以进行产品的计算机辅助制造(Computer Aided Make，简称CAM)、计算机辅助工程分析

2、(Computer Aided Engineering，简称CAE)、计算机辅助工艺规划(Computer Aided Processing Planning，简称CAPP)、产品数据管理(Product Data Management，简称PDM)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning,简称ERP)等等。CAD系统准确地讲是指计算机辅助设计系统,其内容涵盖产品设计的各个方面。把计算机辅助设计和计算机辅助制造集成在一起,称为CAD/CAM系统。习惯上工程界把CAD/CAM系统甚至CAD/CAM/CAE系统仍然叫做CAD系统,这样CAD系统的内涵就在无形中被扩大

3、了,CAD的起源应追溯到二十世纪50年代中期，由麻省理工大学林肯实验室为美国空军研发的SAGE（Semi Automatic Ground Environment）防空系统，该系统使用CTR显示器展现经过计算机处理的雷达以及其他信息,其后 ，CAD/CAM之父的Patrick J.Hanratty在1957年开发了PRONTO，世界上第一个数控编程系统,紧接着在1959年Ivan Sutherland在麻省理工大学林肯实验室使用TX-2计算机开发了SKETCHPAD系统，这套能够通过使用光笔在屏幕上与计算机系统进行人机交互作业的系统被人们认为是CAD工业迈出的第一步,进入二十世纪70年代之后，

4、计算机硬件性能和计算机图形学都有了很大的发展，建筑设计人员开始与软件设计人员密切配合，促使专业化的计算机辅助建筑设计（CAAD）软件诞生,二十世纪80年代到90年代，计算机性能的提高以及个人电脑的出现使CAD系统发展的格局有了不小的变化，从当初针对大型机转向对PC的开发,二十世纪末二十一世纪初，国际CAD产业进入了一个联合、收购、兼并频繁的时期，迄今制造业的CAD产品已经被兼并成四大谱系：IBM/Dassault、EDS/Unigraphics、PTC和Autodesk,Patrick J.Hanratty 因对计算机辅助设计与制造领域作出突破性贡献而被公认为CAD/CAM之父,Ivan Su

5、therland 1959年在麻省理工大学林肯实验室使用TX-2计算机开发了SKETCHPAD系统，这套能够通过使用光笔在屏幕上与计算机系统进行人机交互作业的系统被人们认为是CAD工业迈出的第一步,在TX-2计算机上运行的Sketchpad系统,CATIA V5,12.1.2 CAD在我国建筑工程领域的应用,使用AutoCAD R14作为平台的理正建筑设计软件图,从三维实体到二维投影的思维方式,早期的AutoCAD针对的主要是二维图形的绘制，但是从其R12版本开始从平面到立体的思维方式转变成了从立体到平面。从前设计者们往往绘制的就是建筑物的三向投影图，但今天设计者们可以首先将脑海中建筑物的形体

6、直接在AutoCAD的绘图空间中表达出来，然后再针对不同的平面获取这个形体的投影图或是轴测图,对象捕捉、跟踪，以及橡皮筋与拖拽,使用AutoCAD进行设计前首先要掌握的是其对象捕捉、对象跟踪、图层、控制点、坐标系这些重要的概念，对象实际上是指在绘图空间中的一切图素，如一个圆、一条多义线甚至是一个实体，而对象捕捉则是指光标在靠近对象的时候，由AutoCAD自动的将焦点聚于对象上符合捕捉模式的控制点之上,四个同样的矩形被放置在不同的图层当中,图层可以说是并行的绘图空间，在这一点上有些像“四维时空”分属于不同时间的空间重叠起来，却又互不关联，同样的在不同图层中的对象也不会相互干扰，这样就为管理繁杂的

7、图块提供了便利。一般来说如果没有特别指定的话，对象的颜色、线型等属性都会由其所属的图层指定（ByLayer）,几种不同的AutoCAD二次开发手段的比较,作为一个开放的平台，AutoCAD提供了几种进行二次开发的手段：AutoLISP、VBA、以及ObjectARX,由北京天正工程软件有限公司开发的天正系列软件是国内最早开始对AutoCAD进行二次开发的CAAD软件之一，从1994年至今已经发展出天正建筑、电气、暖通、给排水、日照、结构、装修、市政等一系列建筑工程相关软件。据称其天正建筑TArch软件已经成为了国内建筑设计CAD事实上的行业标准,天正建筑Tarch对建筑物模型表面材质进行设置的

8、情形,使用3D3S设计的体育馆模型,3D3S是由同济大学开发，主要针对钢结构设计的CAAD软件。它可以对钢结构、空间张拉结构、膜材结构、幕墙结构、网架网壳结构以及塔桅结构等进行分析计算，据称目前3D3S已经成为了国内使用最广的钢结构软件,使用广厦建筑结构CAD进行结构设计,广厦系列结构设计软件是由广东省建筑设计研究员和深圳市广厦软件有限公司自1996年开始进行开发的CAAD软件，主要由钢筋混凝土结构CAD、钢结构CAD、打图管理系统几个部分组成。广厦系列比较有特色的地方在于其提出了“软件租用”的概念，在其网站中注册成为会员以后便可以通过互联网使用其软件进行结构设计，这可能是推广软件使用的一个有

9、效的手段,使用PKPM生成施工图,国内建筑结构行业常用CAAD软件,国内建筑结构行业常用CAAD软件,12.2.1 计算机仿真的概念，以及其起源和发展,12.2 土木工程的计算机仿真,计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。在我国，自从20世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，数字仿真技术在土木工程、自动控制、电气传动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用,有限元分析（Finit

10、e Element Analyse，简称FEA）作为计算机仿真的重要手段在土木工程有着极其广泛的应用，其实质在于用大量离散的单元代表一个给定的域,1941年Hrenikoff提出了所谓的网格法，它将平面弹性体看作是一批杆件和梁；1943年Courant提出了在一个子域上采用逐段连续函数来接近未知函数。Hrenikoff和Courant提出的无疑是有限元方法（Finite Element Method，简称FEM）的关键特性，但正式的有限元法的文献则应归功于Argyris、Kelsey、Turner、Clough、Martin和Topp，其中Clough于1960年第一次使用了“有限元”这个名词

11、，其后有限元的研究开始迅速发展，在结构力学、流体力学、电学、热力学，核物理等方面都有着极为重要的应用,现代有限元历史背景,正是因为有限元分析在工程领域的重要应用，很多软件公司都开发了不同的有限元分析软件。其中在国内影响较大的有ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等，如表12.4所示。这些有限元分析软件往往已经整合了CAD建模的部分，同时也会对第三方CAD模型提供支持,常用有限元分析软件,常用有限元分析软件,12.2.2 仿真软件在我国建筑工程领域中的应用,常见的通用有限元分析程序，如ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等程

12、序当中对国内影响比较大的是ANSYS,国家大剧院计算模型,结构的整体变形,使用ANSYS建模并进行力学分析,在ANSYS中导入AutoCAD模型,使用ANSYS进行结构有限元分析一般分前处理、求解和后处理三步。其中前处理当中会包含着建模、设定分析类型、设定模型材料性质参数、设定单元类型、划分单元、施加约束和荷载几步，是整个分析过程用时最多的部分。一个有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能够正常完成都取决于前处理工作完成的质量,ANSYS Workbench 设计思路,在ANSYS Workbench中导入AutoCAD 模型,作为当今大型通用程序专业化的趋向，ANSYS也推出了供开发者针对

13、特定分析需求，开发具自主知识产权软件的专用平台ANSYS Workbench。它提供了一个加载和管理各种API组件的基本框架，在这个框架中各种组件通过Jscript、Vbscript和HTML脚本组织成适合用户使用的GUI，开发者自己的技术也可以向ANSYS的技术一样编制成API融入到程序当中,ANSYS Workbench自动 进行分析，定义接触,在ANSYS Workbench 环境中查看应力云图,ANSYS功能虽然强大，但美中不足的是由于ANSYS对混凝土、地基等高度非线性问题的处理相当困难，相较之下ABAQUS在这方面有着更有为优越的表现,ABAQUS 是美国ABAQUS公司于1978

14、年推出的一套功能强大的有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了能解决大量结构（应力、位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透、应力耦合分析）及压电介质分析,12.3 土木工程专家系统,12.3.1 人工智能,不同科学或学科背景的学者对人工智

15、能有不同的理解，提出不同的观点，人们称这些观点为符号主义（Symbolism）、联结主义（Connectionism）和行为主义（Actionism）等，或者叫做逻辑学派（Logicism）、仿生学派（Bionicsism）和生理学派（Physiologism），此外还有计算机学派、心理学派和语言学派等。但一般来说人们认为人工智能是模仿和执行人脑的某些智能功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动,人工智能之父Alan Turing,著名的英国科学家Alan Turing被称为人工智能之父，Alan Turing不仅创造了一个简单的通用的非数字计算模

16、型，而且直接证明了计算机可能以某种被理解为智能的方法工作。1950年，Alan Turing发表了题为计算机能思考吗？的论文，对人工智能给出定义并且论证了人工智能的可能性,目前人工智能的主要学派主要有符号主义、联结主义以及行为主义三家。 这三种不同的学派中以联结主义最为人们所关注。它源于仿生学中对人脑模型的研究，其代表成果是1943年生理学家McCulloch和数理逻辑学家Pitts创立的脑模型，即MP模型。60到70年代，联结主义，尤其是对以感知机（Perceptron）为代表的脑模型的研究曾出现过热潮，由于当时的理论模型、生物原型和技术条件的限制，脑模型研究在70年代后期至80年代初期落入

17、低潮。直到Hopfield在1982年和1984年发表两篇重要论文，提出用硬件模拟神经网络之后联结主义又重新抬头。1986年Rumelhart等人提出多层网络中的反向传播(BP)算法。此后，联结主义势头大振，从模型到算法，从理论分析到工程实现，为神经网络计算机走向市场打下基础。,对于人工智能的技术发展也有几种不同的争论，如专用路线、通用路线、硬件路线以及软件路线等，其研究领域包括语言处理、定理证明、数据检索系统、视觉系统、问题求解、人工智能方法、程序语言设计、自动程序设计以及专家系统等。但引用R.Shank的话“一台计算机如果不能学习，它就不是智能的”，人工智能的学习才是最其重要的研究领域,1

18、2.3.2 专家系统,专家系统是指能够运用特定领域的专门知识，通过推理来模拟通常由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题，达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能程序系统。它能对决策的过程作出解释，并有学习功能，即能自动增长解决问题所需的知识,专家系统的三个特点：逻辑判断、过程透明和自我学习,专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定,由于每个专家系统所需要完成的任务和特点不同，其系统结构也不尽相同，一般只具有图中部分模块,理想专家系统的结构图,专家

19、系统的主要组成部分 知识库(Knowledge Base) ：知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等 综合数据库(Global Database) ：又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据(信息)，即被处理对象的一些当前事实 推理机(Reasoning Machine)：用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作 解释器(Explanator)：能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其他候选解的原因 接口(Interface)：又称界面，它能够使系统与用户进行对

20、话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等,专家系统的发展已经历了3个阶段，正向第四代过渡和发展。第一代专家系统（DENDRAL、MACSYMA等）以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点。但在体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解问题的能力弱。第二代专家系统（MYCIN、CASNET、PROSPECTOR、HEARSAY等）属单学科专业型、应用型系统，其体系结构较完整，移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发性、通用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综合型系统，采用多种人工

21、智能语言，综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略，并开始运用各种知识工程语言、骨架系统及专家系统开发工具和环境来研制大型综合专家系统。 第四代专家系统在总结前三代专家系统的设计方法和实现技术的基础上，已开始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、自组织解题机制、多学科协同解题与并行推理、专家系统工具与环境、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实现具有多知识库、多主体。,开发专家系统的优点 人类专家不多，不可能随时随地出现，而专家系统只要有计算机就能运行 培养人类专家需要很长时间，专家系统则不需要 专家系统还可以把专家的宝贵经验储存起来,但就目前的技术水平而言，

22、工程设计专家系统智能对专家起辅助设计作用而不能代替专家独立的进行工程设计，因此工程设计专家系统应该是一个计算机辅助系统，是一个人机协同的系统。此外工程设计是专家复杂的智能行为，其思维活动规律很难用单一的数学模型精确的描述，在工程设计专家系统中应综合运用多种技术方法进行模拟。不过根据设计领域的特点，在工程设计专家系统中采用一些简化的使用的知识表达方法和推理方法是可行的，可以在相当大的程度上满足实际工作需要,工程设计所涉及到的知识主要有：设计的启发式知识、计算过程性知识、评价性知识。 这三类知识的综合、交叉、反复运用是工程设计思维活动最基本的特点。 工程设计专家系统的核心问题之一是如何正确简便的运用这些知识进行推理，如何适当的处理知识推理中不精确和非单调性，获得优化的工程设计方案,12.3.3 专家系统在国内土木工程上的应用,国内研究专家系统的先行者是上海交通大学刘西拉教授，他分别参与了钢筋混凝土单厂破损评估专家系统RACODE-I以及基于事例推理的高层建筑结构初步设计专家系统HIPRED-2等，但这些专家系统仍然未能够在土木工程界得到应用，其原因主要在于科学界尚未能够解决人工智能自主学习的难点,