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1、展望21世纪土木工程设计中计算机技术的应用 前言 近几年来，随着计算机技术的不断进步，计算机、特别是微型计算机在我国取得了突飞猛进地发展。在微机迅速普及的同时，计算机应用水平也得到了很大程度的提高，多媒体、网络等技术遍地开花。特别是网络技术的推广应用，将改变人们传统的工作方式，给土木工程工作者带来很多的便利。 人计算机交互(Human Computer Interactive, HCI)理论和技术是当前发展计算机应用的一个关键。多媒体、可视化和虚拟现实技术代表了HCI技术的不同侧面的要求。多媒体技术是90年代计算机技术的一个重要发展方向，它改变了传统计算机只能单纯处理数字和文字信息的不足，使计
2、算机能综合处理声、文、图信息，并以其形象和方便的交互性，极大地改善了人机界面，改变了使用计算机的方式。 1从DOS走向Windows 多年以来，DOS已成为PC机事实上的操作系统，国内也有各种各样的CCDOS以及成千上万的DOS应用程序。DOS自80年代初推出以来，版本不断更新，最新的版本已到6.21版。但近年来，Windows已在世界范围内广为流行。Windows之所以取得成功，究其原因，就在于DOS环境的局限性和Windows的优越性。 Windows的优越性体现在充分地发挥硬件性能；友好的图形用户界面；弹出式下拉式菜单、图标、对话框、加速键等用户操作手段；多任务同时运行；应用程序有统一的
3、用户界面；特别是95年推出的Windows 95，方便上网，方便的信息和软硬件资源共享。 Windows是一个多媒体平台，也是一个网络环境，还是客户服务器计算平台。 由于DOS没有为应用程序的用户界面提供标准的编程接口，不同的应用程序具有不同的用户操作方式，用户每拿到一个新程序，都得从头学习起。DOS虽然为PC机的普及和发展起了巨大的作用，并为广大用户所接受，但在发展的过程中，它所固有的一些缺陷也暴露了出来，它的发展已到了尽头。 真正要发挥Windows平台的作用，还得靠广大土木工作者开发自己的Windows应用程序。Windows支持的开发环境都很成熟、很强大，如Visual C+、Borl
4、and C+、Visual Basic等都是很流行的开发环境。由于Windows应用程序风格一致，许多部件都是相同的，因此，与DOS相比，开发周期会大大缩短。以前开发的土木工程应用软件大都是基于DOS系统，有些已经推出Windows版本。 2计算机辅助设计的发展 在70年代之前，工程设计及科研使用计算机主要是完成数值计算结构分析，使用的计算机一般都是体积很大、速度较慢、容量较小且使用不方便的国产计算机，如TQ16、709机等，这种机器输入程序及数据采用纸带穿孔方式，不易被理解，检查和修改都非常不便，而且因为价格昂贵，所以只有一些大单位才有能力拥有这样的计算机。而且实用软件较少，这可以说是土木工
5、程行业计算机应用的初级阶段。 80年代初期在进口机和部分低档的微机上，采用了键盘输入，建立数据文件的办法。为了保证计算速度、精度以及小机算大题等问题，广大计算机应用人员研制了很多有效、优秀的数值方法。特别是1981年IBM推出第一台PC机以后，一些有敏锐眼光的软件开发人员就开始把大机器上的程序移植到PC机上来。但早期程序的输入输出数据量都很大，数据整理、分析仍是专业人员头痛的问题。 80年代后期，软件开发技术人员学习国外先进技术，开发了具有图形前后处理功能的结构设计程序。前处理采用数据文件或人机交互输入数据，由程序对输入数据进行处理，可以生成结构计算简图和荷载图，对用户输入数据的正确性有了充分
6、保证。后处理可以生成变形图、内力图、振型图、配筋表等，便于使用者理解分析结果以改进结构。这样的软件大大提高了工作效率，也为计算机知识不足的专业人员上机创造了条件。这一阶段软件人员对计算机图形技术的摸索与实践蕴育了计算机辅助设计(CAD)软件的产生。 计算机辅助设计首先取得成功的是结构CAD软件，其后是建筑及设备专业的CAD软件。开发结构CAD软件的工作量较大，它除了系统所需的图形、汉字等软件技术外，更重要的是涉及众多计算理论，规范要求及各种不同的设计成图的习惯作法等。从上部结构到基础，从计算数据准备、结构分析、配筋设计到出施工图，既要求方便的人工干预又要尽可能提高自动化水平。我国自己开发的结构
7、设计软件有PK结构设计绘图软件、PESCAD平面体系结构CAD软件等。 建筑CAD的应用过程复杂，处理信息量大，表达形式多种多样，因此要求计算机容量大，计算速度快和显示分辨率高，即对硬件要求很高。随着微机性能的不断提高，特别是引进国外高性能的图形支撑软件，使国内出现众多AutoCAD平台上的建筑及设备专业CAD软件，可以进行三维造型，自动生成平、立、剖施工图，渲染图可以表现光影、质感和纹理，我国自己开发的建筑设计软件有：HOUSE建筑CAD软件包、AUTOBUILDING(ABD)建筑绘图软件等。国外引进的图形处理软件有3D Studio、3DMAX、Adobe Photoshop和Corel
8、Draw等。设备专业软件功能强大，三维模型解决了碰撞问题，丰富的零件库为CAD设计提供了极大的方便。CAD应用在真实感的建筑设计、建筑规划、建筑装修行业、建筑施工和施工管理等方面，相对结构设计来说还需要做更多的工作。 随着计算机硬件和软件的飞速发展，计算机推广应用的条件成熟了。CAD软件的发展和普及，使我国的设计水平缩小了与发达国家的距离。CAD的应用水平已成为衡量一个设计单位或工程施工单位技术水平的重要标志及对外竞争投标的强有力的手段。建筑工程CAD可以从建筑设计方案、结构布置和分析、施工图到预算等全部由计算机完成。 我们今天处于高科技不断创新的时代，国际上CAD系统在技术上以日新月异的速度
9、发展，而历史又一次给我们以发展自己的机遇，在集成化、协同化、智能化及其相关技术的研究与开发领域，可以说我们同发达国家是站在同一起跑线上的。集成技术是指在工程设计阶段和各专业的有关应用程序之间，信息提取、交换、共享和处理的集成，即信息流的整体化，将设计的各阶段及涉及的各专业有机地形成一个整体。 协同技术是指在集成的基础上，在网络技术的支持下，实行并行工程处理作业。以工程项目为核心，使不同地域的生产虚拟群体能及时地共享图形库、数据库、材料库及一切上网资源。这要求协同各点对工程项目有着共同的描述，可以随时进行超越障碍(包括地域间、系统间)的信息交换以修改、评价设计工作的每个环节。 智能技术既把具有学
10、习、记忆和推理功能的专家系统运用于CAD系统，使系统的性能得到更大的改善，可靠性进一步提高，灵活性更大，能够适应千变万化的工程设计的实际需要。 CAD技术只能在创新中求发展，创新一方面必须跟踪国际计算机技术发展的先进水平，另一方面需适应国内市场的需求。商品软件的每一个功能细节，都要受到用户的欢迎，市场的认可。例如数据输入要尽可能的少；操作要方便，高度的自动化和人工干预要有机结合；输出图形要简洁、排版灵活，数据表格，便于查阅及理解等。 3网络技术的利用 网络化是计算机应用发展的大趋势。计算机网络可供网上用户共享软件和硬件资源，为用户提供一种完善和高效的使用环境。网络还可以改变一个部门的结构和管理
11、模式，在完成一工程项目时，所有的设计人员及管理人员无需在同一区域，通过计算机网络把他们联系起来，组成一个虚拟群体，能及时地共享资源。这样也可使不同工种设计部门如建筑、结构、水电、暖通等工种对设计数据的进一步共享与交流。 计算机网络可以是一个或几个办公室、一幢大楼或紧邻的楼群间的联网，称为局部网；也可以是长距离的跨地区、跨城市的联网，称为广域网。此外还有国际联网。 国际计算机互联网(INTERNET)是世界上最大的计算机互联网，是个巨大的信息库，它提供成千上万的信息资源，这些资源分布在世界各地170多个国家和地区近千万台计算机上，用户达7000多万。通过INTERNET可进行全球电子邮件通信，可
12、查阅和检索各种信息，共享各科学领域的研究成果。 4可视化技术的利用 科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)是80年代中后期提出并发展起来的，它是90年代计算机应用新技术的热点之一。近年来，可视化技术在国内已开始研究和应用，并取得了一定的成果。中国力学学会计算力学专业委员会、中国图象图形学会可视化专业委员会及中国工程设计计算机应用协会于1995年4月召开了第一届科学计算和工程设计可视化学术交流会。自此，在我国可视化技术的研究和应用进入了一个新的发展阶段。 虽然计算机用于科学计算已有50多年的历史，但由于受到计算机硬件技术的限制，科学计算不能以
13、交互方式进行处理，使用者不能对计算过程进行干预和引导，只能被动地等待计算结果的输出；而且大量的输入输出数据只能手工处理，或简单地用二维图形输出。这样处理不仅不能及时地得到有关计算结果的直观、形象的整体概念，而且手工处理数据十分繁琐、易出错，所化的时间往往是计算时间的十几倍甚至几十倍。正是在这样的背景下，科学计算可视化技术应运而生。科学计算可视化的基本思路就是将科学计算中从建立计算模型到计算结果均采用图形的输入和输出来实现，将复杂的数据计算和数据处理推向后台，用户主要和图形打交道。用户通过使用多媒体技术在屏幕上作图和修改图形，形成计算模型后，自动生成后台的输入文件，用户可以通过交互方式获取中间结
14、果和图形仿真以了解计算过程，干预和引导计算并最终获得计算结果的图形、颜色、静态和动态画面，使研究者了解全部过程和发展趋势。 科学计算可视化利用现代计算机强大的图形功能把科学计算中产生的数字信息转变为直观的、以图象或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量，如使用交互网格生成的有限元模型，结构受荷载作用过程中变形图上位移变化等。 进行科学计算的第一步是建立计算模型。除了常见的用输入数据或直接画图的方法外，近年来已发展了各种通过对摄录图象扫描采集数据从而建立计算模型，以及通过射线、超声、核子或磁共振进行断层扫描，再经重建技术把物理模型转化为计算模型等方法。这一技术的发展很大程度上得益于计
15、算机数据处理能力和视频技术的飞速发展。特别是由于光栅技术日趋完善，数字用图形或图象来表示和由图象转化为数字方面以及其存取方法等的发展，为可视化技术奠定了坚实的基础。但围绕着这一相互转移的真实可靠、迅速有效等要求，仍有一系列问题需要解决。其中有软件上的问题(如数据建模、绘制算法、图形数据结构、人机界面等)，也有硬件上的问题(如计算速度、容量、显示精度、颜色数等)。如将三维数据集映射到二维图象平面上，并作等值面、等值线、向量、条纹线、流线等表示，为观察三维数据内部结构及物理现象提供可能及方便。在实现以上变换过程中应始终贯彻可视化思想，并用屏幕操作通过改变图形而改变数据，干予引导计算。 设计工作是一
16、个从无到有的反复修正过程。设计人员根据所掌握的知识、经验、规范，通过分析、计算、判断，多次修改，最后形成一项满足预定功能要求的设计。实践证明，计算机辅助设计(CAD)在提高设计质量、加快设计进度、节省人力物力上起到不可估量的作用。然而，综观传统的CAD软件，计算机的辅助设计的重要作用之一主要表现在建模上，即通过图形的输入建立计算模型和获取相应的数据。这一阶段一般不进行或很少进行物理或功能上的分析计算，基本上仅涉及到问题的几何方面，即将设计人员的思想用几何图形表示出来。分析计算通常在后续阶段单独进行。在确定每一图形元素时以几何坐标来定位，相互之间不发生直接关系，只有等最后集成时通过其几何坐标的一致来建立相互关系，形成整体结构。因此原则上讲这仅是一个计算
