建筑结构设计中CAD技术的应用

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摘要：CAD技术作为建筑结构设计体系中的一项重要技术，可以辅助人工快速完成图纸绘制、图形编辑与数据加工工作，对建筑结构设计体系的变革有着重要意义。因此，为充分发挥技术优势，提高技术应用推广力度，本文重点分析了cad技术在建筑结构设计领域的应用，以供参考。

关键词：CAD技术；建筑工程；结构设计

1CAD技术应用概述

1.1建筑CAD发展历程

CAD技术也被称作为计算机辅助设计，是依托计算机系统与相应软件产品辅助人工完成设计工作的一项技术手段，最早起源于20世纪70年代，通过编写计算机程序快速获得计算结果，在工程概预算与管理领域中得到广泛应用。随着时间推移，CAD技术体系日益成熟，各企业陆续推出多种CAD软件，如Etabs软件、PKPM系列软件、TBACCA系列软件等。在CAD技术早期发展阶段，受到基础软件与硬件限制，技术使用功能较为单一，并不具备图形交互等功能，主要被用于开展方案评估、施工图绘制等工作，多数设计工作仍采取手工方式完成。在近年来，随着第二代CAD系统的问世推广，CAD技术使用功能呈现出多元化发展趋势，可以依托计算机系统完成绝大多数建筑结构设计工作。

1.2主要设计软件

1.2.1PKPM系列该系列CAD软件为我国建科院研制，采取AUTOCAD绘图支持软件与FORTRAN编程语言，主要包括建筑结构平面设计软件、弹性地基梁筏板基础结构设计软件、高层建筑结构三维计算软件、钢结构辅助软件等。根据实际应用情况来看，该系列CAD软件具备独立操作条件，以及优异的人机交互性能与前后处理能力，适用于建筑结构设计工作的各个环节。但是，所绘制梁柱断面等图纸标注信息较为烦琐，人工调整难度高，且计算结果相对较为保守。

1.2.2TBACCA系列该系列CAD软件由我国背景建筑工程设计软件研究院研制，由钢桁架辅助设计软件、高层建筑辅助设计系统、辅助地基设计系统、结构空间分析系统等成，实际应用范围涵盖建筑结构设计、电气、暖通等专业，具有操作简单的优势，适用范围较广。但是，在实际应用期间，TBACCA系列软件不具备多塔建筑结构的条件，且无法客观分析楼板对梁抗扭刚度所造成影响，计算结果准确性有待提升。

1.3CAD技术优势

在建筑结构设计领域中，CAD技术的主要优势包括以下几点。

1.3.1工作量少在传统设计模式中，需要以手工方式完成图纸绘制等工作，需要企业投入大量劳动力，长期开展基础性与重复性工作。同时，受到人为因素影响，偶尔出现图纸画错等问题，实际工作量较大。而对CAD技术的应用，可以依托计算机系统与专业绘图软件，在短时间内完成图纸绘制等设计工作，有效缩减了实际工作量。

1.3.2设计成果重复利用可以对使用CAD软件所完成设计成果进行重复利用，如从绘图软件中导出CAD图纸，直接将建筑施工图转变为设备底图等，以此简化建筑结构设计步骤。

1.3.3资料管理设计人员可选择将设计图纸等工程资料信息以虚拟数字形式存储在CAD软件中，软件具有实时查阅、远程控制、异地下载等功能，切实满足现代建筑工程的设计需求。

1.4CAD技术缺点

CAD技术在建筑结构设计领域应用广泛，但在实际应用期间，仍旧暴露出诸多技术缺陷，具体如下：第一，束缚设计思想。与传统设计模式相比，在应用CAD技术时，必须明确标注建筑物比例与构件尺寸等参数，禁止在设计期间存在模糊性与随机性数据。这虽然有效提高了设计精度，但在一定层面上，限制了设计师的创作思路，不利于提高建筑外观美观度与艺术鉴赏价值。第二，技术水平要求高。CAD技术体系较为复杂，由多种计算机辅助软件加以组成，且技术体系发展速度较快，陆续推出新型软件产品与技术理念，对设计人员的专业素养及学习能力提出较高要求。

2CAD技术在建筑结构设计中的应用实例

2.1CAD技术在寒地木建筑结构设计中的应用

该项目为风屏障木结构建筑，分布于长春市吉林建筑大学，CAD技术主要被用于建筑能耗模拟计算、构建CAD模型、建筑节能优化方面中，具体应用情况如下。

2.1.1建筑能耗模拟计算设计人员使用designbuilder能耗模拟软件，在软件中构建数字能耗模型，向模型中导入室外设计参数与室内设计参数，如年平均气温值、地区类型、围护结构传热系数等。另外，构建简化能耗模型，在模型中导入不可控变量以及可控变量。同时，在软件中对该建筑结构属性与特性进行物理描述。用户通过操作CAD软件，在确定结构特性与输入变量后，即可确定高输出变量与获取建筑能耗模拟计算结果。此外，考虑到该建筑为新建建筑，选择采取正向模拟法。

2.1.2CAD建模在该项目中，结合实际情况，设计人员最终选择使用Sketch⁃UP软件绘制建筑效果图，使用AutoCAD软件绘制建筑平面图。同时，考虑到所构建建筑能耗模型存在文件无法兼容问题，选择使用DesignBuilder软件重新构建建筑能耗模型，并在软件中独立设置能耗模拟参数，所构建CAD模型如图1所示。

2.1.3建筑节能优化设计在建筑节能优化环节，CAD技术的应用步骤为：设计调研—建筑结构方案设计-暖通给排水设计—节能设计、深化设计—确定最终建筑结构方案。同时，建筑节能优化设计具有双向性特征，在设计期间出现各类问题，或是未达到预期设计目标时，都将回到方案设计阶段，重复开展节能优化设计工作。此外，根据实际应用情况来看，CAD技术暴露出多项问题，如各环节所使用CAD软件处于孤立状态，实际设计效率存在优化空间，缺乏开展协同设计工作的基础条件。例如，使用AutoCAD与3Dmax软件开展建筑前期平立剖与3D效果图绘制作业，使用Designbuilder软件开展建筑结构能耗模拟计算作业。

2.2CAD技术在动力时程分析中的应用

在建筑结构设计阶段，动力时程分析工作的意义是能够客观掌握建筑结构实际抗震性能，分析建筑结构动力特性与受地震影响时建筑物破损程度二者关系，为建筑结构抗震设计工作的开展提供信息支持。而从技术应用层面来看，在建筑结构设计阶段，对CAD技术的应用，凭借技术可视化等使用功能，帮助设计人员更为直观地理解试验计算结果，客观层面上提高了建筑结构选型与受力分析等环节的设计水平。以广厦项目为例，该项目CAD系统结构由多个模块组成。其中，图形录入模块负责定义各楼层设计信息与转换图形信息，可视化模块负责将信息图形进行可视化显示，平面应力模块负责对构件内力与变形开展有限元分析，施工图模块负责绘制及修改CAD施工图，力学计算模块负责完成砖混与楼板计算等任务，动力时程模块负责分析建筑结构受到地震波作用时的响应情况并输出结果。以动力时程模块应用为例，首先，用户在软件中采取人机交互方式来确定建筑结构，持续将图形信息转换至可识别数据信息，并依次开展楼板次梁计算以及结构计算操作，完成力学分析处理任务，确保软件内建筑结构信息与实际力学性能高度相似。其次，结合项目所处区域地理条件与地震烈度，在软件中基于力学特性发出受迫震动，分析受地震波影响下的建筑结构位移受力情况，对位移量、反应力以弯矩等参数进行记录。最后，基于分析结果，判断建筑结构是否符合抗震规范，评估建筑结构抗震能力，选择性对抗震结构的薄弱环节进行深化设计。

3CAD技术在建筑结构设计中的应用建议

3.1推动技术可视化发展

在CAD技术早期发展阶段，受到软件与硬件限制，CAD技术不具备可视化使用功能，存在应用局限性，设计人员难以深入了解建筑结构设计情况。因此，企业需要重点研发与完善CAD技术的可视化功能，依托计算机系统与软件工具，将计算结果与数据信息转换为可视化图形图像信息，直接在屏幕上进行交互处理，在可视化状态下开展结构设计工作，如三维动态显示震源与模拟破坏规律。

3.2加强设计全过程一体化建设

由于不同CAD软件相互间的兼容性较差，且单一软件的使用功能匮乏，存在应用局限性。因此，在使用CAD技术的前提下，会将建筑结构设计工作分割成若干环节，不同环节间的关联系数较低。这一问题的存在，限制了建筑结构设计水平及效率的进一步提升。针对此，应推动CAD技术体系的创新优化，提高各项CAD软件的兼容性，持续完善软件使用功能，以加强建筑结构设计的全过程一体化建设。例如，西方发达国家自20世纪末起开展相关研究，制定了建筑工程模式与图形数据交换统一标准，并致力于研发统一CAD平台，将CAD技术贯穿应用于建筑结构全设计过程。

3.3掌握软件应用技巧

各类CAD软件的操作流程较为复杂，对设计人员对专业素养有着较高要求，如果没有熟练掌握软件操作技巧，容易出现绘图结果错误与参数计算错误等问题，进而影响到建筑结构设计质量与方案可行性。因此，设计人员必须熟练掌握各类常用CAD软件的操作技巧。以PKPM系列软件为例，在使用PMCAD软件构建交互式建筑结构模型时，需要将结构布置形式与构建荷载存在差异的结构层分别在多个结构标准层中进行描述，禁止使用图案编辑菜单对单独标准层或任意部分进行拖动平移处理，避免出现节点错位现象。同时，严格遵循从上到下顺序组装标准层，禁止篡改或调整标准层组装顺序，并将所输入荷载值视为荷载标准值，而非荷载设计值。

4结语

综上所述，在现代建筑工程中，企业与设计人员需要正确认识到CAD技术的应用价值，将技术应用于建筑结构设计始终，确保技术优势得到充分发挥。同时，为满足全新的建筑结构设计需求，需要推动CAD技术体系优化创新，持续完善技术功能，以促进我国建筑业的信息化、现代化发展。

参考文献：

[1]任震宇.CAD技术在高层建筑结构设计中的应用[J].自动化与仪器仪表,2017(10).

[2]沈捷攀,林晨.CAD技术在建筑结构设计中的应用[J].山西建筑,2010(7).

[3]王秀夫,李彦涛.采用CAD技术进行建筑工程设计的优缺点[J].黑龙江科技信息,2009(29).

[4]邢海霞.浅谈CAD软件应用与建筑结构设计[J].山西建筑,2008(7).

作者：刘立勋 单位：河北拓朴建筑设计有限公司