第二章 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用

第一節(jié) 計(jì)算機(jī)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

一、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1．建筑CAD技術(shù)應(yīng)用特征

建筑CAD系統(tǒng)是由中國建筑科學(xué)研究院CAD工程部開發(fā)研究、國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的一套計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑CAD技術(shù)將使圖紙不再是設(shè)計(jì)院的主要產(chǎn)品介質(zhì)，取而代之的是多媒體磁盤或光碟，圖紙將退為輔助產(chǎn)品。這種嶄新的表現(xiàn)形式將使建筑設(shè)計(jì)在使用功能、空間造型、比例尺度、交通綠化、光影色彩、材料設(shè)備乃至城市天際線等方面表現(xiàn)得更直觀、更清晰、更具有真實(shí)感。

以計(jì)算機(jī)為主體的信息載體和表現(xiàn)形式的變化導(dǎo)致了信息量的大量增加，設(shè)計(jì)的深度和直觀性更強(qiáng)，設(shè)計(jì)師與業(yè)主和施工單位的信息交流更方便、更透徹；信息載體和表現(xiàn)形式的變化使信息量可隨設(shè)計(jì)的需要任意增加，這是以紙為主要載體的建筑設(shè)計(jì)很難做到的；以強(qiáng)大功能、高速度和大儲(chǔ)存量為依托的計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)技術(shù)有效地結(jié)合在一起，使得建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)品能更快更好地生成、編輯、制作、修改、傳送和展現(xiàn)。設(shè)計(jì)師應(yīng)用計(jì)算機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀器后，過去幾天的工作量，現(xiàn)在幾個(gè)小時(shí)便可完成，方案設(shè)計(jì)變成了簡(jiǎn)單、直觀的計(jì)算機(jī)操作；技術(shù)日趨成熟的計(jì)算機(jī)建筑畫的出現(xiàn)，受到了建筑師和業(yè)主的歡迎；在豐富的工程設(shè)計(jì)專業(yè)數(shù)據(jù)庫和軟件支持下，多方案的比較、多因素的綜合分析并非難事，更充分的創(chuàng)作思維、更詳盡的施工設(shè)計(jì)、更全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)都將成為可能。

建筑CAD技術(shù)的應(yīng)用給建筑設(shè)計(jì)帶來了巨大的變化，同時(shí)也使建筑設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)設(shè)備的依賴性更強(qiáng)，信息的加工、處理、儲(chǔ)存、檢索和再利用將成為建筑設(shè)計(jì)單位重要的經(jīng)常性工作。

2．CAD軟件在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1）勞動(dòng)強(qiáng)度降低，圖面清潔

手工繪圖時(shí)，設(shè)計(jì)人員手里常常拿著幾支不同粗細(xì)的墨筆，并且丁字尺、三角板、曲線板等工具還得不停地更換，一旦畫錯(cuò)，修改非常費(fèi)事，而且修修補(bǔ)補(bǔ)也使圖面顯得臟亂。而CAD軟件擁有統(tǒng)一的線型庫和字體庫，能保證圖面整潔統(tǒng)一，其所提供的UNDO功能還可以返回到畫錯(cuò)之前的那一步，使設(shè)計(jì)師不必?fù)?dān)心畫錯(cuò)。可見，CAD軟件使繪圖工作真正做到了方便、整潔、輕松。

2）設(shè)計(jì)工作的高效及設(shè)計(jì)成果的重復(fù)利用

CAD之所以高效，是因?yàn)槠渚邆洹癈OPY”的功能。一些相近、相似的工程設(shè)計(jì)，只需對(duì)圖紙進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改或者直接套用就能使用，而設(shè)計(jì)師只需按幾下鍵盤、鼠標(biāo)就可以完成。CAD軟件還可以將建筑施工圖直接轉(zhuǎn)成設(shè)備底圖，使水暖、電氣專業(yè)的設(shè)計(jì)師不必在描繪設(shè)備底圖上耗費(fèi)時(shí)間，而且現(xiàn)在流行的CAD軟件大多能夠提供豐富的分類圖庫和通用詳圖，設(shè)計(jì)師需要時(shí)可以直接調(diào)入，重復(fù)的工作越多，這種優(yōu)勢(shì)越明顯。

3）精度提高

建筑設(shè)計(jì)的精度一般標(biāo)注到毫米，結(jié)構(gòu)計(jì)算的精度要求也不是很高，施工時(shí)的精度要求則更低。但對(duì)于一些特型或規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑，不運(yùn)用CAD軟件，設(shè)計(jì)計(jì)算將會(huì)非常困難，尤其是在日照分析、室內(nèi)聲場(chǎng)分析、燈光照度分析等方面，CAD的計(jì)算精度和速度更是手工計(jì)算所無法比擬的。

4）資料保管方便

CAD軟件制作的圖形、圖像文件可以直接存儲(chǔ)在軟盤、硬盤上，或是直接刻錄成光盤，資料的保管、調(diào)用極為方便。還可以將以前的圖紙通過掃描儀、數(shù)字化儀輸入電腦，可避免資料因受潮、蟲蛀以及破壞性查閱而造成的不必要的損失。

5）CAD在建筑效果圖上的優(yōu)勢(shì)

建筑效果圖也是CAD在建筑設(shè)計(jì)上最為榮耀的。CAD制作的建筑效果圖，其透視關(guān)系、光影關(guān)系、建筑材料的質(zhì)感都可以真實(shí)再現(xiàn)，再以真實(shí)的樹木、人、天空、汽車等圖片為配景，或是融合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境照片，則更有表現(xiàn)力。CAD制作效果圖的優(yōu)勢(shì)還在于只要建筑的三維模型搭建完成，就可以任意指定透視角度和模型材質(zhì)，快速生成多張效果圖而無須從頭做起，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的手繪效果圖所無法比擬的。這一切都使設(shè)計(jì)師受益匪淺，在向建設(shè)單位推薦自己的設(shè)計(jì)成果時(shí)也更有說服力。

6）設(shè)計(jì)理念的改變

CAD的智能化將部分取代設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作，而CAD對(duì)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化起著巨大的推動(dòng)作用。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，跨地區(qū)合作設(shè)計(jì)、異地招標(biāo)投標(biāo)、設(shè)計(jì)評(píng)審等新事物也將普及。在第一時(shí)間接收科技信息，與世界同步，通過網(wǎng)絡(luò)讓足不出戶的工作成為現(xiàn)實(shí)。

3．計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)（CAD）軟件的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代以來，計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。

1）二維通用繪圖軟件

20世紀(jì)60年代末至70年代初，還沒有專門用于建筑設(shè)計(jì)的CAD軟件。當(dāng)時(shí)的CAD軟件的基本特征只是通用的圖形處理能力，而且主要是二維圖形繪制、標(biāo)注尺寸和符號(hào)等功能，可用于通過圖形表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的各個(gè)行業(yè)。

2）二維建筑繪圖軟件

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)硬件性能和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有了很大的發(fā)展。建筑設(shè)計(jì)人員與軟件開發(fā)人員密切配合，促使專業(yè)化的CAD軟件誕生，這可以稱為第一代CAD軟件。美國的通用繪圖軟件CAD在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直得到廣泛的應(yīng)用。這一代軟件系統(tǒng)已具備CAD支撐系統(tǒng)的所有功能，但這一代CAD系統(tǒng)是一個(gè)分離的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與多個(gè)數(shù)據(jù)庫的集合，其輔助設(shè)計(jì)功能基本限于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的繪圖、造型和簡(jiǎn)單的分析工作。

3）三維建筑模型軟件

從20世紀(jì)80年代中期至20世紀(jì)90年代，在CAD輔助繪圖被人們承認(rèn)和接受后，實(shí)現(xiàn)了向更高層次的飛躍，誕生了第二代CAD軟件——三維建筑模型軟件。三維建筑模型軟件的研制思路是讓建筑師在計(jì)算機(jī)上借助于三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思，把三維的建筑設(shè)計(jì)方案與二維的成圖過程串聯(lián)起來工作，以三維模型為核心控制全局，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

4．CAD在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著CAD基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員對(duì)CAD系統(tǒng)的功能要求也越來越高。他們希望能從根本上減少大量簡(jiǎn)單繁瑣的工作，使其能集中精力于那些富有創(chuàng)造性的高層次思維活動(dòng)中。由于三維CAD系統(tǒng)具有可視化好、形象直觀、設(shè)計(jì)效率高，以及能為工程各個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)提供完整的設(shè)計(jì)、工藝、制造信息等優(yōu)勢(shì)，它取代傳統(tǒng)的純二維CAD系統(tǒng)是歷史發(fā)展的必然。但是，由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力、技術(shù)水平和習(xí)慣定勢(shì)等因素的影響，二維圖紙不僅不會(huì)在短期內(nèi)消亡，反而還會(huì)作為工程語言的載體長期存在并不斷發(fā)展。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國機(jī)械行業(yè)的CAD應(yīng)用狀態(tài)基本呈三角形結(jié)構(gòu)，占據(jù)三角形底部的是已得到廣泛應(yīng)用的、基于PC平臺(tái)的二維CAD系統(tǒng)，如Autodesk公司的CAD系列、國內(nèi)華正的CAXA電子圖版、高華的GH-CAD、凱思的PICAD等均擁有大量用戶群。高居三角形頂端的是少量基于UNIX工作站的純?nèi)SCAD系統(tǒng)，如Pro/E、SDRC/I-DEAS、Euclid、Catia等高端產(chǎn)品主要被一些大中型企業(yè)所采用，但由于受價(jià)格、系統(tǒng)開放性、軟件本地化特性和用戶素質(zhì)要求高等因素的限制，在多數(shù)企業(yè)中，并未發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

5．CAD在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景展望

1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

在建筑設(shè)計(jì)的過程中，建筑師的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)以用戶的使用、感受為核心的空間思維過程，存在著一定的不可知性，一旦投入施工，將是不可逆的執(zhí)行過程。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，建筑師仿佛置身于待建的場(chǎng)地中，可以幫助建筑師更好地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性。同時(shí)可以讓業(yè)主或使用者進(jìn)入這個(gè)虛擬的真實(shí)環(huán)境中，充分感受建筑物內(nèi)部功能布局和外部環(huán)境設(shè)計(jì)，使業(yè)主、使用者獲得真實(shí)的建筑體驗(yàn)，進(jìn)而做出客觀、理性的評(píng)價(jià)。

2）智能化技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)有的人工智能技術(shù)同真正實(shí)現(xiàn)人類思維活動(dòng)的模擬還存在一定的差距。因此，將智能化技術(shù)融合在建筑CAD技術(shù)中，來表達(dá)和模擬人類設(shè)計(jì)的思維模型，以適應(yīng)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的要求，這將是建筑CAD技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要課題。

設(shè)計(jì)一般包括兩類工作：一類為數(shù)值計(jì)算，包括計(jì)算、分析等，主要依靠建立設(shè)計(jì)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值處理；另一類為符號(hào)推理，屬于創(chuàng)造性活動(dòng)，必須依靠思考與推理，它包括方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策等，這類工作主要依靠建立設(shè)計(jì)對(duì)象的知識(shí)模型并進(jìn)行處理。在實(shí)際的建筑設(shè)計(jì)工作中，第二類工作有著舉足輕重的地位。

3）集成化技術(shù)的應(yīng)用

建筑設(shè)計(jì)集成化是以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐、CAD技術(shù)為基礎(chǔ)、工程信息管理為核心、工程項(xiàng)目管理為主線，使設(shè)計(jì)和管理實(shí)現(xiàn)一體化。集成化技術(shù)包括3個(gè)方面，即設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成化、設(shè)計(jì)過程集成化、設(shè)計(jì)管理集成化。它具有以下特點(diǎn)：

①建設(shè)項(xiàng)目的所有信息統(tǒng)一存儲(chǔ)于基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)庫中，能保證信息的唯一性；

②在數(shù)據(jù)庫中很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)各種文件進(jìn)行送審追蹤，因而可以有效減少因?yàn)楦鞣N錯(cuò)誤造成的投資浪費(fèi)；

③任何文件都可以在線公開和共享，建設(shè)項(xiàng)目每一個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信息都能夠直接作為下一個(gè)環(huán)節(jié)的工作基礎(chǔ)，可以做到無縫連接。

4）協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)過程是一個(gè)典型的群體工作，應(yīng)從以下兩個(gè)方面來理解協(xié)同設(shè)計(jì)的思想。

（1）技術(shù)層面

一項(xiàng)建筑工程的設(shè)計(jì)通常需要建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等多種專業(yè)的協(xié)同工作才能完成。建筑CAD需要及時(shí)以并行、協(xié)同的方式進(jìn)行各專業(yè)間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換和雙向傳輸，設(shè)計(jì)小組成員之間可展開充分討論，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的方法、手段和步驟，最終得到符合要求的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

（2）人員層面

建筑CAD涉及的人員包括設(shè)計(jì)者、用戶、開發(fā)商及施工方等。工程的設(shè)計(jì)既是設(shè)計(jì)者與其他設(shè)計(jì)者的交流，也是與用戶、開發(fā)商和施工方的交流，因此具有協(xié)同工作的需求。CAD網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)的核心是并行一體化設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程同時(shí)交叉進(jìn)行，這要求CAD軟件能很好地解決以下幾方面的問題：

①協(xié)同設(shè)計(jì)中的各種沖突；

②群體成員間多媒體信息傳輸，主要是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換問題；

③異構(gòu)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸與工具集成；

④設(shè)計(jì)群體中個(gè)體間的交互技術(shù)等。