第二章 計算機軟件技術在建設工程中的應用

第一節 計算機在建筑設計中的應用

一、計算機輔助設計的應用現狀

1．建筑CAD技術應用特征

建筑CAD系統是由中國建筑科學研究院CAD工程部開發研究、國內應用最廣泛的一套計算機輔助設計系統。隨著多媒體技術的不斷發展，建筑CAD技術將使圖紙不再是設計院的主要產品介質，取而代之的是多媒體磁盤或光碟，圖紙將退為輔助產品。這種嶄新的表現形式將使建筑設計在使用功能、空間造型、比例尺度、交通綠化、光影色彩、材料設備乃至城市天際線等方面表現得更直觀、更清晰、更具有真實感。

以計算機為主體的信息載體和表現形式的變化導致了信息量的大量增加，設計的深度和直觀性更強，設計師與業主和施工單位的信息交流更方便、更透徹；信息載體和表現形式的變化使信息量可隨設計的需要任意增加，這是以紙為主要載體的建筑設計很難做到的；以強大功能、高速度和大儲存量為依托的計算機多媒體技術與建筑設計技術有效地結合在一起，使得建筑設計產品能更快更好地生成、編輯、制作、修改、傳送和展現。設計師應用計算機鍵盤、鼠標、數字化儀器后，過去幾天的工作量，現在幾個小時便可完成，方案設計變成了簡單、直觀的計算機操作；技術日趨成熟的計算機建筑畫的出現，受到了建筑師和業主的歡迎；在豐富的工程設計專業數據庫和軟件支持下，多方案的比較、多因素的綜合分析并非難事，更充分的創作思維、更詳盡的施工設計、更全面的優化設計都將成為可能。

建筑CAD技術的應用給建筑設計帶來了巨大的變化，同時也使建筑設計對技術設備的依賴性更強，信息的加工、處理、儲存、檢索和再利用將成為建筑設計單位重要的經常性工作。

2．CAD軟件在建筑工程設計中的應用優勢

1）勞動強度降低，圖面清潔

手工繪圖時，設計人員手里常常拿著幾支不同粗細的墨筆，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，修改非常費事，而且修修補補也使圖面顯得臟亂。而CAD軟件擁有統一的線型庫和字體庫，能保證圖面整潔統一，其所提供的UNDO功能還可以返回到畫錯之前的那一步，使設計師不必擔心畫錯。可見，CAD軟件使繪圖工作真正做到了方便、整潔、輕松。

2）設計工作的高效及設計成果的重復利用

CAD之所以高效，是因為其具備“COPY”的功能。一些相近、相似的工程設計，只需對圖紙進行簡單的修改或者直接套用就能使用，而設計師只需按幾下鍵盤、鼠標就可以完成。CAD軟件還可以將建筑施工圖直接轉成設備底圖，使水暖、電氣專業的設計師不必在描繪設備底圖上耗費時間，而且現在流行的CAD軟件大多能夠提供豐富的分類圖庫和通用詳圖，設計師需要時可以直接調入，重復的工作越多，這種優勢越明顯。

3）精度提高

建筑設計的精度一般標注到毫米，結構計算的精度要求也不是很高，施工時的精度要求則更低。但對于一些特型或規模大、結構復雜的建筑，不運用CAD軟件，設計計算將會非常困難，尤其是在日照分析、室內聲場分析、燈光照度分析等方面，CAD的計算精度和速度更是手工計算所無法比擬的。

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在軟盤、硬盤上，或是直接刻錄成光盤，資料的保管、調用極為方便。還可以將以前的圖紙通過掃描儀、數字化儀輸入電腦，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勢

建筑效果圖也是CAD在建筑設計上最為榮耀的。CAD制作的建筑效果圖，其透視關系、光影關系、建筑材料的質感都可以真實再現，再以真實的樹木、人、天空、汽車等圖片為配景，或是融合現場環境照片，則更有表現力。CAD制作效果圖的優勢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，快速生成多張效果圖而無須從頭做起，這一點是傳統的手繪效果圖所無法比擬的。這一切都使設計師受益匪淺，在向建設單位推薦自己的設計成果時也更有說服力。

6）設計理念的改變

CAD的智能化將部分取代設計師的設計工作，而CAD對設計的標準化、產業化起著巨大的推動作用。隨著信息技術、網絡技術的發展，跨地區合作設計、異地招標投標、設計評審等新事物也將普及。在第一時間接收科技信息，與世界同步，通過網絡讓足不出戶的工作成為現實。

3．計算機輔助建筑設計（CAD）軟件的發展歷程

20世紀60年代以來，計算機輔助建筑設計（CAD）技術經歷了三個發展階段。

1）二維通用繪圖軟件

20世紀60年代末至70年代初，還沒有專門用于建筑設計的CAD軟件。當時的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、標注尺寸和符號等功能，可用于通過圖形表達設計意圖的各個行業。

2）二維建筑繪圖軟件

進入20世紀70年代，計算機硬件性能和計算機圖形學有了很大的發展。建筑設計人員與軟件開發人員密切配合，促使專業化的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在建筑設計領域一直得到廣泛的應用。這一代軟件系統已具備CAD支撐系統的所有功能，但這一代CAD系統是一個分離的數據結構與多個數據庫的集合，其輔助設計功能基本限于詳細設計階段的繪圖、造型和簡單的分析工作。

3）三維建筑模型軟件

從20世紀80年代中期至20世紀90年代，在CAD輔助繪圖被人們承認和接受后，實現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算機上借助于三維模型進行設計構思，把三維的建筑設計方案與二維的成圖過程串聯起來工作，以三維模型為核心控制全局，充分發揮計算機的特點和優勢，進行工程設計。

4．CAD在建筑設計中的應用現狀

隨著CAD基礎理論和應用技術的不斷發展，設計人員對CAD系統的功能要求也越來越高。他們希望能從根本上減少大量簡單繁瑣的工作，使其能集中精力于那些富有創造性的高層次思維活動中。由于三維CAD系統具有可視化好、形象直觀、設計效率高，以及能為工程各個應用環節提供完整的設計、工藝、制造信息等優勢，它取代傳統的純二維CAD系統是歷史發展的必然。但是，由于經濟實力、技術水平和習慣定勢等因素的影響，二維圖紙不僅不會在短期內消亡，反而還會作為工程語言的載體長期存在并不斷發展。

據統計，目前我國機械行業的CAD應用狀態基本呈三角形結構，占據三角形底部的是已得到廣泛應用的、基于PC平臺的二維CAD系統，如Autodesk公司的CAD系列、國內華正的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工作站的純三維CAD系統，如Pro/E、SDRC/I-DEAS、Euclid、Catia等高端產品主要被一些大中型企業所采用，但由于受價格、系統開放性、軟件本地化特性和用戶素質要求高等因素的限制，在多數企業中，并未發揮出應有的作用。

5．CAD在建筑設計中的應用前景展望

1）虛擬現實技術的應用

在建筑設計的過程中，建筑師的設計過程是一個以用戶的使用、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，將是不可逆的執行過程。將虛擬現實技術應用于建筑設計中，建筑師仿佛置身于待建的場地中，可以幫助建筑師更好地驗證設計的正確性和可行性。同時可以讓業主或使用者進入這個虛擬的真實環境中，充分感受建筑物內部功能布局和外部環境設計，使業主、使用者獲得真實的建筑體驗，進而做出客觀、理性的評價。

2）智能化技術的應用

現有的人工智能技術同真正實現人類思維活動的模擬還存在一定的差距。因此，將智能化技術融合在建筑CAD技術中，來表達和模擬人類設計的思維模型，以適應創造性設計的要求，這將是建筑CAD技術發展的一個重要課題。

設計一般包括兩類工作：一類為數值計算，包括計算、分析等，主要依靠建立設計對象的數學模型并進行數值處理；另一類為符號推理，屬于創造性活動，必須依靠思考與推理，它包括方案設計、評價、決策等，這類工作主要依靠建立設計對象的知識模型并進行處理。在實際的建筑設計工作中，第二類工作有著舉足輕重的地位。

3）集成化技術的應用

建筑設計集成化是以網絡技術為支撐、CAD技術為基礎、工程信息管理為核心、工程項目管理為主線，使設計和管理實現一體化。集成化技術包括3個方面，即設計數據集成化、設計過程集成化、設計管理集成化。它具有以下特點：

①建設項目的所有信息統一存儲于基于網絡環境的數據庫中，能保證信息的唯一性；

②在數據庫中很容易實現對各種文件進行送審追蹤，因而可以有效減少因為各種錯誤造成的投資浪費；

③任何文件都可以在線公開和共享，建設項目每一個環節產生的信息都能夠直接作為下一個環節的工作基礎，可以做到無縫連接。

4）協同設計技術的應用

設計過程是一個典型的群體工作，應從以下兩個方面來理解協同設計的思想。

（1）技術層面

一項建筑工程的設計通常需要建筑、結構、設備等多種專業的協同工作才能完成。建筑CAD需要及時以并行、協同的方式進行各專業間數據的實時交換和雙向傳輸，設計小組成員之間可展開充分討論，協調設計的方法、手段和步驟，最終得到符合要求的設計結構的設計方法。

（2）人員層面

建筑CAD涉及的人員包括設計者、用戶、開發商及施工方等。工程的設計既是設計者與其他設計者的交流，也是與用戶、開發商和施工方的交流，因此具有協同工作的需求。CAD網絡協同設計的核心是并行一體化設計，強調設計及其相關過程同時交叉進行，這要求CAD軟件能很好地解決以下幾方面的問題：

①協同設計中的各種沖突；

②群體成員間多媒體信息傳輸，主要是實時數據交換問題；

③異構環境中的數據傳輸與工具集成；

④設計群體中個體間的交互技術等。