第二章 计算机软件技术在建设工程中的应用

第一节 计算机在建筑设计中的应用

一、计算机辅助设计的应用现状

1．建筑CAD技术应用特征

建筑CAD系统是由中国建筑科学研究院CAD工程部开发研究、国内应用最广泛的一套计算机辅助设计系统。随着多媒体技术的不断发展，建筑CAD技术将使图纸不再是设计院的主要产品介质，取而代之的是多媒体磁盘或光碟，图纸将退为辅助产品。这种崭新的表现形式将使建筑设计在使用功能、空间造型、比例尺度、交通绿化、光影色彩、材料设备乃至城市天际线等方面表现得更直观、更清晰、更具有真实感。

以计算机为主体的信息载体和表现形式的变化导致了信息量的大量增加，设计的深度和直观性更强，设计师与业主和施工单位的信息交流更方便、更透彻；信息载体和表现形式的变化使信息量可随设计的需要任意增加，这是以纸为主要载体的建筑设计很难做到的；以强大功能、高速度和大储存量为依托的计算机多媒体技术与建筑设计技术有效地结合在一起，使得建筑设计产品能更快更好地生成、编辑、制作、修改、传送和展现。设计师应用计算机键盘、鼠标、数字化仪器后，过去几天的工作量，现在几个小时便可完成，方案设计变成了简单、直观的计算机操作；技术日趋成熟的计算机建筑画的出现，受到了建筑师和业主的欢迎；在丰富的工程设计专业数据库和软件支持下，多方案的比较、多因素的综合分析并非难事，更充分的创作思维、更详尽的施工设计、更全面的优化设计都将成为可能。

建筑CAD技术的应用给建筑设计带来了巨大的变化，同时也使建筑设计对技术设备的依赖性更强，信息的加工、处理、储存、检索和再利用将成为建筑设计单位重要的经常性工作。

2．CAD软件在建筑工程设计中的应用优势

1）劳动强度降低，图面清洁

手工绘图时，设计人员手里常常拿着几支不同粗细的墨笔，并且丁字尺、三角板、曲线板等工具还得不停地更换，一旦画错，修改非常费事，而且修修补补也使图面显得脏乱。而CAD软件拥有统一的线型库和字体库，能保证图面整洁统一，其所提供的UNDO功能还可以返回到画错之前的那一步，使设计师不必担心画错。可见，CAD软件使绘图工作真正做到了方便、整洁、轻松。

2）设计工作的高效及设计成果的重复利用

CAD之所以高效，是因为其具备“COPY”的功能。一些相近、相似的工程设计，只需对图纸进行简单的修改或者直接套用就能使用，而设计师只需按几下键盘、鼠标就可以完成。CAD软件还可以将建筑施工图直接转成设备底图，使水暖、电气专业的设计师不必在描绘设备底图上耗费时间，而且现在流行的CAD软件大多能够提供丰富的分类图库和通用详图，设计师需要时可以直接调入，重复的工作越多，这种优势越明显。

3）精度提高

建筑设计的精度一般标注到毫米，结构计算的精度要求也不是很高，施工时的精度要求则更低。但对于一些特型或规模大、结构复杂的建筑，不运用CAD软件，设计计算将会非常困难，尤其是在日照分析、室内声场分析、灯光照度分析等方面，CAD的计算精度和速度更是手工计算所无法比拟的。

4）资料保管方便

CAD软件制作的图形、图像文件可以直接存储在软盘、硬盘上，或是直接刻录成光盘，资料的保管、调用极为方便。还可以将以前的图纸通过扫描仪、数字化仪输入电脑，可避免资料因受潮、虫蛀以及破坏性查阅而造成的不必要的损失。

5）CAD在建筑效果图上的优势

建筑效果图也是CAD在建筑设计上最为荣耀的。CAD制作的建筑效果图，其透视关系、光影关系、建筑材料的质感都可以真实再现，再以真实的树木、人、天空、汽车等图片为配景，或是融合现场环境照片，则更有表现力。CAD制作效果图的优势还在于只要建筑的三维模型搭建完成，就可以任意指定透视角度和模型材质，快速生成多张效果图而无须从头做起，这一点是传统的手绘效果图所无法比拟的。这一切都使设计师受益匪浅，在向建设单位推荐自己的设计成果时也更有说服力。

6）设计理念的改变

CAD的智能化将部分取代设计师的设计工作，而CAD对设计的标准化、产业化起着巨大的推动作用。随着信息技术、网络技术的发展，跨地区合作设计、异地招标投标、设计评审等新事物也将普及。在第一时间接收科技信息，与世界同步，通过网络让足不出户的工作成为现实。

3．计算机辅助建筑设计（CAD）软件的发展历程

20世纪60年代以来，计算机辅助建筑设计（CAD）技术经历了三个发展阶段。

1）二维通用绘图软件

20世纪60年代末至70年代初，还没有专门用于建筑设计的CAD软件。当时的CAD软件的基本特征只是通用的图形处理能力，而且主要是二维图形绘制、标注尺寸和符号等功能，可用于通过图形表达设计意图的各个行业。

2）二维建筑绘图软件

进入20世纪70年代，计算机硬件性能和计算机图形学有了很大的发展。建筑设计人员与软件开发人员密切配合，促使专业化的CAD软件诞生，这可以称为第一代CAD软件。美国的通用绘图软件CAD在建筑设计领域一直得到广泛的应用。这一代软件系统已具备CAD支撑系统的所有功能，但这一代CAD系统是一个分离的数据结构与多个数据库的集合，其辅助设计功能基本限于详细设计阶段的绘图、造型和简单的分析工作。

3）三维建筑模型软件

从20世纪80年代中期至20世纪90年代，在CAD辅助绘图被人们承认和接受后，实现了向更高层次的飞跃，诞生了第二代CAD软件——三维建筑模型软件。三维建筑模型软件的研制思路是让建筑师在计算机上借助于三维模型进行设计构思，把三维的建筑设计方案与二维的成图过程串联起来工作，以三维模型为核心控制全局，充分发挥计算机的特点和优势，进行工程设计。

4．CAD在建筑设计中的应用现状

随着CAD基础理论和应用技术的不断发展，设计人员对CAD系统的功能要求也越来越高。他们希望能从根本上减少大量简单繁琐的工作，使其能集中精力于那些富有创造性的高层次思维活动中。由于三维CAD系统具有可视化好、形象直观、设计效率高，以及能为工程各个应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，它取代传统的纯二维CAD系统是历史发展的必然。但是，由于经济实力、技术水平和习惯定势等因素的影响，二维图纸不仅不会在短期内消亡，反而还会作为工程语言的载体长期存在并不断发展。

据统计，目前我国机械行业的CAD应用状态基本呈三角形结构，占据三角形底部的是已得到广泛应用的、基于PC平台的二维CAD系统，如Autodesk公司的CAD系列、国内华正的CAXA电子图版、高华的GH-CAD、凯思的PICAD等均拥有大量用户群。高居三角形顶端的是少量基于UNIX工作站的纯三维CAD系统，如Pro/E、SDRC/I-DEAS、Euclid、Catia等高端产品主要被一些大中型企业所采用，但由于受价格、系统开放性、软件本地化特性和用户素质要求高等因素的限制，在多数企业中，并未发挥出应有的作用。

5．CAD在建筑设计中的应用前景展望

1）虚拟现实技术的应用

在建筑设计的过程中，建筑师的设计过程是一个以用户的使用、感受为核心的空间思维过程，存在着一定的不可知性，一旦投入施工，将是不可逆的执行过程。将虚拟现实技术应用于建筑设计中，建筑师仿佛置身于待建的场地中，可以帮助建筑师更好地验证设计的正确性和可行性。同时可以让业主或使用者进入这个虚拟的真实环境中，充分感受建筑物内部功能布局和外部环境设计，使业主、使用者获得真实的建筑体验，进而做出客观、理性的评价。

2）智能化技术的应用

现有的人工智能技术同真正实现人类思维活动的模拟还存在一定的差距。因此，将智能化技术融合在建筑CAD技术中，来表达和模拟人类设计的思维模型，以适应创造性设计的要求，这将是建筑CAD技术发展的一个重要课题。

设计一般包括两类工作：一类为数值计算，包括计算、分析等，主要依靠建立设计对象的数学模型并进行数值处理；另一类为符号推理，属于创造性活动，必须依靠思考与推理，它包括方案设计、评价、决策等，这类工作主要依靠建立设计对象的知识模型并进行处理。在实际的建筑设计工作中，第二类工作有着举足轻重的地位。

3）集成化技术的应用

建筑设计集成化是以网络技术为支撑、CAD技术为基础、工程信息管理为核心、工程项目管理为主线，使设计和管理实现一体化。集成化技术包括3个方面，即设计数据集成化、设计过程集成化、设计管理集成化。它具有以下特点：

①建设项目的所有信息统一存储于基于网络环境的数据库中，能保证信息的唯一性；

②在数据库中很容易实现对各种文件进行送审追踪，因而可以有效减少因为各种错误造成的投资浪费；

③任何文件都可以在线公开和共享，建设项目每一个环节产生的信息都能够直接作为下一个环节的工作基础，可以做到无缝连接。

4）协同设计技术的应用

设计过程是一个典型的群体工作，应从以下两个方面来理解协同设计的思想。

（1）技术层面

一项建筑工程的设计通常需要建筑、结构、设备等多种专业的协同工作才能完成。建筑CAD需要及时以并行、协同的方式进行各专业间数据的实时交换和双向传输，设计小组成员之间可展开充分讨论，协调设计的方法、手段和步骤，最终得到符合要求的设计结构的设计方法。

（2）人员层面

建筑CAD涉及的人员包括设计者、用户、开发商及施工方等。工程的设计既是设计者与其他设计者的交流，也是与用户、开发商和施工方的交流，因此具有协同工作的需求。CAD网络协同设计的核心是并行一体化设计，强调设计及其相关过程同时交叉进行，这要求CAD软件能很好地解决以下几方面的问题：

①协同设计中的各种冲突；

②群体成员间多媒体信息传输，主要是实时数据交换问题；

③异构环境中的数据传输与工具集成；

④设计群体中个体间的交互技术等。