[小学教育]2007级《土木工程CAD》课件ok.ppt
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1、土木工程CAD,土木工程学院 金巨东,导 言,0.1 课程简介,课程名称: 土木工程CAD 英文名称: CAD in Civil Engineering 适用对象: 土木工程交通专业各方向 先修课程: 计算机应用基础、画法几何、工程制图、房屋建筑学、混凝土结构设计等 课程性质: 专业技术课 教学目的: 通过对本课程的学习,能够使学生了解土木工程CAD的基本概念,熟悉CAD硬件系统和软件系统的原理和组成,熟练掌握AutoCAD软件的基本操作方法,初步掌握建筑工程系列软件PKPM的基本功能,为毕业后从事土木工程设计及土木工程CAD的应用开发打下必要的基础。,0.2 教学要求,本课程以掌握土木工程C
2、AD的基本概念、基本操作方法和基本技能为重点。学完本课程应达到以下基本要求: 1. 了解计算机辅助设计技术(CAD)产生的历史原因和发展状况,了解CAD技术在土木工程实践中的应用范围和应用领域。 2. 初步掌握土木工程CAD计算机硬件系统和软件系统的工作原理和组成,初步掌握通用CAD系统和专业CAD系统的运行环境和特点,对与土木工程专业相关的各类CAD软件有初步的认识。 3. 熟练掌握计算机辅助绘图软件AutoCAD二维绘图的各项主要功能和基本操作方法,能使用该软件绘制出符合国家标准的土木工程图纸。 4. 初步掌握AutoCAD三维绘图的基本命令和操作过程,能绘出简单的三维图形。 5. 了解建
3、筑工程系列软件PKPM各模块主要功能特点和应用范围,初步掌握PMCAD、PK、TAT、SATWE等结构模块的计算分析与设计功能。,0.3 学习方法,课堂学习:认真听讲,注重领会 课下学习:上机实践,勤学多练 参考书目: 道路与桥梁工程计算机绘图 人民交通出版社 2004 网络资源: 1. http:/ 晓东CAD设计家园 2. http:/www.okok.org/ 中华钢结构论坛 软件配置: Win2000/WinXP + AutoCAD 2004/2005/2006 + PKPM + ,0.4 教学内容,上课时间48学时,B-403,B-401。1-16周 第 1 章 CAD概论 1学时
4、第 2 章 CAD在土木工程中的应用 1 学时 第 3 章 AutoCAD入门 6学时 第 4 章 AutoCAD二维绘图 8学时 第 5 章 AutoCAD二维绘图高级操作 8学时 第 6章 建筑工程与交通图的绘制 12学时 第 7章 道路施工图绘制 8学时 第 8章 AutoCAD三维绘图 4 学时 上机时间24学时,安排在学院机房。 教学邮箱: 口 令: jinjudong(本学期内有效,请共同维护),第1章 CAD概论,1.0 本章内容提要,1.1 CAD的基本概念 1.2 CAD的发展历程 1.3 CAD系统的组成 1.4 CAD硬件系统 1.5 CAD软件系统 1.6 CAD技术的
5、优点 1.7 CAD技术的应用 1.8 CAD与计算机绘图的关系,1.1 CAD的基本概念,CAD Computer Aided Design 计算机辅助设计 1. CAD是以计算机为工具、以人为主体的一种设计方法和技术; 2. CAD技术是把计算机的快速、准确、直观与设计者的逻辑思维、综合分析能力及设计经验结合起来融为一体的高科技产物; 3. 应用CAD技术能够显著提高设计质量,缩短设计周期,降低产品成本,并有助于产品数据的高效管理。 CAD系统所应具备的主要功能: 1. 几何造型和图形处理; 2. 工程计算和对设计对象的模拟、检验以及优化等; 3. 计算机绘图与文档编辑; 4. 工程信息的
6、合理输出与存储; 5. 人工智能。 其他计算机辅助手段和方法 1. 计算机辅助制造: CAM Computer Aided Manufacture 2. 计算机辅助教育: CAE Computer Aided Education,1.2 CAD的发展历程,准备和诞生期 (20世纪40年代50年代) 1946年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生于美国 CAD发展的物质基础 20世纪50年代MIT研制了世界上第一台用APT语言编程的数控铣床; 50年代美国Gerber公司生产了世界上第一台平台式绘图仪,但不能人机交互; 50年代MIT完成了把CRT显示和光笔技术应用于计算机图形输入/输出和命令指
7、示上,为人机交互提供了极大的可能。 蓬勃发展期 (20世纪60年代70年代) 1962年,MIT的I.E.Sutherland开始对人机交互系统进行研究,并发表博士论文Sketchpad:一个人机通信的图形系统,首次提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想 CAD发展的理论基础 60年代中后期,专用CAD系统开始问世,CAD首次应用于汽车工业(美国通用汽车); 70年代起,CAD技术开始应用于其他行业,大量通用及专用CAD系统相继面世。 广泛应用和日趋成熟期(20世纪80年代今) 20世纪80年代后,CAD技术更加广泛、深入地应用于机械、电子、建筑、土木、汽车、航空航天、化工
8、、医学等各个行业,为提高生产力和推动社会进步发挥了巨大作用。,1.3 CAD系统的组成,CAD系统包括硬件系统和软件系统两大组成部分:,CAD系统,硬件系统,软件系统,主机,外部设备,系统软件,应用软件,支撑软件,1.4 CAD硬件系统,CAD硬件系统:是一个能进行图形操作的具有高性能计算和交互设计能力的计算机系统。 组成:包括主机和外部设备两大部分。 主机:CPU + 内存 + 硬盘 + 显卡 + 网卡 + 外部设备: 1. 输入设备: 键盘 + 鼠标 + 扫描仪 + 手写板 + 数码相机 + 2. 输出设备: 显示器 + 打印机 + 绘图仪 + 投影仪 + 目前的微机配置已基本可满足CAD
9、运行的要求,以运行AutoCAD 2004为例,推荐的主机配置至少应达到: PIII以上CPU + 256MB内存 + 1024768显示分辨率,1.5 CAD软件系统,软件是计算机运行所需程序和数据的总和。CAD系统的软件按功能可分为三个层次,即系统软件、支撑软件和应用软件。,通 讯 接 口,网 络,输入 输出 设备,用 户 接 口,统,系统 软件,应用软件,支撑软件,系统软件:保证计算机正常工作的最基本的软件。 操作系统、汇编系统、监督系统和诊断系统等; 常用系统软件:Windows、UNIX、OS/2等。 支撑软件:用来进一步开发的工具。 高级语言环境:如C、C+、VC、VB等; 数据库
10、管理系统:如DBASE、Access等; 标准图形系统:如CORE、GKS、PHIGS、OpenGL等。 应用软件:针对某种用途的特殊软件。 通用CAD软件:可应用于多个行业的应用软件,如AutoCAD、3D MAX、ANSYS等; 专用CAD软件:针对一个行业或专业的应用软件,如天正建筑、PKPM、TBSA、广厦CAD、Midas/Civil等。,1.5 CAD软件系统(续),1.6 CAD技术的优点,与传统设计相比,CAD技术的优点主要表现在: 1. 减少绘图劳动量和直接设计费用; 2. 缩短设计周期,提高计算精度和设计效率; 3. 易于修改设计,建立标准图及标准设计库。 对CAD技术的正
11、确认识 1. 尽管CAD功能十分强大,但它并没有自我更新能力,没有创造性,必须由人控制它如何工作,设计过程中仍然离不开人的主观判断和决策,计算机仍然不能替代人的主观能动作用。 2. 完全实现计算机的“人工智能化”尚待计算机科学的进一步发展。,1.7 CAD技术的应用,工程设计: 1. 建筑设计,包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计、平面布景、建筑构造设计、小区规划等。 2. 结构设计,包括有限元分析、结构平面设计、框架结构计算和分析、高层建筑结构分析与设计、地基及基础设计、钢结构设计等。 3. 设备设计,包括水、电、暖各种设备及管道设计。 4. 城市规划、城市交通设计,如城市道路、高架、轻轨
12、、地铁等各类市政工程设计。 5. 市政管线设计,如自来水、污水排放、煤气、电力、暖气、通讯等各类市政管道线路设计。 6. 交通工程设计,如公路、桥梁、铁路、航空、机场、港口、码头等。 7. 水利工程设计,如大坝、水渠、河海工程等。 8. 其它工程设计与管理,如房地产开发及物业管理、工程概预算、施工过程控制与管理、旅游景点设计与布置、智能大厦设计等。,1.7 CAD技术的应用(续),制造业: CAD技术已在制造业中广泛应用,其中以机床、汽车、飞机、船舶等行业应用最为广泛深入。CAD系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统之内。 电子和电路设计: CAD技术最早用于电路原理
13、图和布线图的设计工作。目前,CAD技术已扩展到印刷线路板的设计,以及集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的设计,并推动了微电子技术和计算机技术的发展。 仿真模拟和动画制作: 应用CAD技术可以真实的模拟机械零件的加工处理过程、飞机降落、物体受损坏分析、飞机训练环境、作战仿真系统、事故现场重现等现象。CAD技术还日益广泛应用于动画片和电影制作。 其它领域: CAD技术在轻工、纺织、家电、服装、医疗、体育方面均得到广泛的应用。,1.8 CAD与计算机绘图的关系,CAD 计算机绘图 计算机绘图是CAD的重要组成部分 计算机绘图包括:图形信息的输入、输出;图形的生成、变换;图形之间的运算;人机交
14、互作图等主要功能。 计算机绘图还是其他应用领域的重要组成部分,其典型应用领域有: 1. 办公自动化系统中的图形图表制作; 2. 管理工作中的图形,如工作规划图、生产进度图、统计图等; 3. 勘测图形,如气象卫星云图、水文资料图、环境污染监测图等; 4. 数值信息图形可视化,如应力场分布、应变分布、温度场分布等,可用“彩色云图”表示,是有限元软件后处理功能的重要组成部分; 5. 商业广告及影视动画制作; 6. 计算机辅助教学和仿真模拟; 7. 计算机辅助设计中的图形生成和图形输出。 土木工程CAD 结构分析 + 构件设计 + 绘制结构施工图,第2章 CAD在土木 工程中的应用,2.0 本章内容提
15、要,2.1 应用CAD技术的必要性 2.2 土木工程CAD系统结构 2.3 土木工程CAD系统类型 2.4 CAD在结构设计中的应用 2.5 CAD在建筑、设备设计中的应用 2.6 土木工程常用CAD软件简介,2.1 应用CAD技术的必要性,传统设计方法的一般过程: 1. 人工查阅资料; 2. 手工计算、手工绘图。 传统设计方法的缺点: 1. 耗费大量人力和资源; 2. 设计周期长、计算精度差、难以准确完成高度复杂结构的计算。 当前对土木工程设计的要求: 1. 建筑形式日趋复杂、建筑规模日益扩大; 2. 结构计算和结构设计日益困难; 3. 设计周期大大缩短,各种设计因素要求尽量细化。 因此,必
16、须将CAD技术引入到土木工程设计之中。,2.2 土木工程CAD系统结构,CAD系统的结构是指系统的总体构造,反映了CAD系统的目标功能和使用功能两个方面。 1. 目标功能:指系统能完成预定设计任务的功能。 包括建立模型、分析设计、构形、绘图,并能把设计过程中得到的各种有用信息(数据、图形)以合适的形式保存和输出。 2. 使用功能:指围绕着完成设计任务的过程,系统提供的各种方法和手段。 包括图形交互输入原始信息的功能,允许用户在程序运行过程中进行人工干预的功能,自动进行构造设计和成图的功能,具有中文提示和人机对话的友好界面等。 根据目标功能的不同,CAD系统可被设计成具有不同使用功能的类型: 1
17、. 如对设计规律性很强且量大面广的结构,CAD系统可被设计成非交互式系统,即设计过程可基本自动完成。 2. 而对那些随意性较大且设计规律不强的结构,CAD系统应被设计成以交互式为主。,2.3 土木工程CAD系统类型,非交互式CAD系统 1. 对于结构形式在工程上应用量大、面广、设计规律性很强的结构,它们的CAD系统可被设计成非交互式。 2. 非交互式CAD系统的特点是:规模小、使用简单、操作方便,同时其目标功能通常也比较单一。 例如:钢筋混凝土框架结构CAD系统、连续梁CAD系统、柱下独立基础CAD系统、单层厂房排架CAD系统、楼板CAD系统等。 3. 非交互式CAD系统中从结构计算,到构造设
18、计和图形生成全部由软件完成,人的负担较轻,效率高,认为因素造成的设计错误较少;但由于功能单一,只适宜于软件预设的某一类结构的设计。 4. 专门结构的非交互式CAD系统模块图如下:,数 据 前处理,原 始 数 据,结 构 计 算,构 造 设 计,图 形 生 成,图形 编辑 输出,2.3 土木工程CAD系统类型(续),交互式CAD系统 1. 适合于图形变化较大、设计规律性不强的一类结构设计,如结构的平面布置和空间布置等。 2. 交互式CAD系统的特点是:CAD系统灵活性大、适用面广,且容易体现设计者的意愿;同时设计效率较低,人脑负担较重,人为的错误较易发生。 3. 交互式CAD系统模块图如下:,构
19、 造 设 计 结 果,人机交互,2.3 土木工程CAD系统类型(续),半交互式CAD系统 1. 自动化程序较交互式CAD系统高,构造设计需人机交互,而施工图可由软件自动生成。 2. 半交互式CAD系统模块图如下:,构 造 设 计 结 果,2.3 土木工程CAD系统类型(续),综合化CAD系统 1. 前述三种CAD系统一般只能完成某一种类型的结构设计,或者只能完成一个工程结构中部分结构构件的设计,即其目标功能较为单一。 2. 若将若干个结构CAD系统组合起来,就能完成一个工程的全部或大部分结构设计工作,这种系统即称作综合化CAD系统。 例如:将楼板CAD、连续梁CAD、框架CAD、基础CAD组合
20、起来,即可完成多层框架结构的大部分设计任务。,楼 板 CAD,连续梁 CAD,框 架 CAD,基 础 CAD,2.3 土木工程CAD系统类型(续),综合化CAD系统(续) 3. 综合化CAD系统的特点是:各子系统相对独立,但共用同一图形系统;每个子系统都有其自身的一套力学分析程序,都需要各自的输入信息文件,也输出各自的设计中间文件和最终文件;每个子系统可脱离总系统而单独运行,仅仅只需要用户按子系统的要求提供比较简单的原始数据文件。 4. 综合化CAD系统的缺点:各子系统间数据传递的中间文件很多,且文件之间有大量重复信息,占用较多空间。各子系统均有力学分析程序,必然造成浪费。 5. 上例为结构设
21、计方面的综合CAD系统,还有一种更大的综合CAD系统,就是各专业CAD综合系统,可将建筑、结构、给排水、电气、暖通、概预算、工程勘查等全部综合在一起。各专业CAD系统之间通过接口文件或接口程序来协调。 集成化CAD系统 1. 针对综合化子系统的缺点,例如各种结构均要用到的有限元分析,可进行整合归并为一个单一的计算核心,从而形成更为高级的理想的集成化CAD系统。 2. 集成化CAD系统将各专业、各种结构、构件之间的设计过程协调综合考虑,因此其产品的总体设计水平将大大提高,设计效益必将大幅度改善。,2.4 CAD在结构设计中的应用,结构设计: 1. 结构分析与设计软件是土木工程中开发最早、应用最广
22、的一大类CAD软件。 2. 其特点是:以微机为主要开发机型;符合我国现行规范的要求和设计习惯;能与人们所熟悉的计算机程序有机结合;自动化程度高,操作简便;有一定的人机交互功能,可适应不同层次的人员使用。 3. 各种结构类CAD软件的核心均为一套功能或强或弱的力学分析程序,目前各种流行的力学分析程序基本上都是采用有限单元法(FEM)的原理编制的。因此,用于结构分析的各种FEM软件也属于结构CAD软件的范畴。 4. 国内流行的主要结构CAD软件(含桥梁): PKPM系列软件的各个结构模块:如PK、PM、TAT、SATWE、JCCAD等; 北京金土木公司: SAP2000、ETABS、SAFE; 韩
23、国浦项集团:Midas/Civil、Midas/Gen; FEM软件:ANSYS、NASTRAN、ABQUS; 桥梁设计软件:桥梁博士、GQJS、BSAS等。,2.5 CAD在建筑、设备设计中的应用,建筑与规划设计: 1. 目前国内的建筑与规划设计CAD软件大多是以AutoCAD为图形支撑平台作二次开发的系统。这些软件一般能进行建筑的造型设计,从二维的平、立、剖面图到三维的透视图以及建筑渲染效果图均可生成。 2. 国内主要建筑设计软件: 天正建筑、中望CAD、APM、ABD、理正建筑、清华建筑Arch2006等。 3. 建筑专业常用知名设计软件:3Dmax、3DViz、Photoshop等。
24、给排水设计: 国内主要的给排水设计软件: WPM、GPS、天正给排水等。 暖通设计: 国内主要的暖通设计软件: HPM、CPM、HAVC等。 建筑电气设计: 国内主要的建筑电气设计软件: EPM、TELEC、理正电气等。,2.6 土木工程常用CAD软件简介,AutoCAD: 全球应用最为广泛的通用CAD软件 天正建筑: 基于AutoCAD平台开发的全中文建筑设计软件 PKPM :国内设计行业占有率最高的建筑工程CAD集成系统 SAP2000 :通用结构分析与设计软件的常青树 MIDAS/Civil:“韩国制造”的土木结构分析和优化系统,2.6.1 AutoCAD 全球应用最广的通用CAD软件,
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