信息技术在土木工程中的应用

1　概　述

1.1　计算机辅助设计简述

1.1.1　计算机辅助设计的基本概念

CAD（Computer　Aided　Design）的含义是计算机辅助设计。早期的CAD是英文Computer　Aided　Drafting（计算机辅助绘图）的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计。当前的计算机辅助设计是指用计算机进行计算（分析）、设计、绘图、技术信息管理以及其他相关内容的广义CAD系统。一个完善的CAD系统，应包括交互式图形程序库、工程数据库和应用数据库。对于产品或工程的设计，借助CAD技术，可以大大缩短设计的周期，提高设计效率。

真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。二维工程图设计只是产品设计中的一小部分，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。

目前，与计算机辅助设计CAD相类似的简称较多，主要的有：

CAE（Computer　Aided　Engineering）——计算机辅助工程，该术语主要应用于使用户能够对计算机完成的设计进行工程测试和分析。在某些情况下，通常属于CAE应用的逻辑测试等功能也是CAD程序的一部分。因此，CAD和CAE之间的区别并不是很严格。CAE方面使用最广泛的是有限元分析系统，有限元分析的解不是精确解（杆系有限元除外），而是近似解，由于大多数实际问题难以得到精确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

CAM（Computer　Aided　Manufacture）——计算机辅助制造，是指应用计算机来进行产品制造的统称。有广义CAM和狭义CAM之分。广义CAM是指利用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造过程，其中包括直接制造过程和间接制造过程。狭义CAM是指制造过程中某个环节应用计算机，在计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）中，通常是指计算机辅助机械加工（Computer　Aided　Machining），更明确地说，是指数控加工，它的输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。

CAPP（Computer　Aided　Process　Planning）——计算机辅助工艺过程设计，也叫计算机辅助工艺过程规划，是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和加工工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动生成输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。简言之，CAPP就是利用计算机来制定零件的加工工艺过程的系统。

PDM（Product　Data　Management）——产品数据管理，PDM是一门用来管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和所有与产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术。

CAD是CAE、CAM、CAPP、PDM的基础。在CAE中无论是单个零件，还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计；而PDM则更需要CAD表示产品装配后的关系及所有零件的明细（材料、件数、重量等）。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE、CAM、CAPP、PDM中有所反映。所以，如果CAD开展得不好，CAE、CAM、CAPP、PDM就很难做好。

1.1.2　计算机辅助设计的发展历史

CAD技术起步于20世纪50年代后期，最初是二维计算机绘图技术。现在二维绘图在土木工程CAD中仍占相当大的比重。进入20世纪70年代，为适应飞机、汽车工业的飞速发展，出现了以表面模型为特点、自由曲面建模方法为基础的三维曲面造型系统CATIA，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，被称为第一次CAD技术革命。

20世纪70年代末、80年代初，实体造型技术得到普及，这标志着CAD发展史上的第二次技术革命。实体造型技术不但能表达形体的表面信息，还能准确地表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等等，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了很大的方便，它代表着未来CAD技术的发展方向。实体造型技术带来了算法的改进和未来发展的希望，但也带来了数据计算量的极度膨胀，普及面不广。

前面提到的造型技术属于无约束自由造型，进入20世纪80年代中期，一种更好的算法——参数化实体造型方法的提出标志着第三次CAD技术革命。其主要特点是基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。

随着研究的不断深入，参数化技术的许多不足被发现，首先“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束要求设计者在设计初期及全过程中必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸（参数）为出发点。一旦所设计的对象形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；而且如果在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。

基于上述原因，研究者以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术——变量化技术。已知全参数的方程组，去顺序求解比较容易，但在欠约束的情况下，方程联立求解的数学处理和在软件实现上的难度很大，变量化的思路是按下列步骤实现：用主模型技术统一数据表达，变量化勾画草图，变量化截面整形，变量化方程，变量化曲面，变量化三维特征，变量化装配。变量化技术既保持了参数化技术的优点，又克服了它的许多不足，标志着第四次CAD技术革命。

CAD技术基础理论的每一次重大进展都带动了CAD/CAM/CAE整体技术的不断提高，而且CAD技术将一直处于不断地发展和探索之中。

1.2　CAD系统的组成

CAD系统由硬件系统和软件（程序）系统组成。软件是CAD系统的核心，相应的硬件设备为软件的正常运行提供基础保障和运行环境。硬件系统由计算机、常用外围设备以及各种图形输入输出设备组成，软件系统包括完成设计任务所需的全体计算机软件资源。

1.2.1　CAD硬件系统

硬件系统由计算机、存储设备、显示设备、人机交互设备和输出设备等组成，是实现系统各项功能的物质基础。

1）按工作方法及功能分类

CAD系统按照工作方法及功能可分为四类：检索型、交互型、自动型和智能型。

检索型系统主要用于已经实现标准化、系列化、模块化的工程和产品结构。这些产品或工程的图样、有关程序均已存储在计算机内。在设计过程中，用户只需按照要求给出不同的参数和设计数据，自动运行程序即可生成符合要求的电子图样；或在原有相似图形的基础上，按用户的技术要求及规范检索出需要的零部件图，再在CAD软件系统中完成产品或工程图的修改，并对产品的性能进行校核，在满足设计人员要求的前提下，输出所需要的各种技术文件和图样。

交互型系统是指具有人机对话功能的系统，它的作业过程要求人的直接参与，以人机对话的方式来进行工作，所以这种作业仍是以人为中心，适于设计目标难以用目标函数来定量描述的设计问题。

自动型系统是指不具有人机对话或很少有人机对话功能的系统。在作业过程中无需人的参与或只要很少的人参与，计算机会根据用户编制的程序自动完成各设计步骤，直至获得最优解为止。所以这种以计算机为中心的系统，适合于设计目标能用明确的目标函数来定量描述的问题。

智能型系统主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统和人机接口等组成，还包括各种先进技术的综合运用。当使用这样的系统时，用户只需输入设计对象的概念、用途、性能等信息，利用系统提供的推理、决策、计算和电子数据处理等各种机制，即可完成产品或工程的详细设计。

2）按硬件组成分类

按照CAD系统中采用的计算机类型、外围设备以及它们之间的联系方式可分为独立式和分布式。

独立式CAD系统按照所用计算机的不同可分为四类：主机系统、工作站系统、微机系统和基于网络的单台微机系统。主机系统也称集中式，以一台大中型计算机为主机，支持多个终端运行。工作站包括工程工作站和图形工作站，是为满足用户在工程和图形处理上的专业需求和克服原有大中型计算机由于其系统庞大，不能适应工程和图形处理中灵活多变的特点而研制的专用计算机。

分布式CAD系统也称网络系统，它利用计算机技术及通讯技术将分布于各处的计算机以网络形式连接起来。网络上各个结点可以是普通微机，也可以是工作站等。网络上结点分布形式可以是星型分布、树型分布，也可以是环型分布、总线型分布。

1.2.2　CAD软件系统

根据系统中执行的任务及服务对象的不同，可将软件系统分为三个层次：系统软件、支撑软件、应用软件。

1）系统软件

系统软件是指使用、管理、控制计算机运行的操作系统及语言处理程序等的集合，是用户与计算机硬件的连接纽带。其功能是为用户使用计算机提供一个清晰、简捷、易于使用的友好界面，尽可能使计算系统中的各种资源得到充分而合理的应用。

系统软件的特点是通用性、基础性。通用性：不同领域的用户都可以并且需要使用它，即多机通用和多用户通用；基础性：系统软件是支撑软件和应用软件的基础。

系统软件由操作系统、编译系统、图形接口及接口标准组成。其中，操作系统是系统软件的核心，主要功能是处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理。编译系统的作用是将用高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器命令。有了编译系统，用户就可以用接近人类自然语言和数学语言的方式编写程序了，而翻译成机器指令的工作则由编译系统完成。

2）支撑软件

支撑软件是在系统软件基础上开发出来的、满足CAD用户一些需要的通用软件或工具软件，是CAD系统的核心。

CAD支撑软件主要包括以下内容：

几何建模软件：提供一个完整、准确地描述和显示三维几何造型的方法和工具。具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。

计算机辅助工程软件：集几何建模、三维绘图、有限元分析、产品装配、公差分析、机构运动学、NC自动编程等功能分析系统为一体的集成软件系统。由数据库进行统一的数据管理，使各分系统全关联，支持并行工程并提供产品数据管理功能，信息描述完整，协助用户完成大部分工作。

绘图软件：具有基本图形元素（点、线、圆等）绘制、图形变换（缩放、平移、旋转等）、编辑（增、删、改等）、存储、显示控制以及人机交互、输入/输出设计驱动等功能，例如AutoCAD软件。

数据库系统软件：能够支持各子系统中的数据传递与共享，其中工程数据库是CAD/CAM系统和CIMS系统中的重要组成部分。例如INGRES、PB、ORACLE、SYBASE、FOXPRO等关系型数据库管理系统。

有限元分析软件：可以进行静态、动态、热特性分析，通常包括前置处理、计算分析及后置处理三部分。例如ANSYS、SAP、NASTRAN等有限元分析软件。

优化方法软件：将优化技术用于工程设计，综合多种优化计算方法，为选择最优方案、取得最优解、求解数学模型提供强有力的数学工具软件。

系统运动学/动力学模拟仿真软件：在产品设计时，实时、并行地模拟产品生产或各部分进行的全过程，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。

3）应用软件

应用软件是用户为解决实际问题而自行开发或委托开发的程序系统。它是在系统软件的基础上，用高级语言编程或基于某种支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一个用户使用，也可为多个用户使用的软件。

1.3　计算机图形学简述

计算机图形学的研究内容是如何用计算机生成、处理和显示图形。严格地说，计算机图形学是研究几何对象及其图像的生成、存储、处理和操纵的一门学科。此处所讲的几何对象是计算机内所表示的客观世界物体的模型，图像是经过模型化的对象在计算机显示设备或其他输出设备上的效果，生成、存储和操纵是利用计算机实现客观世界、对象模型和输出图像这三者之间映射的一系列操作和处理过程。

1.3.1　计算机图形学的有关概念

1）图形定义

现实世界中能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象均称为图形。图形包括人眼所观察到的自然界物体和景物；用照相机、摄像机等装置获得的图片；用绘图工具绘制的工程图纸、各种人工美术绘画和用数学方法描述的图形等等。抽象地说，图形是科学研究中对客观对象的一种抽象表示，它带有形状和颜色信息。由此定义可得到图形的两个信息构成要素：形状是刻画图形形状构成的点、线、面和体等的几何要素信息；颜色是反映物体表面属性或材质的灰度、色泽等性质的非几何要素。

计算机图形学中的图形是采用数学的表示方法、能在计算机内表示和存储、并在图形输出设备上显示的对象。它与数学学科中的图形的区别是：数学学科中的图形是采用几何和代数方程或分析表达式等抽象方法所确定的图形；而计算机图形学中的图形除了数学方法所描述的形状等几何信息外，还包括颜色、材质等非几何信息，它比数学学科中的图形更具体，更接近它所表示的客观对象。

2）图形形式

在计算机图形学中，图形和图像的主要区别是：图形主要是用矢量表示的，图像则是由点阵表示的，它们分别存储成两种文件——矢量文件和点阵文件。矢量文件是一种存储生成图形所需坐标、形状、颜色等几何和非几何数据的集合，这些数据反映图的内在联系；点阵文件只是存储图的各个像素点的颜色值，它从外表上反映图。点阵和矢量又可以相互转化，矢量文件经过扫描转换可在光栅显示器上产生点阵图像；图像经过识别和处理可以转化为矢量表示的图形形式。

过去，人们认为图形是几何上使用的、可以用数学方程描述的平面图，而图像是指实际拍摄、卫星遥感获得的或印刷出来的画面，图形处理则是利用计算机将这些数据转换为图形（数字化）而显示出来。实际上，目前利用计算机完全能够在光栅显示器上产生高度逼真的彩色图形，与实际拍摄的图片几乎没有差别，因此，图形的含义也应包括图像、画面和景物等，可以这样说，凡是通过计算机处理、生成、显示和输出的，我们都称之为“图形”。

图形和图像之间的界限有时是模糊不清的，例如：图形扫描仪和图像扫描仪实际上指的是同一种设备；图形文件格式和图像文件格式讨论的内容也无实质区别，而且可在同一环境中同时处理图形和图像；动画画面中究竟是图形还是图像是无关紧要的。

3）点阵图形

点阵图通过枚举出图形构成中的点（像素点）排列成矩形形式（点阵图）来表示图形（电视图像形态，提供一种近似“真实”的表示）。它强调图形由哪些点构成，这些点有什么样的颜色。通常用整数元素（图像元素或像素）的位置矩阵来表示（大多数应用中矩阵非常大），颜色用彩色表（矩阵）来表示，每个元素的不同值对应于不同的颜色。

真实感强的点阵图如同照片一样，因为这种图形直观地、有效地表示了其中的内容。它可以用数字相机或图形扫描仪获得，也可以用图形软件生成。由于许多硬拷贝设备（如激光打印机、喷墨绘图仪等）多是以许多小圆点打印图像，所以点阵图特别适合这些设备的输出。

但点阵图需要大量的存储空间，虽然一幅简单的黑白点阵图仅需几十字节或更少一些，但是一幅复杂的彩色扫描图则需要消耗几兆、几十兆字节的计算机存储空间。另外，对点阵图进行编辑、修改相对要更困难一些：点阵图中各物体的描述是混在一起的，对不同物体的操作存在麻烦，不可能将某一个物体的所有像素都置为零，这样会同时消除重叠的其他物体。这个问题的解决方法就是引入存储器分块，并且在每个分开的块上显示各自独立的物体。此外，点阵图的放大操作会使图形失真。

常用的点阵图形文件格式有：

◆基于PC绘图程序的PCX格式。

◆用于在台式排版类应用以及其他应用之间进行数据交换的TIFF格式。

◆用于在网上进行图形在线传输的GIF格式。

◆用于WWW网络上传输图像数据的PNG格式。

◆用于显示或保存Windows系统下图像的DIB/BMP格式。

◆用于保存或显示照片类图像的JPEG格式。

◆用于保存视频/音频序列的AVI文件，等等。

（4）矢量图形

矢量图不是用大量的单个点来建立图形，而是用数学方程、数学形式对图形进行描述。通常是用图形的形状参数和属性参数来表示图形。形状参数指的是描述图形的方程或分析表达式的系数、线段或多边形的端点坐标等，属性参数则包括颜色、线型等。矢量图的关键是如何用算法及数学公式进行描述，并且如何将之在图形显示设备上显示出来。

与点阵图相比，矢量图有三个主要优点：一是矢量图图形文件所占的空间比点阵图少得多；二是矢量图中的各物体是独立的（以点、线、面和体为基本构成元素，所以也称这种图形表示为面向对象图形表示），所以编辑修改也比较方便；三是矢量图形的输出与实际显示的分辨率无关，因而图形的放大不会失真（丢失细节）。

矢量图的缺点是看起来比较抽象，图形构造比较麻烦，有些特殊效果处理比较困难，同时矢量的输出必须采用矢量式输出设备，不能直接使用打印机打印。要想以光栅图形显示时则需要进行某种变换（称为“扫描转换”），将矢量表示转换成点阵表示。

常用的矢量图形文件格式有：

◆用于交换CAD绘图数据的DXF文件。

◆用于打印机输出及对象存储和交换的PostScript　EPS格式。

◆用于控制笔式绘图仪以及激光打印机的HPGL格式。

◆用于在Windows系统下保存和交换图像的WMF格式。

◆用于保存WordPerfect软件中图像图形的WPG格式，用于UNIX图像绘制程序的通用格式UnixPlot。

◆用于保存运动图像系列的MPEG格式。

◆用于WWW网络上传输多媒体数据的RIFF、SGML文件和ODA文件等多媒体文件格式。

◆NASA的CDF格式和NCSA的HDF格式等可视化文件格式。

5）图形输入技术

图形输入技术主要研究如何让用户自然流畅地将表示对象的图形输入到计算机中，并实现用户对物体及其图像的内容、结构及其呈现形式的控制。该技术的核心是人机接口，尤其是图形用户界面技术，以WIMP（Window、Icon、Menu和Point）为特征及压力反馈（如触摸屏）式的图形用户界面是目前最普遍的用户图形输入方式，手绘草图/笔迹输入、多通道用户界面和基于图像的绘制正成为图形输入的新方式。

6）图形建模技术

图形建模技术主要研究在计算内如何表示和存储图形，即对象建模技术。线架、曲面、实体和特征等造型是目前计算机图形系统中最常用的技术，但这些技术主要用于可以用欧氏几何方法来描述的形状的建模，对于诸如山、水、草、树、云、烟等不规则对象，其造型需要非流形造型、分形造型、纹理映射、粒子系统和基于物理造型等技术。

7）图形处理和输出技术

图形处理和输出技术主要研究在显示设备上如何“逼真”地显示图形。包括图元扫描和填充等生成处理，图形变换、投影和裁剪等操作处理及线面消隐、光照等效果处理，尤其是真实感图形显示技术。同时，在计算机图形中也存在着图像处理的要求，其目的是改善图形显示质量，反走样便是最典型的计算机处理技术；对于采用手绘草图等输入方式，还需要草图的识别和理解技术。

8）图形应用技术

图形应用技术十分广泛，既包括计算机图形软件包的设计开发技术及图形标准的建立等，还包括计算机动画、计算机辅助设计与制造、计算机辅助工程、可视化和体现化技术、虚拟现实技术等大量用于多个领域的应用技术。

9）图形的类型及其转换

图形包括以下类型：

◆全灰度图像和彩色图像（点阵图）：是常见电视图像的格式，它提供一种近乎“真实”的表示。常用整数元素表示。

◆二值或“少色”图像（点阵图）：这些图像包含着颜色均匀、轮廓分明的区域。它能用每个元素1bit的矩阵表示，也能用映射图表示。

◆连续曲线和直线（矢量图）：该图形的数据是点的序列，且点之间的距离足够小。可用X－Y坐标、坐标增量和差分链码表示。

◆离散点或多边形（矢量图）：这类图形由离散的点集所构成，这些点相对分得较开，其表示必须根据点间距离的统计分析来选择（散乱点数据的拟合）。

上述四类图形间可以相互转换，主要的转换包括以下几类：

◆第一类变至第二类：这个过程称为分割，它确定一些颜色或亮度近似均匀的区域。要利用比较复杂的特性（如纹理）去寻找均匀性。

◆第二类变至第三类：一种可能的变换是轮廓跟踪，另一种是细化。轮廓跟踪中，区域映射为封闭的曲线；而在细化中，区域映射为区域的骨架图形。

◆第三类变至第四类：曲线的分割。这个过程是沿用图形的轮廓找出其临界点。

◆第四类变至第三类：包括插值处理和逼近处理。插值处理中，通过给定的点画出一条平滑的曲线；而在逼近处理中，所画出的平滑曲线应靠近这些点。

◆第三类变至第二类：如果输入是轮廓，就有填充问题，它通常表示为遮荫问题（一个区域的亮度和颜色不均匀而按照预定规律变化）；如果输入是骨架，那么区域就必须用扩展的方法来重建。

◆第二类变至第一类：少色图像的显示从审美观点来看是不好的，因为其轮廓很容易被人眼看出。利用低通滤波器或加上抖动噪声就能得到平滑一些的图像。

在第一或第二类内是滤波变换，它包括对比度增强、高频噪声滤波等；在第三或第四类内是坐标系统的改变，它包括旋转、平移等；在任何类内都可以用级数展开。傅立叶变换是其中最普遍的，它们通常用于数据压缩。

数据压缩通常是第一和第二类之间的转换；投影是用于表示从三维物体向二维视图变换的过程，或在特殊情况下把物体的二维截面变换为一维数值；反投影表示由其投影来重建一立方物体或它的横断面。

简略地说，由较低的类变换到较高的类与模式识别有关；而从较高的类变换到较低的类与图形显示有关。

1.3.2　计算机图形系统的组成

1）计算机图形系统的基本功能

计算机图形系统又称为交互式计算机图形系统，它具有计算、存储、对话、输入和输出等五个方面的功能。

计算功能：应包括形体设计、分析的方法程序库和有关部门描述现状的图形数据库。数据库中应有坐标集合变换、曲线与曲面生成、图形交点的计算以及性能检测等一系列计算功能。

存储功能：在计算机的内存、外存中要能存放图形数据，尤其是要存放图形数据之间的相互关系，可根据用户的要求实现有关信息的实时检索、图形的变更、增加和删除等处理。

对话功能：用户可以通过图形显示器直接进行人机通信。用户通过显示屏幕观察设计的结果和图形，用鼠标或键盘等输入装置对不满意的部分做出修改指示。除了图形对话功能外，还可以由系统追溯到以前的工作步骤，跟踪检索到出错的地方，还可以对用户操作执行的错误给予必要的提示和跟踪。

输入功能：可以把用户设计过程中图形的现状、尺寸等必要的参数和命令输入到计算机中。

输出功能：为了长期保存计算结果或对话需要的图形信息，需要有输出功能。基于对输出的结果有精度、形式和时间等要求，因此，输出设备是多种多样的。

2）计算机图形系统的组成

交互式计算机图形处理系统由图形软件与图形硬件两大部分组成。

图形软件分为图形数据模型、图形应用软件和图形支撑软件三部分。这三部分都处于计算机系统之内，是与外部的图形设备进行接口的三个主要部分，三者之间彼此相互联系，互相调用，互相支持，形成图形系统的整个软件部分。

图形数据模型亦称为图形对象描述模型，对应于一组图形数据文件，其中存放着将要生成的图形对象的全部描述信息。这些信息包括用于定义该物体的所有组成部分的形状和大小的几何信息、与图形相关的拓扑信息（位置和布局信息），用于说明与该物体图形显示相关的所有属性信息（如颜色、亮度、线型、纹理、填充图案和字符样式等），在实际应用中将涉及的非几何数据信息（如图形的标记与标识、标题说明、分类要求、统计数据等）。这些数据以图形文件的形式存放于计算机中，根据不同的系统硬件和结构，组成不同的数据结构，或者形成一种通用的或专用的数据集。它们正确地表达了物体的性质、结构和行为，构成了物体的模型。在计算机图形学中，根据这类信息的详细描述，生成对应的图形，并完成对这些图形的操作和处理。

图形支撑软件由一组公用的图形子程序组成，它扩展了系统中原有高级语言和操作系统的图形处理功能，可以将它们看作是原计算机的操作系统在图形处理功能上的扩展，或者是原计算机上的高级语言在图形处理语句功能上的扩展。通用标准图形支撑软件在操作系统上建立了面向图形输入、输出、生成、修改等功能的命令，系统调用和定义标准，对用户透明，与采用的图形设备无关，同时支持高级语言程序设计，有与高级语言的接口。采用图形软件标准，不仅降低了软件研制的难度和费用，也方便了应用软件在不同系统间的移植。

图形应用软件是解决某种应用问题的图形软件，是图形系统中的核心部分，它包括了各种图形生成和处理技术，是图形技术在各种不同应用中的抽象。图形应用软件与图形应用对象模型接口，并从中取得物体的几何模型和属性等，按照应用要求进行各种处理（剪切、消隐、变换和填充等），然后使用图形支撑软件所提供的各种功能，生成该对象的图形并在图形输出设备上输出。图形应用软件还与图形支撑软件接口，根据从图形输入设备经过图形支撑软件送来的命令、控制信号、参数和数据，完成命令分析、处理和交互式操作，构成或者修改被处理物体的模型，形成更新后的图形数据文件并保存。图形应用软件中还包括了若干辅助性操作，如性能模拟、分析计算、后处理、用户接口、系统维护、菜单提示及维护程序等，从而构成了一个功能完整的图形软件系统环境。

图形硬件包括图形计算机系统和图形外围设备两类。与一般计算机系统相比，图形计算机系统的硬件性能要求主机性能更高、速度更快、存储量更大、外设种类更齐全。目前，面向图形应用的计算机系统有微机、工作站、计算机网络和中小型计算机等。

微机采用开放式体系结构，具有体积小、价格低、用户界面友好等特点，是一种普及型的图形计算机系统。

工作站是20世纪80年代以来流行的机种，采用封闭式体系，不同的厂商采用的硬件和软件都不相同，不能互相兼容。工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统，不仅可以用于办公自动化、文字处理、文本编辑等，更主要的是可用于工程和产品的设计与绘图、工业模拟和艺术模拟。

中小型计算机是一类高级的、大规模的计算机工作环境，是大型信息系统建立的重要环境。这类平台具有强大的处理能力、集中控制和管理能力、海量数据存储能力、数据与信息的并行或者分布式处理能力。一般情况下，图形系统在这类平台上作为一种图形子系统来独立运行和工作，这个图形子系统与主机的关系可以是主从式的，也可以是分离式的，但都借助于大型主机的强大性能。

基于网络的图形系统是另一类计算机系统，它是将上述三类计算机系统以及其他的计算机环境，或者是其中某一类，通过某种互联技术彼此连接，按照某种通信协议进行相互间的传输、数据共享和数据处理而形成的多机工作环境。它可以将图形系统的应用扩展到更远、更宽的范围。不过，网络图形系统要考虑的关键问题是网络服务器的性能，图形数据的通信、传输和共享以及图形资源的利用问题。

计算机图形系统的外围设备除了大容量外存储器、通信控制器等常规设备外，还有图形输入和输出设备。图形输出设备可以分为图形显示器和图形硬拷贝设备两类，图形硬拷贝设备指图形打印机（点阵、喷墨、静电和激光打印机等）、绘图仪及图形复制设备等。图形输入设备种类繁多，在国际图形标准中，按照它们的逻辑功能可分为定位设备、选择设备、拾取设备等若干类。通常，一种物理设备往往兼具几种逻辑功能。在交互式图形系统中，图形的生成、修改、标注等人机交互操作都是由用户通过图形输入设备进行控制的。

1.4　土木工程中的CAD及相关技术

1.4.1　工程设计资质对CAD的要求

我国工程设计资质分级标准中，对不同级别的设计单位CAD技术应用有不同的要求。

甲级：有先进、齐全的技术装备，已达到国家建设行政主管部门规定的甲级设计单位技术装备及应用水平考核标准：施工图CAD出图率100%；可行性研究、方案设计的CAD技术应用达90%；方案优化（优选）的CAD技术应用达90%；文件和图档存储实行计算机管理；应用工程项目管理软件，逐步实现工程设计项目的计算机管理；有较完善的计算机网络管理。

乙级：有必要的技术装备，达到国家建设行政主管部门规定的乙级设计单位技术装备及应用水平考核标准：施工图CAD出图率100%；可行性研究、方案设计的CAD技术应用达80%；方案优化（优选）的CAD技术应用达80%；文件和图档存储实行计算机管理；能广泛应用计算机进行工程设计和设计管理；有较完善的计算机网络管理。

丙级：有必要的技术装备，达到以下指标：施工图CAD出图率50%；文件和图档实行计算机管理；能应用计算机进行工程设计和设计管理。

1.4.2　工程设计CAD技术应用

我国勘察设计行业在建设领域中率先应用计算机技术。工程设计自上世纪80年代后期开始推广CAD应用，目前全行业CAD出图率已达到95%以上，不仅彻底把工程设计人员从传统的设计计算和绘图中解放出来，可以把更多的时间和精力放在方案优化、改进和复核上，而且提高设计效率十几到几十倍，大大缩短了设计周期，提高了设计质量，经济效益十分显著。

土木工程勘察设计领域普遍使用国产软件，建筑结构、桥梁、隧道及岩土工程方面的CAD软件数量多、水平较高，可以满足一般设计要求。在遇到比较复杂的设计对象时，有时还需要用国外的分析软件（如ANSYS、SAP等）。我国工程设计CAD软件已基本覆盖了工程设计的各领域，从结构分析设计，到与其他专业配套（如建筑、设备、施工、概预算、规划等），一些CAD软件系统已基本实现了集成化，信息共享，减少了信息交流过程中的人为失误，提高了效率。另外，我国很多软件提供拥有自主版权的图形平台，使设计单位减少了对国外图形平台的依赖，减少购买国外软件的开销。

但是从总体上看，我国工程设计CAD软件的发展水平与发达国家相比，还有较大差距。软件开发人才不足，缺乏具有自主知识产权的关键、核心技术，没有建立起自己的具有自主知识产权的基础平台软件，系统支撑平台、开发工具、数据库等软件都以国外产品为主。

1.4.3　信息技术在土木工程中的应用

1）建筑信息模型BIM

建筑信息模型BIM（Building　Information　Modeling）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立。这些建筑模型的数据在建筑信息模型中的存在是以多种数字技术为依托，以数字信息模型作为各个建筑项目的基础，去进行各个相关工作。建筑工程与之相关的工作都可以从这个建筑信息模型中得到各自需要的信息，既可指导相应工作又能将相应工作的信息反馈到模型中。

BIM不是简单的数字信息集成，它还是一种数字信息的应用，可用于设计、建造、管理的数字化方法，这种方法支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率、大量减少风险。

在建筑工程整个生命周期中，BIM可以实现集成管理，因此这一模型既包括建筑物的信息模型，同时又包括建筑工程管理行为的模型。将建筑物的信息模型与建筑工程的管理行为模型进行完美的组合，在一定范围内，建筑信息模型可以模拟实际的建筑工程建设行为，例如：建筑物的日照、外部维护结构的传热状态等。

同时BIM可以四维模拟实际施工，以便在早期设计阶段就发现后期实际施工阶段可能出现的各种问题，提前处理，为后期活动打下坚固的基础。在后期施工时能作为施工的实际指导，也能作为可行性指导，以提供合理的施工方案及人员、材料使用的合理配置，从而在最大范围内实现资源合理运用。

BIM不只是设计绘图软件或者出图工具，它具备以下五个特点：

可视化：可视化即“所见所得”的形式，对于建筑行业来说，可视化的作用很大，例如普通的施工图纸，只是用线条表达的各个构件的信息，其实际构造形式需要相关人员自行想象。对于简单的对象，这种想象未尝不可，但现在的建筑形式各异，复杂造型不断推出，光靠想象不太现实。BIM提供了可视化的思路，将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前。目前建筑效果图是分包给专业的效果图制作团队进行识读设计制作出的线条式信息制作出来的，并不是通过构件的信息自动生成的，而BIM提到的可视化是一种能够与构件之间形成互动性和反馈性的可视，在BIM建筑信息模型中，由于整个过程都是可视化的，所以，可视化的结果不仅可以用于效果图的展示及报表的生成，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。

协调性：这是建筑业中的重点内容，无论是施工单位还是业主及设计单位，都在做协调及相互配合的工作。一旦项目的实施过程中遇到了问题，就要将相关人员组织起来开协调会，找出问题发生的原因，及解决办法，然后出变更，作相应的补救。这是事后的补救。在设计时，往往由于各专业设计师之间的沟通不到位，而出现各种专业之间的碰撞问题，例如暖通等专业中的管道在进行布置时，由于施工图纸是各自绘制在各自的施工图纸上的，真正施工过程中，可能在布置管线时正好在此处有结构设计的梁等构件在此妨碍着管线的布置，这就是施工中常遇到的碰撞问题，BIM建筑信息模型可在建筑物建造前期对各专业的碰撞问题进行协调，生成协调数据。当然BIM的协调作用也并不是只能解决各专业间的碰撞问题，它还可以解决例如：电梯井布置与其他设计布置及净空要求的协调，防火分区与其他设计布置的协调，地下排水布置与其他设计布置的协调等。

模拟性：BIM不仅能模拟设计出的建筑物模型，还可以进行模拟实验，例如：节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等；在招投标和施工阶段可以进行4D模拟（三维模型加时间），即根据施工的组织设计模拟实际施工，用以确定合理的施工方案来指导施工。同时还可以进行5D模拟（基于3D模型的造价控制），用于成本控制。后期运营阶段可以模拟日常紧急情况的处理方式的模拟，例如地震人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等。

优化性：事实上整个设计、施工、运营的过程就是一个不断优化的过程，当然优化和BIM也不存在实质性的必然联系，但在BIM的基础上可以做更好的优化、更好地做优化。优化受信息、复杂程度和时间的制约。没有准确的信息做不出合理的优化结果，BIM模型提供了建筑物的实际信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了建筑物变化以后的信息。复杂到一定程度，参与人员本身的能力无法掌握所有的信息，必须借助一定的科学技术和设备的帮助。现代建筑物的复杂程度大多超过参与人员本身的能力极限，BIM及与其配套的各种优化工具提供了对复杂项目进行优化的可能。目前基于BIM的优化可以做许多工作，如：项目方案优化——把项目设计和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时计算出来；这样业主对设计方案的选择就不会主要停留在对形状的评价上，而更多的可以使得业主知道哪种项目设计方案更有利于自身的需求。特殊项目的设计优化——例如裙楼、幕墙、屋顶、大空间到处可以看到异型设计，这些内容看起来占整个建筑的比例不大，但是占投资和工作量的比例和前者相比却往往要大得多，而且通常也是施工难度比较大和施工问题比较多的地方，对这些内容的设计施工方案进行优化，可以带来显著的工期和造价改进。

可出图性：BIM并不是为了出常规的建筑设计图纸，及一些构件加工的图纸，而是通过对建筑物进行了可视化展示、协调、模拟、优化以后，可以帮助业主出如下图纸：综合管线图（经过碰撞检查和设计修改，消除了相应错误以后）；综合结构留洞图（预埋套管图）；碰撞检查报告和建议改进方案。

BIM目前在国外很多国家已经有比较成熟的标准或者制度，当能够满足国内建筑市场的特色需求后，BIM将会给国内建筑业带来一次巨大变革。

（2）虚拟现实技术

仿真与虚拟现实技术广泛应用于航空、航天、航海、核能、军事、电力、生物、交通运输、决策管理等各个部门，在土木工程中的应用相对较晚。

在城市规划设计中应用仿真与虚拟现实技术，可以将城市的过去、现在和将来任意时间的情况展示在规划设计者、政府决策者、投资开发者和普通市民面前，有助于有关人员作出决策。虚拟现实技术为建筑师们设计和评价建筑提供了新的技术手段，它的三维可视性使其成为建筑师在CAD之后又一重要的辅助设计方法。运用虚拟现实技术，建筑师可以按现实世界中任何可能的方式直接与他设计的建筑对象进行交流，这样的过程将更有助于建筑师了解形体、空间、色彩、光照乃至声学效果并作出相应的评价，这将极大地丰富建筑师的设计方法，增强建筑设计创新的能力。我国有关单位已开发出了“虚拟建筑”设计软件，但应用还仅仅处于开始阶段。将虚拟现实技术应用到房地产销售中，借助虚拟漫游房地产销售工具，可带着购房者参观虚拟样板间，在电脑中的样板房中漫游，亲身感受居住空间，实时查询房间信息，实时进行家具布置，引导购房者合理使用物业；可以在几年后才能建成的虚拟小区中漫游，让购房者能身临其境地站在阳台上观看、感受小区建成后的优美环境。

3）数字城市

数字城市的概念最早来自美国前副总统戈尔提出的数字地球。据统计，人类生产、生活的信息有80%与地理空间位置有关。数字地球就是要把地球上的各种信息按地理坐标进行加工，构成完整的数字地球模型。从狭义上讲，数字区域主要是指利用地理空间的数字信息构筑一个平台，把一个城市、地区乃至一个国家的经济、社会信息加载上去，从而为政府和社会各方面提供服务。

“数字城市”是综合运用GIS（Geographic　Information　System）、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真，优化决策支持和可视化表现等强大功能。我国数字城市建设已经取得了初步成果，中国工程建设与建筑业信息网和中国住宅与房地产信息网已相继开通。全国已有120多个城市规划局建立了城市规划信息管理系统，100多个城市建立了综合或专业信息管理系统，几十个大城市建立了交通信息管理系统。

地理信息系统GIS是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中，在解释事件、预测结果、规划战略等方面具有实用价值。GIS是数字城市建设的核心技术。我国的GIS已经走过了近20年的历程。尤其在“九五”期间，发展国产GIS软件首次被列为国家科技攻关重点项目，并取得了突破性的进展，出现了一批技术水平高、有竞争实力的GIS软件，其市场份额越来越大。

信息技术的应用将使土木工程这个传统产业的发展产生革命性的变化。