高新技术在土木工程中的应用.ppt

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1、高新技术在土木工程中的应用1.1.计算机技术在土木工程中的计算机技术在土木工程中的应用应用2.2.仿真技术仿真技术3.3.现代结构试验现代结构试验技术技术4.4.结构安全监测与预警结构安全监测与预警技术技术5.5.虚拟现实技术在土木工程中的应用虚拟现实技术在土木工程中的应用1 计算机技术在土木工程中的应用 近几年来，随着计算机技术的迅猛发展，计算机、特别是微型计算机在我国取得了突飞猛进地发展，计算机在各行业中的应用水平也得到了很大程度的提高，计算机技术在行业中的应用将改变人们传统的工作方式，也将给土木工程工作者带来很多的机遇与挑战。随着计算机在土木工程中应用的普及，土木工程的设计、施工与管理，

2、特别是大型、复杂工程，都能在效率和精度方面得到很好的满足，在提高工程精准的基础上节约了大量人力、物力和时间。计算机技术在土木工程中的应用主要体现在两个方面，一方面是通用软件AUTOCAD的应用，另一方面是专用设计软件，如PKPM，MADIS、P3E等的应用，即计算机辅助设计和土木工程的力学表征及管理。1.1计算机辅助设计 计算机辅助设计主要指CAD技术，是运用计算机系统辅助一项设计的建立、修改、分析或优化的技术。通过多年的设计实践CAD技术以简单、快捷、存储方便等优点已在工程设计中承担着不可替代的重要作用，右图即计算机辅助设计图。1.2 力学分析可视化技术土木工程计算机辅助设计的同时，必须对结

3、构的受力进行计算，以校验所选用的结构形式、断面尺寸等是否满足工程需要。这就要求对工程结构的受力特征进行分析，用计算软件对结构构件等进行力学表征。中国力学学会计算力学专业委员会、中国图象图形学会可视化专业委员会及中国工程设计计算机应用协会于1995年4月召开了第一届科学计算和工程设计可视化学术交流会。自此，在我国土木工程力学表征可视化技术的研究和应用进入了一个新的发展阶段。推动可视化技术发展的动力来自应用。当前在土木工程领域出现了大量的可视化应用程序，如拱坝的建模和计算结果的图形表达、流场计算分析结果的处理、桥梁结构动力分析结果的可视化表达等等。现成的结构分析计算软件有：我国北京大学研制开发的S

4、AP84、大连理工大学研制开发的JIEFEX、国外的ANSYS、SAP2000、NASTRAN等等。1.3 计算机项目管理对于大型、复杂工程来说，传统上的项目管理无论在效率还是信息化施工方面，都已经无法满足工程的需求，一些项目管理软件，如P3E、BANT-BCWP等应运而生，为工程项目管理的信息化提供了精准性提供了必要的技术手段。与网络技术的结合网络化是计算机应用发展的大趋势。计算机网络可供网上用户共享软件和硬件资源，为用户提供一种完善和高效的使用环境。网络还可以改变一个部门的结构和管理模式，在完成一工程项目时，所有的设计人员及管理人员无需在同一区域，通过计算机网络把他们联系起来，组成一个“虚

5、拟群体”，能及时共享资源。这样也可使不同工种设计部门如建筑、结构、水电、暖通等工种对设计数据的进一步共享与交流。1.4 人工智能专家系统、机器学习是当前人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)研究中比较活跃、富有成果的一个领域。所谓专家系统(Expert System)就是一个特定领域问题求解的计算机程序，是一种使用人类专家知识来做出判断推理的计算机程序系统，它对特定专业领域内的问题能够提供具有专家水平的解答。专家系统已被广泛应用于各个需要由专家来做出判断推理解决问题的领域，专家系统技术也被应用于各种计算机智能系统中。程序的解题能力不仅取决于它所采用的形式化体系和推

6、理模式，而且取决于它所拥有的知识。也就是说：要使一个程序具有智能，必须向它提供大量有关问题领域的高质量的专门知识。学习是人类智能的主要标志和获得智慧的基本手段。到目前为止学习的机理还不清楚，所以什么是学习就没有统一的、严格的定义。机器学习是使计算机具有智能的根本途径。计算机若不会学习，就不能称为具有智能的。1.5 数据库系统的建立与完善建立与完善大型土木工程数据库、图形库系统，与网络技术结合，可以让土木工程工作者可以共享数据，避免重复输入带来的浪费和错误。统一化标准化是保证设计质量的重要手段，除了有好的操作系统和应用软件外，还必须建立起一个内容丰富的图形库，图形库应包括统制图标准，常用标准图，

7、符合规范的构造节点祥图等，这是一个量大面广的基础工作，而且应有不同层次的图形库，如国家级的、地区性的和单位自有的图形库。数据库技术与多媒体技术结合，开发多媒体数据库。采用多媒体数据库技术进行信息的存储和管理，可以对土木工程领域中大量的文档、设计方案、图纸等资料进行有效的管理。如用多媒体数据库存储城市地理信息、城市建设现状信息、城市交通和市政信息等，便于规划师进行统筹考虑、合理规划。多媒体数据库为土木工程提供了新型高效的信息工具，将会得到更广泛的应用。1.6 计算机模拟的试验系统 由于计算机硬件技术和软件技术的飞速发展，很多试验可以在计算机上模拟，如采用数值模拟方法预测建筑物表面的风压。建立模拟

8、试验系统有许多优点。比起实验室里做试验要简单、节省费用；对一些复杂的试验可起到指导作用，两者结果可相互校核；可以把不可见的东西可视化。例如美国国家宇航局Ames研究中心的分布式虚拟风洞，这一共享的分布式虚拟环境用来观察三维不稳定流场。两个人协同工作，每人可在一个环境中从不同视点和观察方向观察同一流场数据。相信随着各种新技术的普及，多媒体、可视化和虚拟现实技术，智能技术，CAD与MIS系统的结合，网络技术，协同工作环境都会适应普及与提高的需要而进入我们的研究与开发领域，进而成为工程设计、施工及科研的有效手段。1.7 信息化施工技术信息化施工是现代施工新技术，是降低整个工程造价及保证工程质量的前提

9、。信息化施工的基础是工程监测。主要包括建筑业管理、建筑设计、工程施工等一系列活动，利用信息系统的处理功能，以工程项目为中心，将政府行政管理、工程设计、工程施工过程（经营管理和技术管理）所发生的主要信息有序的、及时。信息化施工技术是在现场测量技术、计算机技术以及管理技术的基础上发展起来的，要进行信息化施工，应当具备一些条件：有满足检测需要的测量元件及仪器；可实时樯测；有相应的分析预测模型和方法；应用计算机。及时掌握可靠的信息是信息化施工中分析、预测的基础，科学技术的发展使现在的测量技术水平大大提高、计算机的广泛应用也可以对工程施工过程进行实时监测，并能够迅速处理有关数据，及时指导正在施工工程的监

10、测管理。一、信息化施工的基本方法理论解析方法这种方法利用现有的设计理论和设计方法进行工程结构设计时要采用许多设计参数，如进行深基坑开挖护坡结构设计时需采用土的侧压力系数等按照设计进行施工并进行监测，如果实测结果与设计结果有较大偏差，说明对于现结构，原来设计时昕采用的参数不一定正确，或其他影响因素在设计方法中未加考虑。“黑箱”方法这种方法不按照现有设计理论进行分析和计算，而是采用数理统计的方法，即避开研究对象自身机理和影响因素的复杂性，将这些复杂的、难以分析计算的因素投入“黑箱”，不管其物理意义如何，只是根据现场的反馈信息来推算研究对象的变形特性和安全性。二、信息化施工的管理过程 信息化施工的管

11、理过程可分为3个阶段(1)基于观测值的日常管理利用微机实时采集工程结构的变形、内力等数据，每天比较观测值和管理值，监测工程的安全性以及是否与管理值相差过大。(2)现状分析和对下阶段的预测利用观测结果推算设计参数，根据新的设计参数计算分析，判断现施工阶段工程结构的安全性，并预测以后施工阶段结构的变形及内力。(3)调整设计方案根据预测结果调整设计方案，必要时改变施工方案，重新进行设计。2 仿真技术计算机仿真就是在计算机上建立仿真模型，模仿实际系统的运动状态及其随时间变化的过程，通过对仿真试验过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能，使系

12、统性能和长期的动态特性能在极短的时间内由计算机得到全面的实现。利用计算机仿真技术可以解决许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题。土木工程中的各种结构模型试验实质就是建立实际的物理模型模仿各种结构体系，施加一定的荷载或在一定的环境作用下，根据结构的反应测得相关数据，推断出结构的实际性能，这也称为仿真。2.1 计算机仿真试验一、计算机仿真在结构试验中的优越性及其应用一、计算机仿真在结构试验中的优越性及其应用结构试验在结构工程各理论的诞生和发展过程中起着不可估量的作用。世界各国的结构设计规范都是以大量的试验数据为基础而建立起来的。对于体型特殊、受力体系复杂的结构物还需进行结构的模型试验来验证设计的可

13、行性。但是大型结构试验受到场地和设备的限制，只能进行缩尺、模型试验，此类试验有“失真”效应。若要研究某一物理参数对结构的影响以及制作多个类似构件反复进行试验，则往往需要耗费大量的人力和财力。而利用仿真试验可以完全模拟足尺结构进行试验，研究参数影响只需调整几个参数的输入。对于研究灾害对结构产生的破坏，长期荷载作用，徐变产生的影响及其高速荷载作用下结构的破坏过程，这是真实试验难以模拟的情况，方针结构试验更具有其独特的优势。因此，近年来，计算机仿真技术在结构工程试验方面的应用日益广泛。二、结构试验的基本任务二、结构试验的基本任务工程结构在各种外加荷载和环境作用下的各种反应，特别是其破坏过程和极限承载

14、力是人们需要深入研究的。由于真实结构试验的不足，因此，结构计算仿真的主要任务有两个方面：一是构件(或结构)在加载过程中的荷载变形关系的仿真分析；二是构件(或结构)破坏过程的计算仿真。混凝土结构(构件)荷载变形关系的计算机仿真分析方法，按材料性能和变形特征可分为线性分析方法和非线性分析方法。线性分析方法只适用于结构(构件)开裂前且为小变形时的情况，非线性(包括材料非线性和几何非线性)分析方法则适用于结构(构件)开裂后或为大变形时的情况。破坏过程的计算机仿真可以反应结构(构件)的薄弱部位、破坏机理和破坏特征，为结构方案的比较、结构性能的评估、事故原因的分析、结构的修复和加固提供必要的理论依据。三、

15、结构仿真试验的基本步骤三、结构仿真试验的基本步骤利用数值仿真软件进行结构仿真试验的过程可分为四个步骤：(1)根据所要模拟结构建立仿真模型；(2)确定结构构件各相关参数，材料的本构关系或物理模型；(3)模拟实际荷载作用施加过程和环境因素；(4)选择有效的数值分析方法，如差分法、有限元法、直接积分法等。2.2 计算机仿真技术在土木工程中研究现状与意义随着计算机技术的迅猛发展，计算机仿真技术已发展成为与信息论、控制论、模拟论、人工智能、多媒体技术密切相关的一门实用性很强的技术学科。近年来计算机仿真技术在结构工程中的应用愈来愈多。一些高校结构实验室，受试验条件制约，试验仪器和经费不足，许多试验不能开展

16、。比如抗震试验所需的震动台、伺服加载系统，一些学校还未具备条件购买。即使已经购买了这些设备，一次试验所需的经费包括构件制作、试验耗材费用等也是相当可观的，因此一般本科教学均未开设此类大型试验。对于一些试验周期长、破坏突然、危险性大的试验，学生往往不能通过真实试验全面了解试验的整个过程，也不能细致地观察到构件的破坏。通过结构仿真试验，一是可以拓宽试验项目，开阔学生的视野。比如对于试验设备不完备、使用设备精密、试验损耗大的试验；二是可以加强真实试验成功率。学生在教师初步讲解试验步骤的基础上，利用计算机仿真模拟实验，对可能造成试验失败的关键性步骤在计算机上反复训练，以此降低实际操作中错误的发生率；三

17、是可以弥补真实试验的不足。通过计算机模拟加速周期长的试验过程，使学生了解整个试验过程，实现真实试验难以达到的效果，使静态变为动态，微观变成宏观，使真实试验难以观测到的过程通过计算机形、声、色的特点反映出来。2.3 计算机仿真技术存在的问题计算机仿真研究的主要内容是结构模型和分析方法的建立和仿真系统的开发。仿真系统的开发属于计算机技术的应用，可以采用、借鉴计算机相关领域的技术。结构工程研究人员研究的关键是结构和构件的模型和分析方法的建立。结构和构件的建模应具有相似性、简单性、多面性、有效性的仿真建模的基本特点，应使最终的结构模型达到仿真建模的最高级别：结构有效，即通过建立的模型不但能重复实际结构

18、的反应，且能反映实际结构产生这些反应的运动过程。由于结构工程的计算机仿真技术应用和发展受制于结构工程的研究进展和计算技术的发展，历史较短，因此国内外对结构工程的计算机仿真技术的研究还不是很深入。为了建立一套完整的结构工程的计算机仿真技术，促进计算机仿真在结构工程领域的应用，开展结构工质量监管人员主要通过抽查质检员的检查、质量负责人的质量抽检报告、各类施工统计报表、内部质量审核报告、质量目标完成评审、顾客满意评价、管理评审以及企业制定的文件和上级主管部门下发的文件等方式进行定期、非定期、临时突击性的检查。确保在保证施工进度的基础上，尽可能的提高项目工程的质量。如果我们能够真正做到上面几点要求的话

19、，项目工程的质量肯定上一个新的台阶，就会打造出一批真正的“优质工程”、“精品工程”。3 现代结构试验技术土木工程结构试验是对工程结构、构件或相似模型等采用加载或其他方式进行试验，测量结构或构件的内力、变形、转角、支座位移、频率、振幅等，用以核对其设计要求或检验其是否安全可靠，并为探索结构新领域和发展工程结构理论的手段和基础。3.1 奥运场馆屋顶测试实验奥运场馆巨大的屋顶能否经受大风雪的冲击和重压？场馆的抗震性能如何？除了在施工前进行精细的计算，科技工作者还要对其做大量的模拟试验来试试奥运场馆的“筋骨”。部分奥运场馆的建筑安全性检测，是在北工大工程结构实验中心进行的。1 1、精测钢梁防大雪重压、

20、精测钢梁防大雪重压2 2、千斤顶上设、千斤顶上设“地震带地震带”3 3、震动台模仿不同强度地震、震动台模仿不同强度地震4 4、上拉下压测、上拉下压测“骨骼骨骼”5 5、土办法测、土办法测“骨架骨架”3.2 龙潭隧道通风模型试验龙潭隧道全长6.9Km，为研究既定通风方式能满足隧道运营通风的要求，斜竖井的选择是否合理可行，对龙潭隧道进行了通风模型实验研究见图3，模型主洞全长80米，由两座送、排风井，5个阻力隔栅共同构成，通过模型实验，得到了许多有益的成果。1 1、左线隧道吊顶送风口段扩大断面与隧道标准断面连接、左线隧道吊顶送风口段扩大断面与隧道标准断面连接方式的变化方式的变化2 2、主洞内吊顶送风

21、道与斜（竖）井井底联络风道连接方、主洞内吊顶送风道与斜（竖）井井底联络风道连接方式的变化式的变化3 3、排风口断面及风速的变化、排风口断面及风速的变化4 4、导流叶片的设置、导流叶片的设置3.3 四渡河深切峡谷悬索桥山区风环境及悬索桥抗风抗振试验四渡河大桥为世界首座跨度达900米以上的山区特大悬索桥，位于鄂西山区，地形切割强烈，气候复杂多变，桥面与谷底高差500余米，施工场地狭小，运输条件缺乏，被称为地形最险峻、建设最困难的特大型桥梁工程。为研究深切峡谷地区特大悬索桥建造技术，本项目以四渡河大桥为依托，重点开展了复杂地形条件下大型隧道式锚碇技术、峡谷风特性与风参数、复杂风环境下悬索桥抗风抗振、

22、深切峡谷悬索桥施工架设等关键技术研究。完成了锚址围岩2265m平洞地质勘察、岩石力学原位与室内试验、现场1：12隧道锚模型拉拔试验、峡谷两岸风观测、1：1500地形模型风洞试验、加劲桁梁节段模型风洞试验、火箭抛送先导索试验，等等。通过理论研究、模型试验和工程验证，获得了在山区深切峡谷建设特大型悬索桥的成套关键技术，切实指导了依托工程的勘察设计和施工建设。加劲桁梁节段模型风洞试验火箭抛送先导索试验 通过研究，得到如下研究成果：（1）提出了模型隧道锚超张拉试验、张拉流变试验、极限超张拉试验及长期锁定流变试验等试验方法，验证了设计，并为其它大型桥梁隧道锚工程的设计与论证提供了新的研究方法和手段。（2

23、）山区峡谷内的风速分布特性与峡谷的宽度、长度、高度及侧面山坡的坡度有很大关系，我国现行的公路桥梁抗风设计规范以及国外的主要桥梁抗风设计规范或标准中，基于低海拔开阔平坦地区的风速观测资料而建立的基本风速及设计基准风速推算方法，不能适用于高海拔山区大跨度桥梁的抗风设计。（3）当山区大跨度桥梁处于周围群峰山体包围时，桥位的风特性将被越山风所控制，在同样来流风速下，山区桥梁所受到的风荷载总体上将小于平坦开阔地形条件下的风荷载。（4）通过研究，揭示了四渡河深切峡谷风场特性，获得了大桥设计基本风速及其它风参数，并为施工架设提供了支撑。（5）通过加劲桁节段模型风洞试验，四渡河悬索桥的动力抗风稳定性，即颤振稳

24、定性是有足够保证的；抖振响应较小；发生较大幅度涡激共振的可能性很小。（6）提出并建立了火箭牵引变质量软索抛送系统计算模型。实现了火箭抛送软索技术，提供了大跨度悬索桥在复杂环境下快速、经济、安全抛送先导索施工新技术、新工法。4 结构安全监测与预警技术概念 结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）是一种技术，是智能材料结构在实际工程中的一种很重要的应用。结构健康监测系统是一种仿生智能系统，可以在线监测结构的“健康”状态。过程 结构健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子

25、进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。理想的结构健康监测方法理想的结构健康监测方法应该能准确的在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。工作流程图 研究内容 结构健康监测系统在国民生产中的应用非常广泛，特别是在工程中，有很多材料结构需要及时的维护及监测，用传统的监测方法耗时、费力，并且费用昂贵，而运用结构健康监测的技术就可以使这些缺点得到改进。结构健康监测的技术有如下优点：（1）实时在线地监测及安全性评估，节省维护费用。（2）依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判。（3）可以及时的和最新技术相结合。（4）大多数具有自

26、修复功能。（5）自动化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。结构健康监测的主要研究内容包括传感技术、信号处理技术和集成技术。5 虚拟现实技术在土木工程中的应用虚拟现实技术是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。由于它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的、人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即人们将陶醉在计算机创造的流连忘返的工作环境之中。虚拟现实技术在土木工程中的应用，使得一些非土木工程专业人员能对土木工程有一个较好的了解它可以突破物理

27、空间和时间约束，做到超越现实，又能使其中的虚拟物体表现出多维逼真感，以达到身临其境的感受。最后形成一种人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维信息空间。虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，正是这样一种表示方法。VR技术为用户提供了一种新型的人机接口，它利用计算机生成的交互式三维环境，不仅使参与者能够感到景物或模型十分逼真地存在，而且能对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。5.1防灾减灾自古以来，人类就和火灾、大风、地震、暴雨等自然灾害进行着顽强的抗争。由于自然灾害很难通过实验或其他方法精确模拟，所以给人类研究此项目带来诸多不便。虚拟现实技术的应用，使科研人员能通过计

28、算机模拟各种不同类型的灾害，研究自然灾害对不同结构造成的危害机理，提出防范或减小损失的科学方法，从而将灾害带来的损失降到最低。灾害仿真系统的研究是新兴的研究方向。如火灾仿真系统，通过预存或用户建立模型的方式，将房屋结构、房屋形式、室内布置、风向风力等参数输入计算机，用户可以在显示屏上看到火势大小、动向及温度高低，为设计人员进行防火设计提供了资料。5.2 照明和室内音质设计采用虚拟现实技术的虚拟环境系统，可以向建筑设计单位提供一套进行建筑性能评价的有效工具，以利于更好地认识设计参数与设计结果之间的关系，发现设计中潜在的缺陷和问题，试探解决问题的不同方法，从而使整个设计更加完善。一些建筑物，如图书馆的阅览室等，对建筑内部的采光要求比较高。为了达到最佳的采光效果，设计人员可以把建筑物模型及各种环境条件输入到虚拟现实系统中，通过日照和灯光的模拟，让人感受到光照的质量。目前，有关研究人员正在进行国家自然科学基金项目“厅堂音质设计和评价的虚拟环境系统”的研究和开发工作。采用虚拟现实技术实现对建筑物声场的模拟，人可以置身于虚拟现实系统之中，在建筑的任意一点体会音响效果，实时地进行吸音材料的修改和声源位置、建筑局部的修改，直至得到满意的效果。VR技术还可应用于设计、规划、工程管理等，随着输入输出设备价格的降低，视频显示质量的提高，以及功能强、易使用的软件的实用化，VR的应用必然会推广开来。