18-高新技术在土木工程中的应用

高新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2.仿真技术3.现代结构试验技术4.结构安全监测与预警技术5.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，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SAP84、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(ArtificialIntelligence，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(ExpertSystem)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，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。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：①有满足检测需要的测量元件及仪器；②可实时樯测；③有相应的分析预测模型和方法；④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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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、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。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