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项目一　CAD发展概述
任务一　CAD的发展概况
任务一　CAD的发展概况
　　学习目标】
　　通过学习本项目，了解CAD发展的过程和主要应用领域;熟悉CAD技术在土木建筑行业中的应用;了解计算机系统;了解CAD应用软件的发展、选配及设计;熟悉建筑工程设计绘图。
　　任务一　CAD的发展概况
　　一、CAD技术的发展
　　自1946年电子计算机问世至今不过70年，但它的发展是如此之迅猛，以至于改变了我们这个时代的生活方式，使人类文明进入信息时代。电子计算机最初是为满足军事上计算弹道的需要而被开发出来的，随后它被应用于机械、航空、汽车制造等行业。今天，它几乎已渗透到金融、文化、教育、社会管理等生产和生活活动的一切领域。电子计算机的发展过程也是新技术从中不断产生并得到发展的过程。
　　CAD(计算机辅助设计)是随着计算机硬件及软件技术的进步而发展起来的。自从第一台电子计算机ENIAC( Electronic Numerical Integrator and Calculator)在1946年问世以来，利用计算机进行工程和产品辅助设计技术的发展大体经历了如下几个阶段。
　　20世纪40年代末至50年代末是孕育、形成阶段。此期间使用的是电子管式计算机，用户要用代码(机器语言)编写求解数学问题的程序，较难掌握，只有专家能够应用。计算机在解题中仅起数值计算作用。少数大公司开始实际使用，美国通用电气公司曾用于进行变压器、电动机等的设计计算。
　　20世纪50年代末至60年代中、后期是成长阶段。晶体管成为电子计算机的基本元件，计算机的运算与存储功能有较大提高，陆续开发出一批高级程序设计语言，如FORⅡ(1958)、ALGOR-60(1960)、COBOL(1960)、FORⅣ(1960)以及PL/I语言(1965)，能通用
任务一　CAD的发展概况
于科学计算与事务管理，且较易为广大工程技术人员掌握和使用。1962年，美国麻省理工学院学者I.E.Sutherland提出并阐述了交互式图形生成技术的基本概念与原理，研制了第一个计算机图形处理系统SKETCHPAD，采用与计算机连接的阴极射线管CRT和光笔，在屏幕上显示、定位与修改图形，实现人机交互式工作。不久，又出现了自动绘图机，解决了图形输出问题。在数据处理方面，由于直接访问设备——磁鼓和磁盘的出现及性能改进，出现了文件系统，并在20世纪60年代中后期得到较大的完善，形成数据管理方法的雏形。在此阶段后期，由于计算机软、硬件的迅速进展，CAD技术飞跃发展，它从简单的零部构件的设计计算，推广应用于大型电站锅炉、核反应堆热交换器等成套设备的设计。其中，美国通用汽车公司开发的DAC-1(DesignAugmented by Computer)系统被用于汽车车身外形和结构设计，是这方面的先例。
　　20世纪70年代以后进入开发应用阶段。此时计算机已采用集成电路，计算速度与内存容量均有极大增长，发展了“分时系统”，使大型机可与几十个终端连接。图形输出输入设备亦获得了进一步发展，质量不断提高，从CRT显示器发展出光栅扫描图形显示器、彩色图形终端等，使图形更加形象逼真，全电子式坐标数字化仪及其他图形输入设备取代了光笔并得到广泛应用，机控精密绘图机能高速、高质量地绘制实用图纸。图形信息处理技术问题已基本解决。数据处理亦从文件系统发展成数据库系统，使数据管理更趋完善。与此同时，各种数值分析技术(偏微分方程的数值解法、数值模拟、数值积分、离散数学、有限元等)和现代设计方法(如优化算法、可靠性设计)、系统工程等在计算机应用的刺激下有了很大的发展;它们反过来又推动CAD的应用，逐步开发出一批工程和产品设计的完整的CAD系统，大大提高了设计效率，设计质量与深度亦达到一个崭新的水平。
任务一　CAD的发展概况
　　进入20世纪80年代以来，电子器件的集成度迅速提高，随着芯片技术的发展，小型机与微型机的性能日益完善，专门的图形处理与数据库处理机的出现，软件方面虚拟存储操作系统、分布式数据库技术与网络技术的应用，这些都使CAD技术有了长足的进展。过去因设备价格过于昂贵，只有大型企业与公司才能使用的CAD现在移植到小型机与微机上，已能为中、小企业甚至个人广泛使用。应用部门亦从航空、汽车、机械制造行业扩展到电子电器、化工、土木、水利、交通、纺织服装、资源勘探、医疗保健等各行各业。CAD步入广泛实用阶段。
　　20世纪80年代中期以后是CAD向标准化、集成化、智能化方向发展的时期。CAD技术的集成化主要体现在系统构造由原来单一功能变成综合功能，出现由CAD/CAM(计算机辅助制造Computer AidedManufacture)/CAE(计算机辅助工程Computer Aided Engineering)/MIS(管理信息系统ManagementInformation System)构成的计算机集成制造系统(CIMS-ComputerIntegrated Manufacturing System)。
　　集成化还体现在下列几方面：
　　一是CAD中有关软件和算法不断地被固化，即用集成电路及其功能块来实现有关软件和算法的功能。
　　二是多处理机、并行处理技术用于CAD中，使工作速度成百倍增加。
　　三是网络技术在CAD中被采用，这样近程和远程资源都能即时共享。当前人工智能和专家系统技术已在CAD中逐步被应用，把工程数据库及其管理系统、知识库及专家系统、用户接口管理系统和应用程序系统集于一体，形成智能计算机辅助设计( AICAD)，大大提高了设计自动化的程度。
任务一　CAD的发展概况
　　CAD的生产和应用目前以美国最发达，然后是日本、西欧诸国。我国在建筑行业的设计领域中2000年就已基本实现了计算机绘图。CAD技术的进步与普及，大大促进了社会生产力的发展，正如美国科学基金中心指出的那样：对直接提高生产力而言，CAD技术比电气化以来的任何发展具有更大的潜力。它触发了新的产业革命。
　　二、CAD技术的主要应用领域
　　(一)在航空和汽车工业中的应用
　　在机械加工、制造过程中，与CAD技术相对应的技术是CAM，即计算机辅助制造技术。
　　通常把CAD与CAM结合起来使用，称为CAD/CAM技术。利用它，可以将设计过程和制造过程通过计算机统一起来。飞机制造和汽车制造是最早应用CAD/CAM技术的两个行业。在飞机制造业中，利用CAD/CAM技术除了进行机械设计、加工外，还进行机体表面形状的定义，并根据定义进行数控制造。在汽车制造业中，CAD/CAM技术也为外观造型设计、制图等方面提供了经济而有效的途径。
　　(二)在电子工业中的应用
　　CAD技术在电子工业中的应用最早始于印刷电路板的设计。现在，设计半导体的逻辑电路及其布局时，由于其复杂性的增加，已经到了非利用CAD技术不可的地步。据统计，目前75%的CAD设备均应用于电子工业的设计与生产。
　　(三)在机械制造行业中的应用
　　目前，在发达国家的机械制造行业主要生产环节中已应用了CAD技术。近几年，在CAD/CAM技术的基础上又产生了CIMS技术，它使多品种、中小批量生产的、实现总体利益的智能化制造成为可能。
任务一　CAD的发展概况
　　(四)在土木建筑业中的应用
　　在土木建筑业中，CAD技术是发展最快的技术之一。现在CAD技术应用已从基本规划到详细设计，到建筑、结构、水电设计，到路桥工程、水利工程等的各个方面。使用CAD的水平已成为企业技术水平的象征，也是对外竞争投标的重要手段。
　　(五)在其他行业中的应用
　　利用CAD技术，在模具行业，可进行模具的自动设计和加工过程的仿真;在制衣行业，可根据体形自动设计剪裁形状、尺寸等;在化学行业，可进行分子模型的表示等。
　　我国CAD技术的应用与研究始于20世纪60年代末。经过50多年的努力，我国目前在工程设计、化工、煤炭、石油、电力、机电等工业部门已初步应用了CAD技术，特别是微机CAD技术的应用比较广泛。
项目一　CAD发展概述
任务二　CAD技术在土木建筑行业中的应用
任务二　CAD技术在土木建筑行业中的应用
　　
　　在CAD技术出现以前，工程设计的全过程都是由人用笔、尺子加图板来完成的。其实，工程设计中虽然包含着需要由人来完成的创造性的工作，但是也确实包含了很多重复性的工作，例如烦琐的计算、单调的绘图等。这些重复性的工作现在可以由计算机更快、更好地完成，这就是CAD技术的意义所在。
　　一、利用CAD技术的效果
　　计算机的主要特点是运算速度快、存储数据多、精确度高、具有记忆和逻辑判断的能力、可以处理图形。所有这些特点都可被用来辅助设计过程。一般而言，利用CAD技术可以收到以下效果：首先，缩短设计工期。由于计算机处理速度快，并能不间断地工作，因此可以大大地提高设计效率，从而缩短了设计工期。因为缩短设计工期就意味着能早日推出新产品，产生更多的设计方案，以便进行方案比较，选出最佳设计方案，从而更好地达到预期的目的。
　　其次，提高设计质量。使用自动化程度较高的CAD系统进行设计时，设计者只需输入一些有关设计初始条件的数据，由计算机调用结构分析程序进行分析计算，就可得到设计结果。此外，利用计算机可以得到清晰、整齐、美观的设计图纸和文档，便于校核和修改，从而有效地防止了手工绘图过程中尺寸标注错误、不同图纸在表达同一构件时的不一致等错误的产生，提高了设计质量。
　　最后，降低设计成本。应用CAD技术可以帮助设计者提高设计效率，当设计劳务费较高而CAD系统的费用较低时，就会使得设计成本降低。工程设计中应用了CAD技术以后，已取得明显的经济效益。
　
任务二　CAD技术在土木建筑行业中的应用
　 二、CAD技术的应用
一般建筑物或构筑物的建设都要经过规划、设计、施工几个阶段，建成以后则进入维护管理阶段。
　　目前，CAD技术已经被应用在各个阶段中。在这里仅做一些简单的介绍。
　　(一)在规划中的应用
　　对任何工程项目，规划工作都是十分重要的。一般土木建筑工程的规划都需要考虑众多的因素，例如土地利用、经济、交通、法律、景观等有关社会经济的因素，气象、地质、地形、水等有关自然的因素，以及水质、噪声、土地污染、绿化等生活环境的因素。任何一项规划都是一项决策，其中，人始终是主体。
　　对应于该阶段的CAD系统主要有三类：
　　第一类是有关规划信息的存储和查询的系统。例如土质数据库系统、地域信息系统、地理信息系统、城市政策信息系统等。这一类系统多采用数据库系统的形式。
　　第二类为信息分析系统。例如规划信息分析系统等。
　　第三类为规划的辅助表现及做成系统。例如景观表现系统、交通规划辅助系统等。这里特别说明两点。首先，有关规划信息的数据库，由于其公共性较高，应由政府或公共部门建立并提供服务。这类数据库是否健全反映了一个国家的文明发展程度。然后，通过利用景观表现系统，可以在建造前就看到实物的形象及其和周围环境的协调情况，对于做出优秀的规划具有重要意义。
　　(二)在设计中的应用
　　一般土木建筑结构的设计都包含结构形式的选定、形状尺寸的假定、模型化、结构
任务二　CAD技术在土木建筑行业中的应用
分析、验算、图面绘制、材料计算等过程。CAD技术在土木建筑中最早的应用就是在结构设计中的。所以，有关设计CAD系统的历史较长，发展比较成熟。据有关资料，目前我国土木建筑领域各部级设计院CAD出图率一般都达到100%。运用计算机进行分析计算达98%以上，进行方案设计已达80%以上。采用CAD技术进行设计，设计的出错率由手工设计的5%降低到1%，提高工效一般在6~8倍，有的可达20倍。由于多方案优化，节省工程投资一般为2%~5%，个别专业可达10%以上。
　　对应于设计的CAD系统也可分为三类：
　　第一类为对应于各个设计过程的系统。例如结构形式选择系统、结构分析系统、设计系统、绘图系统、材料计算系统等。其中，每个系统都可以处理多种结构形式。其缺点是，为完成一项设计需使用多个系统，不但需要掌握每个系统的使用方法，还导致大量数据的重复输入。
　　第二类系统为通用CAD系统。例如AutoCAD，这类系统只提供基本的图形处理功能，可用来绘制各个工程领域的设计图纸。
　　第三类系统为集成化设计系统。这类系统的自动化程度一般较高，只要输入少量的数据，利用一个系统即可完成设计的全过程。设计时，只需输入基本的参数，如结构尺寸、截面尺寸、材料性质等。
　　系统可自动进行结构分析，以至生成施工图。这类系统虽可减轻人们学习新系统的负担并避免数据的重复输入，但一般在使用时有一定的限制，是面向对象的专用软件，或是根据专业要求进行二次开发的软件。与前面的两类系统相比，使用这类系统具有作业效率较高、专用性高、相关专业数据可共享等特点。如我国目前在建筑工程设计中应
任务二　CAD技术在土木建筑行业中的应用
用最广泛的系统是，由中国建筑科学研究院CAD工程部开发的PKPM系列软件系统。
　　(三)在施工中的应用
　　一般的土木建筑工程的施工都包含以下过程，即投标报价→施工调查→施工组织设计→人员、器材和资金的调配→具体施工及项目工程管理→验收等。目前，CAD技术在每个过程中均有应用。如投标报价与合同管理，工程项目管理，网络计划，质量和安全的评价与分析，劳动人事工资、材料物资、机械设备、财务会计和行政管理、施工图的绘制等系统。其中，应用计算机编绘网络计划图已成为参与国际投标的必要条件之一。由于CAD技术的应用，有效地提高了施工企业的工作效率和管理水平。
　　现在国外已开发出一些建筑物和构筑物的集成化施工系统，例如隧道的集成化施工系统。在该系统中，包含隧道设计子系统，施工图及施工平面图绘制子系统，施工管理子系统，材料表生成子系统以及施工组织设计书做成子系统等。虽然开发这种集成化系统都伴随着极其庞大的工作量，但使用它所得到的工作效率上的提高也是十分可观的。
　　(四)在维护管理中的应用
　　像人有生老病死一样，土木建筑结构物在使用期内也会出现老化、功能下降等，因此，对其必须进行适当地维护和管理。一般地，对土木建筑结构物的维护和管理包括定期检查、维修和加固等。
　　CAD技术在维护管理中最早的应用是煤气、上下水管线图的计算机管理，其中包含管线的位置以及管线的埋设条件，例如管线的材质、管径、埋深等。这样的系统无疑对管路的分析、检查等提供了极大的方便。近年来，出现了以数据库为中心的、道路设施的
任务二　CAD技术在土木建筑行业中的应用
维护管理CAD系统。这种系统具有两种作用：一种是用于保存定期检查结果等信息，另一种是用于辅助维修和加固的规划和设计。
　　随着CAD技术的发展，它在土木建筑行业中的应用也必将得到进一步的发展。目前最有希望应用的CAD新技术包括多媒体技术、人工现实技术和科学计算可视化技术等。多媒体技术集图、文、声、像于一体，在不同信息媒体之间建立了逻辑连接，实现有机的集成和交互控制。国内外已有将该技术用于工程教育的例子。
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任务三　计算机系统
任务三　计算机系统
　　
　　微机CAD系统与一般的微机系统一样也是由硬件系统和软件系统组成的。但它应具有较强的图形输入输出(硬件)设备和较强的图形处理软件。
　　一、微机CAD系统的硬件系统
　　硬件系统是由电子计算机和外围设备组成。
　　(一)微机
　　微机是整个系统的核心，通过执行实际运算与逻辑分析，控制、指挥着整个系统进行有效的工作。
　　它主要包括中央处理机CPU和主存储器(简称内存)。
　　(二)输入设备
　　输入设备是用于向计算机输入数据、程序及各种字符、图形等信息的设备。它包括键盘、图形扫描仪、数字摄像仪。键盘是当前最广泛使用的一种输入设备。
　　专门用于图形、图像输入的设备有光笔、数字化图形输入板、鼠标器、跟踪球、操纵杆以及扫描仪。分述如下：.
　　光笔是外形似笔的输入装置，它的前端装有透镜，以收集显示屏上发出的光。笔上还安装有触动开关，将光笔笔头对准显示器上的某点，同时按下触动开关，当电子束扫描经过屏幕上此点时，光透过笔端的小孔经透镜聚集后送出并经光电转换变成电信号，再反馈到图形控制器或计算机，以确定其位置。
　　光笔的主要功能是定位与跟踪，与程序配合就可以用光笔在显示屏上直接画图和编辑修改图形;还可用来指点菜单，发出操作命令。
　　数字化图形输入板是平板状的输入设备，类似于绘图板有一支功能笔或游标定位器
任务三　计算机系统
和一个控制用键盘。当专用的触笔或游标在平板上移动时，触笔或游标可检测到输入板读位置上的电、磁信息，这些信息经输入板中的译码器或微处理器处理后便可获得笔尖或游标中心的坐标数据。对于输入大量精确图形的工作，采用这种设备较为适用。
　　鼠标器、跟踪球和操纵杆这三种设备都装有电位计。调整电位计可控制显示形态，如控制屏幕上的光标位置。目前，由于鼠标器操作灵活方便，应用较广泛。操纵杆和跟踪球虽比鼠标出现早，但它们只适用于自由格式的绘图，实际中不常用。
　　扫描仪可直接把图形和图像扫描输入计算机中。其主要部件是电荷耦合器件( CCD)，它以把光信号转变为电荷的方式将图形或图像输入计算机。图形扫描仪的机构很像复印机，长条形的光源照射于原稿，反射光线经过光学镜头将一行图形聚焦到CCD阵列上，转换成一行对应的电荷，经过模/数转换将逐个像素数据输入于计算机。与复印机所不同的是，复印机将原稿复印到纸上，而扫描仪是将原稿上的图形转变为计算机内一幅相应的电信息图形。根据所转换图形的要求不同，模/数转换器的精度要求也就不同，存储器上每一单元的存储量要求也有所不同。就存储器上每一单元的存储量而言，如仅输入线框图就只需要1位(以0表黑，1表白)，输入单色多灰度的图形就需要4位(16种灰度)以上，对于要求输入彩色图形的彩色扫描仪就需要8位(伪彩色)或16~24位(真彩色)。扫描仪有两个主要指标：一是分辨率，分辨率是指在原稿的单位长度(in)上取的样点数，单位是dpi，常用的分辨率为300~1 200 dpi;二是扫描幅面的大小，如AO、A1到A4。
　　(三)输出设备
　　输出中间结果或最终结果的设备，可分为两类：软拷贝设备与硬拷贝设备。软拷贝设备的特点是只产生暂时性的景象，不能永久保留，如显示器;硬拷贝设备的特点是将输
任务三　计算机系统
出的信息转变成永久性的物理记录，如打印机和绘图机等。
　　1.图形显示器
　　图形显示器其核心部件是阴极射线管(CRT)。它是利用电磁场产生的经过聚焦的高速电子束，轰击屏幕表面的荧光材料而产生光亮点。通过控制电子束的偏转，使荧光屏上某些点被击亮，而其他点不被击亮，屏幕上便可呈现某一形状的图形。通过控制电子束的强度，可控制亮度，以使图形更加丰富。
　　常用的光栅扫描显示器，其电子束周期性地扫描整个屏幕，屏幕按行和列分割成若干微小块(称为像素)。在帧存储器中存放的是各像素的明暗、灰度或彩色信息，当电子束作光栅扫描时，控制器亦同步扫读帧存储器中的数据，并把这些数据转换成亮度或色彩信号来控制电子束强度，从而使屏幕显示出丰富多彩的图像。为了得到稳定的图像，还需对帧存储器做重复扫描，不断进行屏幕刷新。光栅扫描图形显示器的优点是灰度和色彩丰富，能产生真实感很强的复杂图形，可和电视机兼容，价格低;缺点是当像素较少时，显示的曲线不光滑，造成所谓的阶梯效应。分辨率与显示速度是图形显示器的重要指标，目前，其物理分辨率可高达2048×2048点。采用的分辨率越高，显示的图形越清晰。
　　2.打印机
　　打印机按其结构分为击打式与非击打式两类。点阵式打印机是常用的一种击打式打印机，而非击打式打印机常用的有喷墨式、热敏式、静电式与激光式等。
　　3.绘图机
　　绘图机有笔式绘图机、喷墨绘图机和静电绘图机等几种。笔式绘图通过矢量构成图像，将很短的矢量线段依次相接即可形成各种曲线。常用的又有平板式和滚筒式两种。
任务三　计算机系统
此外还有喷墨式、热敏式、激光式绘图机。它们输出图形的质量都很高，目前也是较常用的。
　　4.数字相机
　　数字相机是近几年出现的一种新型计算机图形获取工具。数字相机主要由摄像机透镜、CCD列阵、模拟/数字(A/D)转换，内存/可读写光盘，I/O接口等组成。数字相机可直接与计算机相连，将拍摄的图像数据从相机存储器传送到计算机中处理，可以立刻看到数字图像。
　　(四)外存储器
　　外存储器用来永久存放大量程序与数据。
　　1.磁盘
　　磁盘是在金属盘片(硬盘)或聚酯薄膜片(软盘)表面涂覆层磁性物质。为了能在磁盘上指定区域写入或读出数据，要将磁盘划分为若干有地址编码的区域磁道与扇区，利用磁头感应来有序地读写数据。磁盘是目前应用最广泛的存储设备。
　　2.光盘
　　光盘是采用激光技术实现的一种海量存储器。它利用激光照射在光盘片表面，使表面物质变化，而将“0”与“1”的数据记录下来，在读出数据时，也是利用激光在光盘片上产生不同强度的反射光，判断出“0”或“1”。由于其存储容量大，且和软盘一样具有可置换性，携带方便，因此，目前也被广泛采用。
　　二、微机CAD系统的软件
　　软件是指控制、指挥计算机运行的各种程序和文档的总称。CAD系统的软件是决定微
任务三　计算机系统
机绘图系统的效率与使用是否方便的关键因素。CAD系统的软件大体上可分为三类：系统软件(一级软件)，支撑软件(二级软件)，工程(产品)应用软件(三级软件)。
　　(一)系统软件
　　系统软件用于计算机的管理、维护、控制和运行，提供了整个CAD系统内部的支持功能，控制着存储操作、指令执行与外围设备动作。
　　(二)支撑软件
　　支撑软件是CAD系统的核心软件，它以系统软件为基础，又作为开发应用软件的基础。支撑软件可由CAD厂商提供，亦可由用户自行开发。随着CAD技术日新月异，支撑软件的内容与功能也在发展。一般来说包括：图形设备驱动程序;几何造型系统;图形软件系统;真实图形生成系统;计算分析软件系统;优化算法软件系统;工程数据库及其管理系统;窗口管理系统;网络通信系统;汉字管理系统等。
　　(三)应用软件
　　这是用户针对工程计算或设计利用系统软件和支撑软件开发的，处理不同对象的专用程序。

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