第３８卷第９期２００５年９月
上术工程学报
ＣＨＩＮＡＣＩＶＩＩ．ＥＮＣＩＮＥＥＲＩＮＧＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖ０１．３８Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２００５
附录
土木工程中的计算机应用
任爱珠王道堂
摘要：本文以第十届国际土木与建筑工程计算机应用学术会议及第十二届全国工程建设计算机应用学术会议的主要内容，介绍了土木工程中的计算机应用学科在０３—０４年问的主要进展。此外还介绍了当前的“信息化发展规划纲要”及“技术政策纲要”的相关要点。
关键词：计算机应用；信息化；协同设计技术；虚拟现实技术
二十世纪九十年代以来，计算机硬件随着工艺水平的提高，朝着高速并行、大容量、微型化方向取得了长足的进步。而大容量光盘存储技术，困彤图像处理、声音处理、数据压缩、光纤通讯、互联网等技术的推动，更是大大拓宽了计算机的应用领域。在土木工程领域，计算机的应用已不再局限于ＣＡＤ，而是扩展到了工程项目全生命周期的每一个方面和每一个环节。土木工程ＣＡＤ已经向着土木工程ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉ—ｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）的方向发展，即在工程项目全生命周期的每一个方面和每一个环节中应用科学计算可视化技术、虚拟现实技术、互联网技术、多媒体技术、３Ｓ（ＧＩＳ、ＧＰＳ、ＲＳ）等计算机新技术。
一、土木工程中的计算机应用学科在０３—０４年间的主要进展
２００４年６月在德国魏玛召开的第十届国际土木与建筑工程计算机应用学术会泌（Ｔｈｅ１０”ｃｏｒ血ｒｅｎｃｅＯｎＣｏｍｐｕｔｉｎｇｉｎＣｉｖｉｌａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＥｎｇｉｎ％ｆｉｎｇ）在一定程度上反映了土木工程中的计算机应用学科在０３—０４年间的主要进展。本次会议的主题是“土木与建筑领域的计算机协同工作”（Ｎｅｔ—ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＣｏ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎＣｉｖｉｌａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），这表明了会议组织者对计算机协同工作的重视。
本次会议就以下几方面展开了．广泛的讨论与交流：
一土木工程计算机辅助教学；
一结构概念设计；
—施工数据生命周期（数据获取，数据管理，数据挖掘，知识发现）；
一现场数据收集与信息访问技术；
一基于网络的结构工程协同设计；
一计算管理；
一协同设计，计划流程与系统：今天，建筑师，工程师，专家和项目经理如何协作；
一多Ａｇｅｎｔ系统，智能系统（演进式设计，决策支持）；
一神经元网络在土木工程中的应用；
一在土木与建筑工程实践中计算机技术的历史，未来，收益与风险；
一土木工程中基于产品模型的计算机模拟；
一涉及施工现实的ＩＣＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ眦ｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）研究一欧洲合作研究成果；
一结构工程中基于网络协作的产品模型。
上述议题是本领域的热点问题，也是土木与建筑领域计算机应用技术的发展方向。以下对本次会议中交流的一些课题进行简要介绍。
（一）计算机协同工作及其在建筑业的应用
网络互联是指处于同一地域或不同地域的同类型或不同类型网络之间的互联。随着信息网络和信息技术的发展，各个单位建立的局域同纷纷进行互联，并通过公共信息网络设施联人地医、国家信息网络和Ｉｎｔｅｍｅｔ，进行信息交换和信息资源共享。
计算机网络呵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，在完成项目时，设计人员和管理人员不再受地域的限制，通过网络把他们联系起来，形成虚拟的群体，能及时的共享资源。网络化更方便了不同ｒ种的设计部门如建筑、结构、水电、暖通等对设计数据的共享和相互协ｉ｜耐。
协同设计是一种在网络环境支持下多企业合作完成新产品设计的产品开发模式。其根本宗旨是要在尽可能短的开发周期内，高质量、低成本地开发ｊⅡ满足市场需求的新产品。为实现这一目的，参与协作的企业需要紧密集成，以并行工程模式来进行新产品的开发。这就要求企业闻能实现高度的信息集成与共享，这需要多媒体技术和网络通信集成的支撑环境。
目前国外正在研究并实践的项目主页（ＰｒｏｊｅｃｔＨｏｍｅＰａｇｅ）机制是采用网络技术实现企业间信息集成与共享的一种有效的方案。所谓项且主页机制是指参
与协同设计的每个企业分别建立本企业的ｗｅｂ站点，将本企业所担负的产品开发工作相关的各种信息和ｗｅｂ应用系统通过超级联接机制按照一定的逻辑结构组织起来，再由主设计企业（协同设计发起企业）建立一个总的项目主页，该主页包含可链接至其它协作企业Ｗｅｂ站点的超链接，从而以Ｗｅｂ超链接机制将产品协同设计过程中的各种信息集成为一个有机的整体，各协作企业的工作人员通过Ｗｅｂ浏览方式即町方便地获取自己所关心的各种信息。项目主页机制集成起来的信息资源不但包括各种文件形式承载的信息，而且包括各种Ｗｅｂ应用系统管理的数据库信息，如企业的设计资源库、制造资源库等。一般地，项目主页中会包含一个指向主设计企业的基于ｗｅｂ的产品数据管理系统的超链接，此系统统一管理协同设计过程中产生的产品数据。各企业的工作人员通过访问该系统来提交和下载数据，以实现企业间产品数据的集成与共
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土木工程学报２００５庄
享。
多媒体技术和网络技术在土术与建筑工程中的应用主要有：施工现场同像的传输；远程专家事故会诊；基于计算机的施工过程的交接班处理和对道路桥梁等工程的监控管理；等等。
随着无线网和ＰＤＡ技术的发展，计算机协同工作逐渐向无线方向发展。有线和尤线网络相结合，为解决施工现场的流动性和分散性提供了良好的工作平台。以下是欧美等国专家在第十屈国际土木与建筑工程计算机应＿Ｈ｛Ｉ学术会议上介绍的他们的最新成果。
（１）超便携式的无线局域计算网络设备与计算机相连接，构成了无线局域计算机网络，它为有效的并行Ｔ作提供了必要的协调环境。
（２）基于一种包含所有收集的数据的数字化模型，结构建模与数值分析可以自动的进行。运用该项技术，对结构进行整体分析的时间将大大减少，而用户也能从相关工作巾解脱出来。
（３）结构的计算、分析和显示将不再局限于工作站、Ｐｃ机，而是向轻便、可移动的多电脑和手机的协同Ｔ作模式。基于全数据的数字化模型和分布式计算，使在手提电脑中进行结构分析和设计成为可能。
（二）科学计算可视化殛其在建筑业的应用
科学计算可视化（ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ—ＶＩＳＣ）是８０年代后期被提出并得到发展的一门新兴学科，９０年代初在美国著名国家实验室和大学中开始得到应用。它是运用人的视觉对颜色、动作和几何戈系等直观模式的识别能力，将问题、算法或处理机器执行过程通过图形、图表、动画等手段直观地表现出来的一门技术。也就是说把计算中所涉及的和所产生的数字信息转变为直观的、以图象或图形信息表示的，随时间和空间变化的物理现象或物理量旱现在研究者面前。它可以是可见量的显示如对构件的变形进行夸张，将静态变量显示成动态变量等；也可以是不可见量的显示如应力的变化或变量变化过程的显示等。
运＿Ｈｊ可视化技术可以将科学计算从模型的建立，计算的实施到结果的输出中所涉及到的大量数据转换成图形或图像，使人们对研究对象的产生、发展及变化等状态或问题的处理过程及结果有一个全面的形象的了解，从而追踪和驾驭计算过程。随着技术的发展，科学计算可视化的含义已经大大扩展。它不仅包括科学计算数据的町视化，而且包括工程计算数据的可视化，如有限元分析结果可视化等。
可视化技术在土木工程ＣＡＤ中有着广泛的应用。土木丁程离不开数据的处理，各种数据不仅数量大，而且较抽象，难于理解。工程师更愿意用内力罔来表示内力情况；用单元受力图来表示某点的受力状态；用挠度曲线来表示某种荷载下构件或结构的弯曲程度，虽然这些力和挠度是眼睛观察不到的。运用可视化技术可以将结构分析与计算从模型的建立、计算的实施到结果的输出中所涉及到的大量数据转换成图形或图像，直观地显示在计算机屏幕Ｉ．，让用户能方便地分析计算结果的正确性与合理性。
（三）虚拟现实技术及其在建筑业的应用
虚拟现实（ＶｉｒｔｕｒｅＲｅａｌｉｔｙ—ＶＲ）技术，是一种可以创建和模拟体验现实世界的计算机技术，它将真实世界的各种媒体信息有机地融合进虚拟世界，构造用户能与之进行各个层次的交互处理的虚拟信息空间。它是９０年代以来随着计算机周像生成技术，计算机模拟与仿真技术以及计算机智能技术，人机交互等技术的发展而产生的。，它是把客观ｆ存在的或者并不存在的物体，应用计算机技术，
在用户面前生成一个虚拟的环境，使人感到像真实存在一样的一门技术。，虚拟现实技术在建筑业也有广阔的应用前景。如景观表现系统，交通规划系统等。目前，景观表现系统的表现物主要是＿二维的图片，如果能够让用户产生一种身临其境的感觉，则景观的规划将更加科学合理、全面，而这种身临其境的感觉，正是虚拟现实技术要解决的问题。实际上应用于景观表现的虚拟现实系统已经开始试用，德国的Ｆｒ龇?ｋｆｏｎ的巾心城市，最近将城市模型输入虚拟环境，用以规划一座银行，其做法是：首先把各个建筑物的平面图输入到记录地区的数据库中，将各建筑物的高度赋与适当的值后自动生成三维城市模型；再对重要建筑物利用ＣＡＤ系统以不同精度进行修改，把建筑物正面的照片扫描进去经过修改加工输入ＣＡＤ数据库；最后在虚拟现实系统巾及数据模型中加上运动轨迹及环境因素。这种方法很适用于房地产项目的开发。将拟进行房地产开发的区域的地形、环境和设计中的建筑物的三维模型融为一体，冉运片ｊ虚拟现实系统使买房者犹如置身在真实的环境中一样，提高了该项目对买房者的吸引力。应用虚拟现实技术，可以对大型复杂施工项目进行施丁过程预演，在实际施工前发现设计中的缺陷，或者进行施工方案比较与优化。
（四）３ｓ技术
３ｓ技术指ＧＩＳ（ＧｅｏｇｒａｐｈｙＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ一地理信息系统）、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ－全球定位系统）和ＲＳ（ＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｏｒ－遥感技术）。ＧＩＳ是采集、存储、管理和分析地球表面与空闻地理分布有关的空间信息系统。ＧＩＳ在城市规划与管理，农作物规划与管理，地下管网规划与管理以及灾害风险预测等方面得到ｎ一泛应用。ＧＰＳ的全称为Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎｂｙｓａｔ—ｅｌｌｌｔｅｔｉｍｉｎｇａｎｄｒａａｇｉ．ｇ／Ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，它是通过卫星信测试测距导航来获耿三维牵问坐标，已经在越来越多的领域取代常规光学和电子测量仪器。ＧＰＳ技术作为一种全新的测量手段，其优点主要体现在不存在误差积累，精度高、速度快、全天候、尤需通视和点位不受限制，并可同时提供平面和高程的三维位置信息方面。遥感技术目前已发展到较成熟的阶段，高分辨率和多时相的特征扩大了遥感技术的应用范围。我国１９９８年长打中下游发生洪水时就应用了遥感技术对受灾范围进行实时跟踪与监控。
总地说来，土木工程中的计算机应用，在０４年依然沿着近年来所形成的热点继续前进，同时也缺乏特别突出令人称道的进展。协同设计或协同工作已受到广泛重视，正在研究、建设和发展巾。科学计算可视化理应无突出障碍，但全面实现却需在软件开发中不断充实而假以时日。虚拟现实技术仍然受到硬设备的高昂价格的制约，近期内难于在应用上有所突破。３ｓ技术在应用中已趋成熟，已在许多软件中成功应用，从而其应用表现得精彩纷呈。
二、主要发展规划纲要
近年来，政府很重视上木或建筑业的计算机应用的发展，并通过多种途径推动其进展。其中颁发的主要文件有：《全国工程勘察设计行业２０００－－２００５年计算机应用工程及信息化发
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第３８卷第９期２００４年工程学科的重大进展
展规划纲要》（１９９９年）、（２００３－－２００８年全国建筑业信息化发展规划纲要》、《建筑事业技术政策纲要》（２００４年）等。这些文件都明确指明：广泛采用与计算机应用及信息化相关的新技术是改造和提升传统产业的主要途径之一。同时这些文件也指导和推动各相关单位、企业提高了计算机应用水平及加快了信息化进程。信息化发展规划纲要中部分要点如下：建筑业信息化基础建设：制定信息化标准规范体系与编码体系及制定信息技术应用与信息安全的管理制度；建立建筑材料与设备信息库、工程造价信息库、施工工法信息库、建筑新技术、新工艺、新产品信息库等信息资源数据库。
建筑企业信息化建设：分为工程总承包类和施工总承包类两类企业。
（１）工程总承包类建筑企业信息化发展目标分两类：第一类是基本实现本纲要提出的应用系统的全部功能，基本实现建筑企业信息化，达到国际水平或国内建筑行业领先水平。第二类是实现本纲要提出的应用系统的主要功能，为建筑企业信息化提供较好的基础。其中第一类要重点建设“一个平台（网络平台）、ｊ大系统（工程设计集成系统、综合项且管理系统和经营管理信息系统）”。应用体系建设应推行以工程数据库和模型设计为主的集成化、智能化设计技术，建立和完善工程设计系统，推行协同设计ｉ建立和完善以物资流为主线、以资金流和工作流为核心的综合项目管理系统；建立和完善以群件、ＷＥＢ和数据库技术为基础的经营管理信息系统；同时注重开发、引进、消化、吸收和推广一批有助于提高设计水平和管理水平的先进应用软件。力争到２００８年信息技术的应用达到当时国际上一流工程公司的应用水平。
（２）施工总承包类建筑企业信息化发展目标分三类：对特级资质、一级资质与二级资质企业提出了不同的信息化要求。应结合建筑企业运行机制，通过运用信息技术，达到提升建筑企业核心竞争力的目的。
《建筑事业技术政策纲要》要求：大力提升企业信息化创新与集成水平
１企业要积极采用综合业务集成技术。勘察、规划、设计企业要在现有计算机辅助设计（ＣＡＤ）技术等技术应用基础上，建成以网络为支撑的工程协同设计项目管理系统，实现设计与管理集成；施工企业要在商务、合同、风险、财务、造价、投标、设备与物资采购及工程项目管理等方面形成全流程业务管理系统，实现企业经营与技术管理的集成；房地产企业要在项目开发、交易、物业管理和服务业务方面形成一体化管理系统，实现开发与服务的集成。
２．积极推动企业实现多技术集成。企业应从单项信息化技术应用阶段逐步向多技术集成应用阶段发展。将建设事业单项应用趋于成熟的管理信息系统（ＭＩＳ）技术、ＣＡＤ技术、数据库管理系统（ＤＢＭＳ）技术、自动控制（ＡＣ）技术等进行面向应用主体的有机集成，尝试采用ＥＲＰ（ＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅＲｅ－
ＳＯＬＩｒＣｅＰｌａｎｎｉｎｇ）等技术，提高企业管理一体化、可视化和网络化水平。
３．企业信息化的关键是推行先进的信息主管制度（ＣｈｉｅｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＯｆｆｉｃｅｒ），整合企业业务流程，逐步实现业务流程标准化。应重视企业公共数据库的建设。
同时还要求：开发推广信息化共性关键技术和产品
１．积极开展地理空间信息技术的研究、开发和与相关技
术的集成应用。积极开展地理信息系统（ＧＩＳ）技术、卫星和航空遥感（ＲＳ）技术、全球定位系统（ＧＰＳ）技术、虚拟现实（ＶＲ）技术及通讯技术等的开发与集成应用，提高城市规划、建设、管理和服务的３ｓ技术集成应用水平。特别要推动高分辨率卫星遥感和多尺度航空遥感数据的普及和应用，研究解决城市多元数据融合与挖掘技术，以及ＧＩＳ、ＭＩｓ和ＯＡ技术的综合应用技术，逐步提高城市规划、建设、管理和服务的数字化水平。
２．加速建设事业软件产业建设，大力开发具有自主版权的软件产品，特别是专业应用和可视化支撑平台软件。积极推广基于工具平台的企业综合管理软件、企业战略决策和市场预警预报软件、企业项目管理集成软件和工程项目网上协同工作软件等，依托成熟软件技术和产品，逐步提升建设行业信息化管理和协同工作的能力与水平。
三、国内的进展及信息化关键技术研究
发展规划纲要是针对建筑业的信息化进程，要求各企业达到的目标，这些“纲要”对各单位的计算机应用及信息化建设有重要的指导意义。近年来的实际进展说明各单位正在按“纲要”的要求逐步向前推进。
０４年１０月在北京召开的第十二届全国工程建设计算机应用学术会议反映了０４年我国信息化的主要进展。本次会议所关注的热点与１０“ＣＣＣＢＥ基本一致，在协同设计、虚拟现实及３ｓ技术方面都有论文。然而，总体上看多数论文是围绕贯彻执行“纲要”所取得的成果和进展。从中可以看到当前最重要的进展主要有：
１．在ＣＡＤ基础上基于局域网的集成化。从“纲要”的要求来说，经过多年努力建设各建筑企业已基本实现网络化，在各专业ＣＡＤ软件已广泛应用的基础上，信息共享的需求变得突出，从而使集成化有了较快的进展，目前多数勘察设计已实现基于局域网的ＣＡＤ软件集成化。然而．在协同设计方面，目前只有极少数设计院能达到“纲要”的要求，与国际一流的标准还有较大差距。
２．施工企业及工程项目信息化管理。施工企业的计算机应用起步较晚，在我国进入ＷＴＯ后建筑市场将对外开放，从而对施工企业的技术更新和项目管理提出了更高的要求。另一方面，信息化的要求及进程也极大的推动了施工企业的计算机应用水平的提高。其结果是大型施工企业的企业管理及工程项目管理均已逐步实现信息化。
除了要求各建筑企业贯彻落实发展规划纲要外，还对信息化相关的关键技术组织有关单位进行必要的研究。为此在国家“十五”科技攻关项目中，就安排了一系列与信息化相关的课题。这些课题在立项前都曾经过调研和论证，因此都有明确的针对性，即课题完成后将可缩小与国际先进技术之间的差距。根据研究计划，这些课题应在０４—０５年间完成，目前正处于验收的高峰期。其中有些成果已公开发表，如：ＳｔｕｄｙＯｉｌｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉ－ｎａ’ｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙ（ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｖｏｌ—ｉｌｌｌｌｅ：１３，Ｉｓｓｕｅ：５Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００４）。其他成果可能也将陆续公开发表。不过，从研究成果到生产应用，需要一个适当的转化期，当这些成果确能广泛应用建筑业的生产中时，将大幅提高我国建筑业的技术及管理水平，从而减小与国际先进水平的差距。
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