土木工程中计算机技术的有效应用
【摘要】本文结合实际浅谈计算机技术在土木工程中的应用现状，以及对未来数字化土木工程的展望。
【关键词】土木工程；计算机技术；软件工程；硬件设备；
计算机技术在各行各业的应用成为时下的热门，因为计算机的引入不仅可以提高工作效率，同时能够及时提供市场信息，这对于一个企业的发展都是至关重要的。
人━计算机交互(Human Computer Interactive, HCI)理论和技术是当前发展计算机应用的一个关键。多媒体、可视化和虚拟现实技术代表了HCI技术的不同侧面的要求。多媒体技术是90年代计算机技术的一个重要发展方向，它改变了传统计算机只能单纯处理数字和文字信息的不足，使计算机能综合处理声、文、图信息，并以其形象和方便的交互性，极大地改善了人机界面，改变了使用计算机的方式
1 计算机CAD在土木工程与建筑工程
计算机辅助设计首先取得成功的是结构CAD软件，其后是建筑及设备专业的CAD软件。CAD技术即计算机辅助设计与制图技术，指利用计算机系统作为辅助工具协助工程设计建立、修正、分析和优化的过程。经过多年的实践应用，CAD技术表现出来的操作快捷简单、存储方便等优势已成为土木工程设计中不可缺少的重要技术。
计算机辅助设计技术指的是设计人员通过计算机输入工程设计资料，随后计算机会自动编制程序，输出优化后的设计方案与产品的
过程图。第一台具有绘图系统的计算机产生于二十世纪五十年代的美国，此时的计算机仅有简单的绘图输出功能用于工程设计。八十年代出现的威力强大的微处理器与存储器，使得CAD技术深受中小企业的喜爱。
CAD技术先后经历了标准化、集成化、智能化等多个发展过程。并且先后推出了多种标准的图形接口软件与图形制作功能，这些都为CAD技术的推广、软件的移植与数据的共享产生了较大的促进影响；在系统方面也打破了传统的单一模式而转变为功能全面的综合系统设置，例如一些计算机辅助设计和辅助制造集成系统的相继出现等；CAD在其发展过程中还利用到了固化技术、网络技术以及并行处理能技术，使得辅助软件的作用得到的极大的提升；人工智能与专家系统技术逐渐被引入至现在的CAD应用中，智能CAD技术也在短暂的发展中得到了迅速的应用，大大提升了CAD系统的问题解决性能，引导其发展方向向着自动化转变。CAD技术在土木工程中的迅速普及，在土木工程方面解决了越来越多的工程分析难题，改变了传统的工作方式，实现了许多以往人工或者建模方法所无法实现的过程，同时提高了工作质量与效率，降低了多种工作的重复率。
2 计算机模拟仿真技术在结构工程中的应用
对于现在工程结构来说，其破坏因素主要有洪水、地震、台风以及火灾等，面对这些小概率事件，大荷载参数下的工程结构难以通过实验进行验证，而计算机仿真技术则能够模拟工程构筑物在上述荷载作用下倒塌的整个过程，进而探究工程结构存在的不安全因素，由此
提高工程结构的可靠性。
工程结构在不同外加荷载的作用下产生的反应是很多工程师研究的课题，为了研究工程在特殊结构形式与荷载材料特性非常复杂时的性能，工程师们常常采用实验的方法对其进行测试，但是当遇到结构参数改变时，这种进行试验测试的方法就要受到场地与设备的限制。通过计算机仿真技术，这种模拟实验就更容易进行了。结构工程中，还可以运用计算机进行事故反演来寻找事故出现的原因，例如核电站、高坝等大型结构工程，若发生事故必然带来损失，又不能采用真实的模式实验来寻求事故原因，而利用计算机仿真技术则可以进行事故反演，最终分析事故发生的原因。
3 虚拟现实技术在土木工程中的应用（VR）
信息技术是现代文明的基础，是开展科学研究和技术开发的重要支撑手段。人类在漫长的信息交流历史中掌握了一种重要的信息处理技术：抽象。人们用一个非常简单的概念就可以表示非常丰富的内容。在信息传递过程中，用比较精炼的语言就可以描述复杂的场景，传递大量的信息。
但是，这种信息的处理与传递方式有一个前提：信息的接受者与发送者应有相同(至少相似)的认知空间。因为接受者在接收到抽象信息后，需要将信息还原到相应的认知空间才能理解。人们是以全方位的感知和认知能力理解事物的，即人们生活在一个多维信息空间中，而抽象表示方法则往往丢失一部分原来不重要的细节，实际上丢失的一部分内容也是很重要的信息。多维信息经过抽象后，常常变成
单维信息。这样一来，接收者就难于理解所收到的抽象信息。为了克服这样的困难，人们常借助实物来进行交流。要彻底解决这个问题，需要寻求一种多维信息表示方法，用它既可以表示真实世界，也可以表示虚拟世界。表示真实世界时，可以突破物理空间和时间约束，做到"超越现实"；在表示虚拟世界时，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。
虚拟现实中的景物可以是真实物体的模型，如还没施工的房屋、正在设计中的工厂或产品的工程模型。它们都利用了现实世界中存在的数据，将计算机产生的电子信号，通过多种输出设备转换成能够被人类感觉器官所感知的各种物理现象，如光波、声波、力等，使人感受到虚拟境界的存在。这种现实是计算机生成的，又是现实世界的反映，是真真实现实的一种表现形式。
虚拟现实在土木工程中将会有很好的应用前景。人们常说"百闻不如一见"，"一幅图能抵千言万语"，VR技术带给我们的不仅仅是"一见"、"一幅图"，而是具有真实感的序列立体图象，这样就大大方便了我们对于对象的认识和理解。例如，在兴建建筑物以前，设计人员需要与建设方讨论设计方案。在建筑物竣工之前，便需要开始推
销房子，因此需要向客户介绍房子的各种情况。如果采用传统的方法，那么无论在设计时，还是推销时，都需要向其他人员做很多的说明，而且效果并不怎么理想。如果采用虚拟现实技术，我们就可以在建造房子之前，先用计算机建造一座虚拟的房子。当设计人员与建设单位讨论设计方案时，或在推销房子时，只需让对方带上头盔及数据手套，到虚拟建筑物里走一走。通过头盔，他可以看到建筑物的三维形状，同时，他所看到的内容与他所在的位置、眼睛所注视的方向的方向相一致。因此他可以走在建筑物里，看一看建筑物的各个角落，甚至还可以打开建筑物内的门和窗，体验一下建筑物的采光情况。建设单位就可以很容易地提出修改意见或选择方案，一般的购房者也可以非常轻松地选择自己满意的房子。显然，这种方法比传统的方法更有效，可以给客户更直观、自然的感受。
而且，美国微软公司在2015年推出的虚拟现实设备Hololens。微软的HoloLens不会像《星际迷航》那样生成每个人都可见的3D世界，只有佩戴者能够看见，其他人只会看到你正佩戴一副滑稽古怪的眼镜和一系列离奇古怪的动作。它与普通的VR设备不同，它会欺骗你的大脑，让你认为自己正身处一个完全不同的世界。微软没有打算为用户呈现一个完全不同的世界，而是将某些计算机生成的效果叠加于现实世界之上。用户仍然可以行走自如，随意与人交谈，全然不必担心撞到墙上。眼镜将会追踪你的移动和视线，进而生成适当的虚拟对象，通过光线投射到你的眼中。因为设备知道你的方位，你可以通过手势——目前只支持半空中抬起和放下手指点击——与虚拟3D对象交
互。通过这些科技公司开发的新设备，我们可以想象一下，在微软的HoloLens的帮助下，设计师在设计室进行建筑设计或者结构设计的过程中，他们可以利用这种设备在有限的空间内（设计室，甚至是一张桌子）来模拟出建筑的3D图形，来进行计算，模拟与更改。在施工者方面，这种AR设备甚至可以直接在将要施工的工地上，来进行已设计出的建筑的大型模拟，让施工者在施工中，消除与图纸，也就是设计师之间的不协调，极大的加快施工速度。
4 土木行业的新宠儿——BIM平台
建筑信息模型（Building Information Modeling）或者建筑信息管理（Building Information Management）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。
建立以BIM应用为载体的项目管理信息化，提升项目生产效率、提高建筑质量、缩短工期、降低建造成本。具体体现在：三维渲染，宣传展示
快速算量，精度提升
精确计划，减少浪费
多算对比，有效管控
虚拟施工，有效协同
碰撞检查，减少返工
冲突调用，决策支持
5 人工智能在土木工程中的应用
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。
开发专家系统有许多优点。人类专家位数不多，不可能随时随地出现，而专家系统只要有计算机就能运行。培养人类专家需要很长时间，专家系统则不需要。专家系统还可以把专家的宝贵经验储存起来。
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。
把专家系统、机器学习这些新技术应用于土木工程这一领域，将会产生重大影响。
结论