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一、土木工程的发展趋势 土木工程是指房屋、公路、铁路、桥梁、水工、港工、地下等工程的总称。土木工程对国家的经济建设和人民生活的影响非常明显和重要。土木工程密切关系到人类赖以生存和繁衍的四大基本要素：衣、食、住、行，为人类提供住宅、宾馆、公寓、衣料生产贮藏基地、食品冷库、公路、机场、铁路、港口、码头、厂房、实验室等现代人类生活和发展的必要场所空间。 随着19世纪中叶钢材及混凝土在土木工程中的开始使用，以及20世纪20年代后期预应力混凝土的制造成功，建造摩天大楼、大跨度建筑和跨海峡1000m以上的大桥成为可能。现代土木工程的特点就是：适应各类工程建设高速发展的要求，人们需要建造大规模、大跨度、高耸、轻型、大型、精密设备现代化的建筑物，既要求高质量和快速施工，又要求高经济效益。这就向土木工程提出新的课题，并推动土木工程这门学科前进。它的发展趋向具体地表现在下述几个方面。 建筑材料方面 高强轻质的新材料不断出现。比钢轻的铝合金、镁合金和玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)已开始应用。但是这些材料有些弹性模量偏低，有些价格过高,应用范围受到限制,因而尚待作新的探索。另外，对提高钢材和混凝土的强度和耐久性，虽已取得显著成果，仍继续进展。 工程地质和地基方面 建设地区的工程地质和地基的构造及其在天然状态下的应力情况和力学性能，不仅直接决定基础的设计和施工，还常常关系到工程设施的选址、结构体系和建筑材料的选择，对于地下工程影响就更大了。工程地质和地基的勘察技术，目前主要仍然是现场钻探取样，室内分析试验，这是有一定局限性的。为适应现代化大型建筑的需要，急待利用现代科学技术来创造新的勘察方法。 以往的总体规划常是凭借工程经验提出若干方案，从中选优。由于土木工程设施的规模日益扩大，现在已有必要也有可能运用系统工程的理论和方法以提高规划水平。特大的土木工程，例如高大水坝，会引起自然环境的改变,影响生态平衡和农业生产等,这类工程的社会效果是有利也有弊。在规划中，对于趋利避害要作全面的考虑。 人们努力使设计尽可能符合实际情况，达到适用、经济、安全、美观的目的。为此，已开始采用概率统计来分析确定荷载值和材料强度值，研究自然界的风力、地震波、海浪等作用在时间、空间上的分布与统计规律，积极发展反映材料非弹性、结构大变形、结构动态以及结构与岩土共同作用的分析，进一步研究和完善结构可靠度极限状态设计法和结构优化设计等理论；同时发展运用电子计算机的高效能的计算和设计方法等。 随着土木工程规模的扩大和由此产生的施工工具、设备、机械向多品种、自动化、大型化发展，施工日益走向机械化和自动化。同时组织管理开始应用系统工程的理论和方法，日益走向科学化；有些工程设施的建设继续趋向结构和构件标准化和生产工业化。这样，不仅可以降低造价、缩短工期、提高劳动生产率，而且可以解决特殊条件下的施工作业问题，以建造过去难以施工的工程。 以上只提及了土木工程未来的发展方向，对于土木工程的具体细节尚应包括使用功能的发展、结构性能的发展、可持续发展等一系列内容。例如在可持续发展方面，土木工程的使用材料在未来可能会采用污染少、更重复利用的材料，诸如纤维聚合物等；在结构的使用功能上，智能化建筑、仿生建筑将比当今的普通建筑会得到更大的发展空间，这两种建筑都是功能上以人为本、使用上方面舒适、耗资上既节能又可提高工程利用率；近年来，由于灾害的频繁发生，结构抗灾性能的提高已成为结构发展的首要课题，未来的土木工程可能不仅可以抗震、抗风，甚至可以抗暴、抗海啸、防火、防撞、防辐射等。科技的进步，经济的繁荣将带给土木工程发展的春天。 二、土木工程的计算机仿真分析 在土木工程领域中，计算机辅助设计、计算机辅助工程、虚拟现实等计算机技术，对高性能服务器有比较强烈的需求。 2.1计算机辅助设计（Computer Aided Design） 工程师可以使用具有图形前后处理功能的结构CAD软件来简化结构设计工作。采用数据文件或人机交互输入数据，由程序对输入数据进行处理，可以生成结构计算简图和荷载图，对用户输入数据的正确性有了充分保证。可以生成变形图、内力图、振型图、配筋表等，便于使用者理解分析结果以改进结构。这样的软件大大提高了工作效率，也为计算机知识不足的专业人员上机创造了条件。我国自己开发的结构设计软件有PK结构设计绘图软件、PESCAD平面体系结构CAD软件等。国外引进的结构软件有ETABS、SAFE等。 建筑CAD软件应用在真实感的建筑设计、建筑规划、建筑装修行业、建筑施工和施工等方面，可以进行三维造型，自动生成平、立、剖施工图，渲染图可以表现光影、质感和纹理。建筑CAD的应用过程复杂，处理信息量大，表达形式多种多样，因此要求计算机容量大，计算速度快和显示分辨率高，即对硬件要求很高。我国自己开发的建筑设计软件有：HOUSE建筑CAD软件包、AUTOBUILDING(ABD)建筑绘图软件等。国外引进的图形处理软件有3D Studio、3DMAX、Adobe Photoshop和CorelDraw等。 CAD的应用水平已成为衡量一个设计单位或工程施工单位技术水平的重要标志及对外竞争投标的强有力的手段。建筑工程CAD可以从建筑设计方案、结构布置和分析、施工图到预算等全部由计算机完成。 2.2计算机辅助工程（Computer Aided Engineering） 设计工作是一个从无到有的反复修正过程。传统的CAD软件，其重要作用之一主要表现在建模上，一般不进行或很少进行物理或功能上的分析计算，基本上仅涉及到问题的几何方面。分析计算通常在后续阶段单独进行，这就是我们通常所说的计算机辅助工程技术。 计算机辅助工程技术的核心是基于有限元法的现代数值分析技术。采用有限元法，可以分析结构的强度、变形、内力、振型等响应。由于现代化技术的飞速发展，使得许多工程结构趋于大型化、复杂化及多元化。针对这些大型和超大型的复杂结构，在力学分析的广度上，出现了超大规模的结构计算问题；在力学分析的深度上，出现了以结构的非线性分析、非确定性分析（模糊性、随机性等）、动力分析、温控分析和智能优化设计等为代表的精细计算问题。这些问题的计算量之大、耗时之长，使得普通的串行有限元计算方法很难有效地解决，而基于集群的网络并行有限元计算方法的出现为有效、省时地解决上述计算问题提供了可靠的保证。随着并行计算机的发展，有限元并行计算的研究已取得了大量的成果，目前已能处理1000万—1亿自由度的问题。 有限元法的并行分析主要有三种途径，即方程组的并行求解、区域分解法和EBE方法。 在结构静力分析中，有限元离散产生的稀疏线性方程组的求解可以占到整个分析70%以上的计算量，而在结构动力分析中所占的比例可能更高，因此方程组的并行求解是研究的重点之一。线性方程组的求解方法可以分为直接法和迭代法。由于直接法在计算过程中会带来大量非零元素的填充，增加了存储量和计算量，而且并行效率较低，不能满足求解大规模问题的需要，因此目前大型稀疏线性方程组的并行求解以迭代法为主，可将运算量从直接法的O(N3)降到O(N2)量级。迭代法包括古典迭代法和Krylov子空间迭代法。古典迭代法目前已很少直接用于求解大型稀疏线性方程组。Krylov子空间迭代法具有存储量小、计算量少且易于并行等优点，结合预处理的Krylov子空间迭代法是目前并行求解大型稀疏线性方程组的最主要方法，比如预处理共轭梯度法、GMRES算法、QMR算法等。 区域分解法来源于传统的子结构法，能在结构级提高有限元计算的并行度，是一种大粒度的并行策略。其基本思想是：把计算区域剖分为几个不重叠的子结构，分配给不同的计算结点；各个子结构独立进行刚度和质量矩阵的组集；通过静力凝聚消去子结构的内部自由度，以建立整体结构在交界面节点上的平衡方程；求解此方程后，即可求解子结构内部节点的位移。交界面节点的刚度矩阵通常比原整体刚度矩阵有更小的条件数，因此区域分解法也可视为对问题进行预处理的一种方法。
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