bim与研究先驱--查尔斯·伊斯曼教授.pdf

第三届 b i m 技术在设计 施工及房地产企业协同工作中的应用 国际技术交流会 b i m 研究的先驱 查尔斯 伊斯曼教授 李建成 华南理工大学建筑学院亚热带建筑科学国家重点实验室 广州5 1 0 6 4 1 内容提要 本文介绍了b i m 研究的先驱一一查尔斯 伊斯曼教授 着重介绍了他在1 9 7 4 年关 于建筑描述系统b d s 的研究成果 该成果已被公认为是b i m 的开创性研究 本文也介绍了伊斯 曼教授关于b i m 后续研究的其他成果 关键词 计算机辅助建筑设计 建筑信息模型 建筑描述系统 1 9 6 2 年 美国麻省理工学院的埃文 萨塞兰 i v a nes u t h e r l a n d 在他的博士论文中开 发的计算机图形系统 s k e t c h p a d 实现了用光笔在屏幕上作图 并可以控制图形在屏幕上 的放大缩小 首开交互式图形系统之先河 后来的学者就把 s k e t c h p a d 的问世作为计算 机辅助设计 c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 时代的开始 在2 0 世纪6 0 年代中期 美国的麻省理工学院 耶鲁大学 卡内基梅隆大学等大学积 极开展计算机辅助建筑设计 c o m p u t e r a i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g n c a a d 的研究 与此 同时 在美国的一些大型的建筑师事务所如s o m 等引进了c a d 设备 开始在大型的建筑 工程项目中运用c a d 技术或进行可行性论证 并应用c a d 技术积极参与重大工程项目的 投标和设计的过程 积累了推广使用c a d 技术的成功经验 并在2 0 世纪7 0 年代采用c a a d 系统在一些工程设计中获得了成功 1 查理斯 伊斯曼简介 就在c a a d 一步一步地发展的过程中 有一位在c a a d 发展 史上具有重要地位的先驱人物看到了发展中存在的问题 这位先驱 人物就是查理斯 伊斯曼 c h a r l e se a s t m a n 图1 查理斯 伊斯曼又名为查克 伊斯曼 c h u c ke a s t m a n 他生于 1 9 4 0 年 于1 9 6 5 年在美国加利福尼亚大学柏克莱分校 u n i v e r s i t y 图1 查理斯 伊斯曼 o fc a l i f o r n i a b e r k e l e y 建筑系毕业后 直接进入同一学校继续攻读硕士学位 在攻读硕 士学位期间 他曾担任具有英国剑桥大学数学硕士学位的著名建筑大师克里斯托弗 亚历 作者简介 李建成 1 9 4 5 一 男 副教授 全国高校建筑学专指委建筑数字技术教学工作委员会主任 作者简介 主要研究方向 建筑数字技术 建筑节能与建筑热环境 b 西研究的先驱 查尔斯 伊斯曼教授 山大 c h r i s t o p h e ra l e x a n d e r 的助教并深受其影响 对数学逻辑分析的方法产生了浓厚的 兴趣 他把这些方法应用在设计决策 d e s i g nd e c i s i o nm a k i n g 研究方面并完成了硕士论文 另一个对他影响较大的人就是他在卡内基梅隆大学任职时的同事 建筑界 人工智能 研 究的先行者 被誉为 人工智能之父 的美国国家科学院院士司马贺 h e r b e r ts i m o n 这两位学术泰斗的学术思想和研究方法深刻地影响到他后来所从事的c a a d 研究 伊斯曼先后在美国多所任大学任教 也曾经在创建过自己的技术公司 其中1 9 7 4 1 9 8 2 年在卡内基梅隆大学任教 任建筑学与计算机科学的教授 并在1 9 7 8 年起任建筑科学中心 c e n t e rf o rb u i l d i n gs c i e n c e 主任和计算机图形学实验室 c o m p u t e r g r a p h i c sl a b 主任 1 9 8 2 1 9 8 7 年与他人在宾夕法尼亚州匹兹堡联合创建了f o r m a t i v e 技术公司并担任总裁 1 9 8 7 一 1 9 9 5 年在加利福尼亚大学洛杉矶分校 u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a l o sa n g e l e s 任建 筑学教授和设计与计算中心主任 现为佐治亚理工学院 g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 建筑与计算机科学学院 c o l l e g e so f a r c h i t e c t u r ea n dc o m p u t e rs c i e n c e 教授 数字化建造 实验室 d i g i m l f a b r i c a t i o nl a b o r a t o r y 主任 伊斯曼参加工作伊始 就一直从事c a a d 的 研究 他自诩他是第一个能用代码编写计算机程序的建筑师 伊斯曼教授一直不遗余力地推广c a a d 著名的a c a d i a a s s o c i a t i o nf o r c o m p u t e r a i d e dd e s i g ni na r c h i t e c t u r e 计算机辅助建筑设计学会 就是由他发起创建并由 他担任首任会长 a c a d i a 在今天已经成为在计算机辅助建筑设计领域中世界上最著名的 学术机构之一 1 9 6 9 年 他在卡内基梅隆大学创建了全球第一个研究c a a d 的博士班 l 伊斯曼教授指导的博士生也颇多建树 例如 克里斯 耶思奥斯 c h r i sy e s s i o s 他 是a u t o d e s s y s 公司的总裁 著名的三维实体建模软件f o r m z 的开发者 耶胡达 克莱 y e h u d ak a l a y 是加利福尼亚大学伯克利分校的教授 著名期刊 a u t o m a t i o ni n c o n s t r u c t i o n 的主编 奥梅尔 艾金 o m e r a k i n 在卡内基梅隆大学任教授 真是名师 出高徒 2b i m 技术的开创性研究 随着伊斯曼阅历的增加和研究工作的不断深入 他的研究领域逐渐转移到建筑信息建 模方面来的 最初的阶段 它主要从事设计的认知过程 c o g n i t i v ep r o c e s s e s 和人工智能 a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 的研究 到了上世纪的7 0 年代 他的研究兴趣转移到开发以三维空 间实体和参数化建模 s o l i da n dp a r a m e t r i cm o d e l i n g 的c a a d 系统的研究 开始了涉及到 b i m 的技术范畴 在离开了f o r m a t i v e 技术公司回到学校执教后 伊斯曼教授就更加注重与 实际应用结合的研究 对与b i m 有关的工程数据库 e n g i n e e r i n gd a t a b a s e s 产品模型和互 用性 p r o d u c tm o d e l sa n di n t e r o p e r a b i l i t y 等方面进行了深入的研究 现阶段他的研究都是 围绕着b i m 进行 第三届 b i m 技术在设计 施工及房地产企业协同工作中的应用 国际技术交流会 伊斯曼教授对b i m 技术做的开创性研究可以追溯到在1 9 7 4 年9 月 当时他和他的合 作者在一份研究报告 a no u t l i n eo fb u i l d i n gd e s c r i p t i o ns y s t e m 建筑描述系统概要 2 中指出了如下一些问题 1 建筑图纸是高度冗余的 建筑物的同一部分要用几个不同的比例描述 一栋建筑 至少由两张图纸来描述 一个尺寸至少被描绘两次 设计变更导致需要大量的努力使不同 图纸保持一致 2 但是即使有这样的努力 在任何时刻 至少会有一些图中所表示的信息不是当前 的或者是不一致的 因此 一组设计师可能是根据过时的信息做出决策 这使到他们未来 的任务更为复杂化 3 大多数分析需要的信息必须由人工从施工图纸上摘录下来 数据准备这最初的一 步在任何建筑分析中都是主要的成本 基于对以上问题的精辟分析 伊斯曼在这份研究报告中提出了应用当时还是很新的数 据库技术建立建筑描述系统 b u i l d i n gd e s c r i p t i o ns y s t e m b d s 以解决上述问题的思想 他在b d s 中 将建筑物看作是由一组建筑构件组成的空间构成 他认为该系统应当具有如 下功能 1 易于输入任意复杂构件形状的图形输入手段 2 能用于构成与编辑构件排列的互动式图形语言 3 可以生成高品质的正投影图形或某一角度投影图形的硬拷贝图形处理能力 4 基于属性 材料类型 供应商等 对数据的分类和格式化能力 伊斯曼在这份研究报告中提出了b d s 的概念性设计 对于如何实现b d s 他在文中分 别就硬件 数据结构 数据库 空间查找 型的输入 放置元素 排列的编辑 一般操作 图形显示 建筑图纸 报告的生成 建筑描述语言 执行程序等多个方面进行了分析论述 他据此设计出的b d s 系统在当时风行一时的p d p 1 1 2 0 计算机上通过运行 伊斯曼通过总结分析 认为b d s 可以降低设计成本 使草图设计和分析的成本减少5 0 以上 b d s 是一个得到美国国家科学基金会和国防部的高级研究计划局支持的研究性实验 项目 已经直接面对在建筑设计中要解决的一些最根本的问题 伊斯曼随后在1 9 7 5 年3 月出版的 a i a j o u r n a l 上发表的论文 t h eu s eo f c o m p u t e r s i n s t e a d o f d r a w i n g si n b u i l d i n g d e s i g n 在建筑设计中应用计算机而不是图纸 介绍了b d s 并高瞻远嘱地陈述了以下一些观点 3 1 应用计算机进行建筑设计是在空问中安排三维元素的集合 这些元素包括强化横 杠 预制梁板 或一个房间 2 设计必须包含相互作用且具有明确定义的元素 可以从相同描述的元素中获得剖 面图 平面图 轴测图 或透视图等 3 对任何设计安排上的改变 在图形上的更新必须一致 因为所有的图形都取之于 b i m 研究的先驱 查尔斯 伊斯曼教授 相同的元素 因此可以一致性地作资料更新 4 计算机提供一个单一的集成数据库用作视觉分析及量化分析 测试空间冲突与制 图等功用 5 大型项目的承包商可能会发现如此信息化的优点 非常便于进度控制及材料采购 2 0 多年后出现的b i m 技术证实了伊斯曼教授上述观点的预见性 他的预见已经明确提 出了在未来的三四十年问建筑业发展需要解决的问题 他提出的b d s 采用了数据库技术 其实就是b i m 的雏形 目前网络上有些文章认为b i m 研究的起点是伊斯曼在1 9 7 5 年3 月发表的这篇论文 其实应当是1 9 7 4 年9 月伊斯曼和合作者完成的 在前面介绍过的那篇关于b d s 的研究报 告 伊斯曼在19 7 7 年启动的另一个项目g l i d e g r a p h i c a ll a n g u a g ef o ri n t e r a c t i v ed e s i g n 互动设计的图形语言 展现了现代b i m 平台的特点 3 不断把b i m 研究推向深入 伊斯曼继续从事建筑信息建模 工程数据库等与b i m 应用有关领域的研究 发表了一 系列很有影响力的论文 不断推动研究向深入发展 比较有代表性的论文有1 9 8 0 年发表的 p r o t o t y p ei n t e g r a t e db u i l d i n gm o d e l 原型整合的建筑模型 4 1 9 8 4 年的 a r e v i e wo f s o l i d s h a p em o d e l l i n gb a s e do ni n t e g r i t yv e d f i c a t i o n 基于完整性验证的实体形状建模综述 5 j 1 9 9 1 年的 u s eo f d a t am o d e l i n gi nt h ec o n c e p t u a ls t r u c t u r i n go f d e s i g np r o b l e m s 在设计 问题的概念建构中使用数据建模 6 1 1 9 9 2 年的 ad a t am o d e la n a l y s i so f m o d u l a r i t ya n d e x t e n s i b i l i t yi nb u i l d i n gd a t a b a s e s 建筑数据库数据模型的模块化和可扩展性分析 7 1 1 9 9 4 年的 ad a t am o d e lf o rd e s i g nk n o w l e d g e 用于设计知识的数据模型 1 8 1 9 9 6 年的 m a n a g e m e n ti n t e g r i t yi nd e s i g ni n f o r m a t i o nf l o w 设计信息流管理的完整性 9 1 1 9 9 7 年 的 i n t e g r a t i o no fd e s i g na p p l i c a t i o n sw i t hb u i l d i n gm o d e l s 建筑模型的设计应用集成 l o j 19 9 9 年的 ad a t a b a s es u p p o a i n ge v o l u t i o n a r yp r o d u c tm o d e ld e v e l o p m e n tf o rd e s i g n 支 持设计中渐进的产品模型开发的数据库 1 1 1 等 伊斯曼教授在研究中善于吸收其他学科的知识 在2 0 世纪7 0 年代 制造业就开始了 产品信息建模 p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l i n g p 1 m 研究 其研究范畴覆盖了制造系统中 产品的整个生命周期 目的是为实现产品设计制造的自动化提供充分和完备的信息 在制 造业的产品信息建模研究中 除几何模型外 工程上其他信息如精度 装配关系 属性等 也都包含到产品信息模型中 制造业以上的研究工作对伊斯曼教授产生了重要的影响 他 在回忆他的在开始进行实体参数化建模研究时就谈到 当时他的研究就是参考了通用汽车 和波音公司3 d 实体建模的研究工作 l 2 4 8 3 第三届 b i m 技术在设计 施工及房地产企业协同工作中的应用 国际技术交流会 1 9 9 9 年 伊斯曼教授出版了一本专著 b u i l d i n gp r o d u c tm o d e l s c o m p u t e re n v i r o n m e n t s s u p p o r t i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n 建筑产品模型 支撑设计和施工的计算机环境 l 3 1 这本书是2 0 世纪7 0 年代开展建筑信息建模研究以来的第一本专著 在专著中他回顾了2 0 多年来散落在各种期刊 会议论文集和网络上的研究工作 介绍了s t e p 标准和i f c 标准 论述了建模的概念 支撑技术和标准 并提出了开发一个新的 用于建筑设计 土木工程 和建筑施工的数字化表达方法的概念 技术和方法 这本书它勾画出尚未解决的研究领域 为下一代的建筑模型研究奠定了基础 书中还介绍了大量的实例 这是一本在b i m 发展历 史上很有代表性的著作 进入2 1 世纪后 b i m 的应用得到了很大的发展 伊斯曼教授继续活跃在b i m 应用研 究的第一线 不断有论文和著作发表 在2 0 0 8 年 他和一批从事b i m 研究的专家一起编 写出版了专著 b mh a n d b o o k b n v t 手册 l4 1 该书的第二版 l5 j 在2 0 1 1 年出版 b i m h a n d b o o k 现已成为b i m 领域内具有广泛影响的重要著作 a 第一版的封面 b 第二版的封面 图2b i m 手册 3 0 多年来 查理斯 伊斯曼教授一直孜孜不倦地从事b i m 的研究 不愧为b i m 的先驱 人物 由于他在b i m 的研究中所作的开创性工作以及其后做出的持续贡献 他被人们称为 b i m 之父 我们欣喜地看到 他所提出的b i m 的思想 在建筑界正被越来越多的从业人员接受 4 8 4 b i m 研究的先驱 查尔斯 伊斯曼教授 b i m 正成为提高劳动生产率和质量 缩短工期和节省成本的强力工具 各国政府对b i m 的 推广十分支持 b i m 的出现将对全球建筑业引发一次史无前例的彻底变革 b i m 将会迎来 大发展的时代 参考文献 1 c h a r l e se a s t m a n c h u c k 个人网页h t t p d e o m a r c h g a t e e h e d u c h u c k 2 0 1 0 6 1 7 2 2 e a s t m a nc f i s h e rd l a f b eg e ta 1 a no u t l i n eo f t h eb u i l d i n gd e s c r i p t i o ns y s t e m 网 r e s e a r c hr e p o r t n o 5 0 i n s t i t u t eo f p h y s i c a lp l a n n i n g c a r n e g i e m e l l o nu n i v e r s i t y 1 9 7 4 3 转引自 郑泰升 电脑辅助设计的开路先锋 伊斯曼 a 邱茂林编 c a a dt a l k s 2 设计运算向 度 c 台北 田园城市文化事业有限公司 2 0 0 3 5 6 6 7 4 e a s t m a n c p r o t o t y p e i n t e g r a t e d b u i l d i n g m o d e l j c o m p u t e r a i d e d d e s i g n 1 2 3 1 9 8 0 1 1 5 1 1 9 5 e a s t m a nc p r e i s si ca r e v i e wo f s o l i ds h a p em o d e l l i n gb a s e do ni n t e g r i t yv e d f i c a t i o n j c o m p u t e r a i d e d d e s i g n 1 6 2 1 9 8 4 6 6 8 0 6 e a s t m a nc u s eo f d a t am o d e l i n gi nt h ec o n c e p t u a ls t r u c t u r i n go fd e s i g np r o b l e m s a c a a df u t u r e s 9 1c o n f e r e n c ep r o c e e d i n g s c z i i r i c h 1 9 9 1 2 2 5 2 4 4 7 e a s t m a nc ad a t am o d e la n a l y s i so fm o d u l a r i t ya n de x t e n s i b i l i t yi nb u i l d i n 垒d a t a b a s e s j b u i l d i n ga n d e n v k o n m e m 2 7 2 1 9 9 2 1 3 5 1 4 8 8 e a s t m a n c a d a t a m o d e l f o r d e s i g n k n o w l e d g e a c a r r e r a g a n d k a l a y y e d s k n o w l e d g e b a s e d c o m p u t e r a i d e da r c h i t e c t u r a ld e s i g n c e l s e v i e rp r e s s 9 5 1 2 2 9 e a s m a a n c m a n a g i n g i n t e g r i t y i n o e s i g n i n f o r m a t i o n f l o w s j c o m p u t e r a i d e d d e s i g n 2 8 5 1 9 9 6 5 5 1 5 6 5 1 0 e a s t m a nc j e n gts c h o w d b u r yr a n de ta 1 i n t e g r a t i 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ag u i d e t ob u i l d i n gi n f o r m a t i o nm o d e l i n gf o ro w n e r s m a n a g e r s d e s i g n e r s e n 咖e e r s a n d c o n n a e t o r s m n e w y o r k j o h n w i l e y a n d s o n s i n e 2 0 0 8 1 5 e a s t m a nc t e i c h o l zp s a c k sr e t a 1 b i mh a n d b o o k ag u i d et ob u i l d i n gi n f o r m a t i o nm o d e l i n gf o ro w n e r s m m 姆t s d e s i g n e r s