计算机辅助建筑设计：第一节 计算机辅助建筑设计概述

1、 计算机辅助建筑设计第一讲：简介计算机辅助设计简介CAD(Computer-Aided Design) 计算机辅助设计(CAD)的定义是：使用计算机系统来辅助一项设计的建立、修改、分析或优化。计算机辅助设计系统包括硬件和软件系统，用以完成不同用户的专业设计功能。CAAD(Computer Aided Architectural Design)发展起点 1963年，美国麻省理工学院的博士研究生 Ivan Sutherland 发表了他的博士学位论文Sketchpad：一个人机通讯的图形系统，并在计算机的图形终端上实现了用光笔绘制和修改图形，控制图形的缩放。这项工作被公认为计算机图形学方面的开创性

2、工作，也为以后计算机辅助设计技术的发展奠定了理论基础。 Ivan Sutherland at the console of the TX-2 - Sketchpad Project, MIT, 1963 Dr. Ivan Sutherland in the classroom,California Institute of Technology, 1976 /classes/cs6751_97_fall/projects/abowd_team/ivan/ivan.htmlIvan Sutherland is considered by many t

3、o be the creator of Computer Graphics. Starting with his Ph.D. thesis, Sketchpad, Sutherland has contributed numerous ideas to the study of Computer Graphics and Computer Interaction. Ivan introduced concepts such as 3-D computer modeling, visual simulations, computer aided design (CAD) and virtual

4、reality.但是，人们还是认为计算机辅助建筑设计技术研究的起点始于1958 年，这一年，美国的埃勒贝建筑师联合事务所(Ellerbe Associates)装置了一台 Bendix G15的电子计算机，进行了将电子计算机运用于建筑设计的首次尝试。Bendix G15 Computer (circa 1958)The BENDIX G-15 computer was manufactured by Bendix Aviation Corporation, Computer Division, Los Angeles, California, in the mid to late 1950s.

5、 The BENDIX G-15 was about 5 x 3 x 3 feet and weighed about 950 pounds. The base system, without peripherals, cost $49,500 and was available at a monthly rental fee of $1,485.The G-15 could utilize a high-speed paper tape punch for output, punched cards, or a graph plotter. It used magnetic tape sto

6、rage. It utilized paper tape or punched card input. The G-15D could perform addition or subtraction functions at about 2.5 milliseconds and multiplication or division at about 20 milliseconds.The G-15 had vacuum tubes and germanium diodes. 180 tube packs and 300 diode packs.http:/putermuseum.li/Test

7、page/Bendix-G15-1950s.htm计算设备的日益普及化及小型化网络化、普适化及物联网60年代 60年代的CAAD系统是历史上第一代的CAAD系统，应用的计算机为大型机，体积庞大，图形显示以刷新式显示器为基础， CAD装置的价格昂贵绘图和数据库管理的软件比较原始，功能有限。在当时，CAAD中的“D”，与其说是Design，还不如说是Drawing或Drafting。因此第一代的CAAD系统不太合建筑师的口味，而且整个CAD装置的价格昂贵。许多建筑师仍然不知道计算机能够帮他们干些什么，有的甚至对CAAD怀有敌意。整个建筑业界普遍仍然使用“趴图板”方式搞建筑设计。但不管怎样，计算机技

8、术已经引起人们的注意。事实上到了60 年代末，在西方已经有建筑师事务所开始应用CAAD系统。70年代 DEC公司的PDP系列16位计算机问世，在20世纪70年代初，计算机的性能价格比大幅度提高 美国波士顿出现了第一个商业化的CAAD系统ARK-2，该系统运行在PDP15计算机上，可以进行建筑方面的可行性研究、规划设计、平面图及施工图设计、技术指标及设计说明的编制等。 美国著名的SOM建筑师联合事务所为了承接大型项目，在1975年引进了全套CAAD系统，随后应用CAAD系统设计沙特阿拉伯的吉达航空港、阿卜杜拉阿齐兹国王大学以及一些高层建筑获得了成功并取得了巨大的经济效益。他们的举动，对信息技术在

9、建筑设计中的应用产生了很大的影响。Digital Equipments PDP15 Brochure70年代在英国，也开发了几个著名的用于公共建筑设计的CAAD系统，例如用于医院设计的HARNESS系统和OXSYS系统，爱丁堡大学也开发了一个SSHA系统，主要用于住宅设计。日本也在70年代就开展CAAD系统的研制工作。这时出现的CAAD系统以专用型的系统为多，同时还有一些通用性的CAD系统，例如COMPUTERVISION、CADAM等，被用作计算机制图。这个时期出现的CAAD系统大多数只是极为简单的线框造型系统，这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效地表达几何元素间的拓扑关系

10、，更谈不上渲染效果图的生成。这一时期CAAD 的图形技术还是以二维为主，用传统的平面图、立面图、剖面图来表达建筑设计，以图纸为媒介进行技术交流。CAAD的二维绘图技术一直平稳地发展。直到今天，二维绘图仍然占有相当大的比重。Digital Equipments PDP15 Brochure80年代 在80年代对信息技术发展影响最大的是微型计算机的出现，由于微机的价格已经降到人们可以承受的程度，建筑师们将设计工作由大型机转移到微机上。软件工程学的诞生，使CAAD系统的研制有了理论指导。基于16位微机开发的CAAD系统就是在这样的环境下出现的，AutoCAD、MicroStation、ArchiCA

11、D等软件都是应用于16位微机上具有代表性的软件。但基本还是以二维绘图为主。90年代以来 最近这15年是信息技术高速发展的年代，其特征是：高速而且功能强大的CPU芯片、高质量的光栅图形显示器、海量存储器、因特网、多媒体、面向对象技术等。随着个人计算机的拥有量迅速增加，计算机技术和计算机知识也得到了空前的普及。Facility Management Facility Management Generative Design Generative Design Geographic Information System Integrated Building Models Integrated Bu

12、ilding Models Human Computer Interaction Knowledge Management in Design Trends and Case studies in Practice Virtual Architecture Virtual Reality in Design and Planning Web-based Design and Communication Case-based Reasoning Computer & Design Pedagogy Collaborative Design tools and methods City M

13、odeling Digital Design Studio Teaching Digital Methods of Construction Digital Methods of Construction Design Process & Methods Environmental Simulation Future Directions & Visions 计算机制图三维模型及真实感渲染建筑信息模型BIM和BLM生成式设计(generative components)建筑物理环境的计算机模拟虚拟现实 AR基于网络的虚拟现实技术逆向工程及快速成型技术GIS 与三维GISImag

14、e modeled with ArchiCad and rendered on Mac OS using FormZ from autodessys Inc, with its integrated LightWorks rendering engine. Copyright Chaker Azaiez. 三维模型及真实感渲染三维模型及真实感渲染Architectural designers can accurately simulate daylight through a window with LightWorks radiosity, as well as lighting effec

15、ts for complex geometry, such as curved surfaces and variations in lighting levels.三维模型及真实感渲染三维模型及真实感渲染有关建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)和建筑生命周期管理(Building Lifecycle Management，BLM)的观念正在给建筑设计信息化技术的发展带来新的推动力。新一代基于建筑信息模型的建筑设计软件如Revit、TriForma、ArchiCAD已经崭露头角。BIM & BLMBidding and Negotiatio

16、nConstructionClose OutFacilitiesManagementPlanningPreliminaryDesignDesignDevelopmentConstructionDocumentationBuilding Lifecycle ManagementAutoCADAutoCADRevit SeriesBuzzsawDWF ComposerCivil 3DMapGuideBIM的含义建筑信息模型建筑信息模型建筑师建筑师结构工程师结构工程师设备工程师设备工程师建造商建造商业主业主Building Information Modeling, BIM 在一个建筑项目的在一个建

17、筑项目的设计和建造过程中，设计和建造过程中，创造和应用一一对创造和应用一一对应的、内部协调的、应的、内部协调的、可计算的信息。可计算的信息。BIM的含义 NBIMS（美国国家BIM标准）关于BIM的论述 BIM代表新的概念和实践，它通过创新的信息技术和业务结构，将大大消除在建筑行业的各种形式的浪费和低效率。无论是用来指一个产品 Building Information Model（描述一个建筑物的结构化的数据集），还是一个活动 Building Information Modeling（创建建筑信息模型的行为），或者是一个系统 Building Information Management（提

18、高质量和效率的工作以及通信的业务结构），BIM是一个减少行业废料、为行业产品增值、减少环境破坏、提高居住者使用性能的关键因素。BIM的含义 BIM的含义包括三个方面 BIM是建筑项目所有信息的数字化表达（ Building Information Model ） BIM是建立、完善建筑项目信息化模型的行为（ Building Information Modeling ） BIM是一个透明的、可重复的、可核查的、可持续的协同工作环境（ Building Information Management ）PLAN规划规划DESIGN设计设计CONSTRUCT施工施工OPERATE运营运营Existi

19、ng Conditions Modeling 现状建模Cost Estimation 成本预算Phase Planning 阶段规划Programming 规划文本编制Site Analysis 场地分析Design Authoring设计建模Design Reviews 设计方案论证Energy Analysis 能量分析Structural Analysis结构分析Lighting Analysis 日照分析Mechanical Analysis 设备分析Other Eng. Analysis其他分析LEED Evaluation LEED评估Code Validation 规范验证3D

20、Coordination 3D协调Construction System Design 施工系统设计Digital Fabrication 数字化加工3D Control and Planning 三维控制和规划Record Model 记录模型Maintenance Scheduling 维护计划Building System Analysis 建筑系统分析Asset Management 资产管理Space Mgmt/Tracking 空间管理/追踪Disaster Planning 灾害计划Site Utilization Planning 场地使用规划主要BIM应用次要BIM应用BIM

21、的运用BIM设计工具Changing the ProcessBuilding Information ModelingDrawingsBuilding InformationBuilding Lifecycle ManagementRevit Supports the Building Lifecycle Coordination eliminate errors and omissions Time increase efficiency Delivery enable new ways of working Profit new opportunities Cost estimating

22、Bidding Scheduling Construction sequencingImages Courtesy of HBG Construction, London建筑行业流程业主运营业主运营建筑师建筑师工程设计工程设计建筑设备制造商建筑设备制造商总承包商总承包商分包商分包商建造建造/安装安装制造制造管理管理使用使用规划规划设计设计3精益建造2设计制造一体化1整合规划概念概念初步设计初步设计 知识工程模板 详细的产品构造详细的产品构造幕墙设计流程捕捉重复性的设计元素捕捉重复性的设计元素- 简化的 3D 图形- 自动计算零件尺寸及定位- 自动生成零件规格详细的零件或产品设计详细的零件或产品

23、设计- 工程图纸、公差及标注- 系统数据设计迭代设计迭代概念概念 / 初步设计初步设计详细设计详细设计 制造制造骨架线框骨架线框与制造厂协作与制造厂协作设计迭代设计迭代3DEXPERIENCE 平台平台-在3D平台协作-制造级细节-材料清单The top five professional practices admired for their technology expertise has changed somewhat since last year:2012 20131. HOK1. HOK2. Gehry Partners2. Gehry Partners3. Kieran Tim

24、berlake3. SHoPFabricating ArchitectureFabricating ArchitectureFabricating ArchitectureFabricating ArchitectureFabricating ArchitectureFabricating Architecturehttp:/www.case- LOD 400 Cast Stone Panel Fabrication Models and Coordination Louisiana State Museum and Sports Hall of FameModel Authoring and

25、 DocumentationBIM is not a single model or software, it is the process of managing geometric elements and the associated data in order to accomplish specific tasks. CASE has extensive experience creating BIM deliverables in a variety of software platforms throughout all phases of a project. We provi

26、de comprehensive modeling.Project Parametric Modeling, Automation and Documentation Stanford University Bing Concert HallCATIA LighthouseJohn CERONENew YorkJohn CERONE3DEXPERIENCE connects the Dots2013-08-149348123D Experience platform is the first convincing effort towards a holistic project enviro

27、nment. We are using ENOVIA to manage project durations and milestones, assign tasks and CATIA-based deliverables to team members across both the design and fabrication disciplines. 建筑设施管理生成式构件(generative components) GenerativeComponents is a parametric and GenerativeComponents is a parametric and as

28、sociative design system. Allows designers to associative design system. Allows designers to explore alternative design scenarios without explore alternative design scenarios without manually rebuilding the design modelmanually rebuilding the design model 参数化设计代表了当今参数化设计代表了当今CADCAD技术发展的一个重要方技术发展的一个重要

29、方向，参数化设计一般是指设计对象的结构形状与设计向，参数化设计一般是指设计对象的结构形状与设计对象的控制尺寸之间有显式对应关系，设计结果可被对象的控制尺寸之间有显式对应关系，设计结果可被尺寸驱动，从而可以通过参数的调整衍生不同的设计尺寸驱动，从而可以通过参数的调整衍生不同的设计对象。传统的对象。传统的CADCAD绘图软件产生的是静态的几何图形，绘图软件产生的是静态的几何图形，而实际上相当多的设计工作都是在原有设计基础上的而实际上相当多的设计工作都是在原有设计基础上的修改改进，参数化几何造型系统可以使得设计图形可修改改进，参数化几何造型系统可以使得设计图形可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变

30、化而自动以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形，从而大幅度提高设计效率。修改图形，从而大幅度提高设计效率。 生成设计生成式设计(generative components)Generative Components -Various SmartGeometry project examples from ACADIA图片来源：/tech.htm3生成式设计(generative components)来源:生成式设计(generative components)来源:生成式设计(generative components)来

31、源:Data Stream Matching*（匹配数据流）Interior design using composite bamboo strips, at Tang Palace, Hangzhou,China, designed by Atelier FCJZ.The roof structure of Yeoju Golf Club, South Korea, designed by Shigeru Ban, manufactured from timber using NC machining.The Korkeasaari Lookout Tower in Helsinki, Fi

32、nland, with the outer shell built from laminated timber beams. Photos by Jussi Tiainen.逆向工程(Reverse Engineering，RE)案例简介:三维扫描点云三维设计模型原型视图1(删除树木及过山车及支架等噪点)视图2(山体截面图)生成面模型结构布置The modified exit path space.互动建筑:Physical Computing, Ubiquitous ComputingExample: The HEX curtain is designed to open and close

33、 automatically in response to natural daylighting conditions. Each row of the HEX curtain is composed of hexagonal shaped apertures that are covered by 2 operable shields.http:/www.rael- Arduino是一个开放源码电子原型平台，拥有灵活、易用的硬件和软件。Arduino专为设计师，工艺美术人员，业余爱好者，以及对开发互动装置或互动式开发环境感兴趣的人而设的。 Arduino可以接收来自各种传感器的输入信号从而

34、检测出运行环境，并通过控制光源，电机以及其他驱动器来影响其周围环境。板上的微控制器编程使用Arduino编程语言（基于Wiring）和Arduino开发环境（以Processing为基础）。Arduino可以独立运行，也可以与计算机上运行的软件（例如，Flash，Processing，MaxMSP）进行通信。Arduino+SoundSensor+智能手机+GIS dataServerGIS Data课程设计:课程设计:qbotix robot maximizes solar panel outputcalifornia start-up qbotix has envisioned the s

35、olbot, a robot which runs on a track positioned alongside solar panels. a magnet helps it locate each station. as it approaches an assembly, it stops and attaches itself to it, then tilts and modifies the angle of the unit towards the sun throughout the course of a day - much like the the behavior o

36、f a sunflower - increasing the power output of a single solar panel by 40%. each lithium battery-powered robot measures approximately 1.5-meters long and 1-meter high, and performs dual-axis adjustments, but at a reduced cost, the same as that of single-axis trackers which comparatively generate les

37、s electricity. as the sun moves approximately 10 degrees every 40 minutes, the solbot is designed to manage up to 200 panels in 40 minutes (this can be increased for larger solar farms), before it begins its round on the track again re-orienting the cells according to the suns position -as one robot

38、 moves along its path, another is charging in a docking station. outfitted with a GPS, sensors and wireless connection, the solbot is able to collects data on the performance of these units, relaying data back to the owner. qbotix is selling each system in 300-kW units which includes a robot, a back

39、-up robot, steel track and stands for mounting the solar panels.互动墙互动设想Kinect + ArduinoMes-Etoiles, is an interactive wall that responds to the presence of people by displaying feedback on the wall as light patterns. Equipped with sensors which could sense the viewers motions, the constellation comp

40、osed of several hundreds of white light spots on the semi-transparent surface becomes activated as the audience approaches closer. Displaying mysterious effects, this work gives an impression as thought one is drawing pictures with lights.Environmental noise interactive facadeThere are environmental phenomena that are far from the experience and knowledge of people. For instance, when we speak of noise pollution and measure noise levels in dB, we dont have a clear idea of what it means, wha