计算机辅助建筑设计概述

计算机辅助建筑设计计算机辅助设计简介CAD(Computer-AidedDesign)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(ComputerAidedArchitecturalDesign)发展起点

1963年，美国麻省理工学院的博士研究生

IvanSutherland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。

IvanSutherlandattheconsoleoftheTX-2-SketchpadProject,MIT,1963

Dr.IvanSutherlandintheclassroom,CaliforniaInstituteofTechnology,1976

/classes/cs6751_97_fall/projects/abowd_team/ivan/ivan.htmlIvanSutherlandisconsideredbymanytobethecreatorofComputerGraphics.StartingwithhisPh.D.thesis,Sketchpad,SutherlandhascontributednumerousideastothestudyofComputerGraphicsandComputerInteraction.Ivanintroducedconceptssuchas3-Dcomputermodeling,visualsimulations,computeraideddesign(CAD)andvirtualreality.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(EllerbeAssociates)装置了一台BendixG15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。BendixG15Computer(circa1958)TheBENDIXG-15computerwasmanufacturedbyBendixAviationCorporation,ComputerDivision,LosAngeles,California,inthemidtolate1950's.TheBENDIXG-15wasabout5x3x3feetandweighedabout950pounds.Thebasesystem,withoutperipherals,cost$49,500andwasavailableatamonthlyrentalfeeof$1,485.TheG-15couldutilizeahigh-speedpapertapepunchforoutput,punchedcards,oragraphplotter.Itusedmagnetictapestorage.Itutilizedpapertapeorpunchedcardinput.TheG-15Dcouldperformadditionorsubtractionfunctionsatabout2.5millisecondsandmultiplicationordivisionatabout20milliseconds.TheG-15hadvacuumtubesandgermaniumdiodes.180tubepacksand300diodepacks.putermuseum.li/Testpage/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，对信息技术在建筑设计中的应用产生了很大的影响。DigitalEquipment'sPDP15Brochure70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，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。DigitalEquipment'sPDP15Brochure80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、ArchiCAD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。FacilityManagementGenerativeDesignGeographicInformationSystemIntegratedBuildingModelsHumanComputerInteractionKnowledgeManagementinDesignTrendsandCasestudiesinPracticeVirtualArchitectureVirtualRealityinDesignandPlanningWeb-basedDesignandCommunicationCase-basedReasoningComputer&DesignPedagogyCollaborativeDesigntoolsandmethodsCityModelingDigitalDesignStudioTeachingDigitalMethodsofConstructionDesignProcess&MethodsEnvironmentalSimulationFutureDirections&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(generativecomponents)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GIS计算机制图计算机制图ImagemodeledwithArchiCadandrenderedonMacOSusingForm•Zfromauto•des•sysInc,withitsintegratedLightWorksrenderingengine.

©CopyrightChakerAzaiez.

三维模型及真实感渲染ArchitecturaldesignerscanaccuratelysimulatedaylightthroughawindowwithLightWorksradiosity,aswellaslightingeffectsforcomplexgeometry,suchascurvedsurfacesandvariationsinlightinglevels.

三维模型及真实感渲染有关建筑信息模型(BuildingInformationModeling，BIM)和建筑生命周期管理(BuildingLifecycleManagement，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&BLMBiddingandNegotiationConstructionCloseOutFacilitiesManagementPlanningPreliminaryDesignDesignDevelopmentConstructionDocumentationBuildingLifecycleManagement

AutoCADAutoCAD

RevitSeriesBuzzsawDWFComposerCivil3DMapGuideBIM的含义建筑信息模型建筑师结构工程师设备工程师建造商业主BuildingInformationModeling,

BIM–在一个建筑项目的设计和建造过程中，创造和应用一一对应的、内部协调的、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——BuildingInformationModel（描述一个建筑物的结构化的数据集），还是一个活动——BuildingInformationModeling（创建建筑信息模型的行为），或者是一个系统——BuildingInformationManagement（提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（BuildingInformationModel）BIM是建立、完善建筑项目信息化模型的行为（BuildingInformationModeling）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（BuildingInformationManagement）BIM的运用BIM设计工具ChangingtheProcess

BuildingInformationModelingDrawingsBuildingInformationBuildingLifecycleManagement

RevitSupportstheBuildingLifecycleCoordination–eliminateerrorsandomissionsTime–increaseefficiencyDelivery–enablenewwaysofworkingProfit–newopportunitiesCostestimatingBiddingSchedulingConstructionsequencingImagesCourtesyofHBGConstruction,London建筑行业流程业主运营建筑师工程设计建筑设备制造商总承包商分包商建造/安装制造管理使用规划设计3精益建造2设计制造一体化1整合规划概念初步设计

知识工程模板

详细的产品构造幕墙设计流程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

工程图纸、公差及标注

系统数据设计迭代

概念/初步设计

详细设计

制造骨架线框与制造厂协作设计迭代3DEXPERIENCE平台在3D平台协作

制造级细节材料清单Thetopfiveprofessionalpracticesadmiredfortheirtechnologyexpertise

haschangedsomewhatsincelastyear:2012 20131.HOK 1.HOK2.GehryPartners 2.GehryPartners3.KieranTimberlake 3.SHoPFabricatingArchitectureFabricatingArchitectureFabricatingArchitectureFabricatingArchitectureFabricatingArchitectureFabricatingArchitecture/content/contractors-fabricatorsProjectLOD400CastStonePanelFabricationModelsandCoordinationLouisianaStateMuseumandSportsHallofFameModelAuthoringandDocumentationBIMisnotasinglemodelorsoftware,itistheprocessofmanaginggeometricelementsandtheassociateddatainordertoaccomplishspecifictasks.CASEhasextensiveexperiencecreatingBIMdeliverablesinavarietyofsoftwareplatformsthroughoutallphasesofaproject.Weprovidecomprehensivemodeling...ProjectParametricModeling,AutomationandDocumentationStanfordUniversityBingConcertHallCATIALighthouseJohnCERONENewYorkJohnCERONE3DEXPERIENCEconnectstheDots2013-08-149348123DExperienceplatformisthefirstconvincingefforttowardsaholisticprojectenvironment.WeareusingENOVIAtomanageprojectdurationsandmilestones,assigntasksandCATIA-baseddeliverablestoteammembersacrossboththedesignandfabricationdisciplines.建筑设施管理生成式构件(generativecomponents)

GenerativeComponentsisaparametricandassociativedesignsystem.Allowsdesignerstoexplorealternativedesignscenarioswithoutmanuallyrebuildingthedesignmodel参数化设计代表了当今CAD技术发展的一个重要方向，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CAD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化而自动修改图形，从而大幅度提高设计效率。生成设计生成式设计(generativecomponents)GenerativeComponents-VariousSmartGeometryprojectexamplesfromACADIA图片来源：/tech.htm[3]生成式设计(generativecomponents)来源:生成式设计(generativecomponents)来源:生成式设计(generativecomponents)来源:DataStreamMatching*（匹配数据流）Interiordesignusingcompositebamboostrips,atTangPalace,Hangzhou,China,designedbyAtelierFCJZ.TheroofstructureofYeojuGolfClub,SouthKorea,designedbyShigeruBan,manufacturedfromtimberusingNCmachining.TheKorkeasaariLookoutTowerinHelsinki,Finland,withtheoutershellbuiltfromlaminatedtimberbeams.PhotosbyJussiTiainen.逆向工程(ReverseEngineering，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Themodifiedexitpathspace.互动建筑:PhysicalComputing,UbiquitousComputingExample:The

HEX

curtain

isdesignedtoopenandcloseautomaticallyinresponsetonaturaldaylightingconditions.Eachrowofthe

HEX

curtain

iscomposedof

hexagonalshapedaperturesthatarecoveredby2operableshields./?p=1355Arduino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+GISdataServerGISData课程设计:课程设计:qbotixrobotmaximizessolarpaneloutputcaliforniastart-upqbotixhasenvisionedthe'solbot',arobotwhichrunsonatrackpositionedalongsidesolarpanels.amagnethelpsitlocateeachstation.asitapproachesanassembly,itstopsandattachesitselftoit,thentiltsandmodifiestheangleoftheunittowardsthesunthroughoutthecourseofaday-muchlikethethebehaviorofasunflower-increasingthepoweroutputofasinglesolarpanelby40%.eachlithiumbattery-poweredrobotmeasuresapproximately1.5-meterslongand1-meterhigh,andperformsdual-axisadjustments,butatareducedcost,thesameasthatofsingle-axistrackerswhichcomparativelygeneratelesselectricity.asthesunmovesapproximately10degreesevery40minutes,the'solbot'isdesignedtomanageupto200panelsin40minutes(thiscanbeincreasedforlargersolarfarms),beforeitbeginsitsroundonthetrackagainre-orientingthecellsaccordingtothesun'sposition-asonerobotmovesalongitspath,anotherischarginginadockingstation.outfittedwithaGPS,sensorsandwirelessconnection,the'solbot'isabletocollectsdataontheperformanceoftheseunits,relayingdatabacktotheowner.qbotixissellingeachsystemin300-kWunitswhichincludesarobot,aback-uprobot,steeltrackandstandsformountingthesolarpanels.互动墙互动设想Kinect+ArduinoMes-Etoiles,isaninteractivewallthatrespondstothepresenceofpeoplebydisplayingfeedbackonthewallaslightpatterns.Equippedwithsensorswhichcouldsensetheviewers´motions,theconstellationcomposedofseveralhundredsofwhitelightspotsonthesemi-transparentsurfacebecomesactivatedastheaudienceapproachescloser.Displayingmysteriouseffects,thisworkgivesanimpressionasthoughtoneisdrawingpictureswithlights.EnvironmentalnoiseinteractivefacadeThereareenvironmentalphenomenathatarefarfromtheexperienceandknowledgeofpeople.Forinstance,whenwespeakofnoisepollutionandmeasurenoiselevelsindB,wedon’thaveaclearideaofwhatitmeans,whatarethehealthissuesetc.Forpeopletounderstandthesephenomenatheyneedtobecomefamiliarwiththem.Itisnecessarytostartthinkingaboutinformationsystems,datavisualizationandtheinteractionwiththemthatencouragetheunderstandingandcontributetodisseminatethisknowledge,andmakedecisionsaboutit.Thenoiseinteractivefacaderespondstoenvironmentalnoiselevelindifferentfrequenciesbyalteringitssurfacedistortingthereflectedimage.4frequenciesrangeswerechosenintheaudiblespect