CAAD方法复习提纲(一)

CAAD

第一讲绪论

计算机辅助建造设计包含的主要内容

1参数化设计（设计、结构分析、光照分析）

定义：建立可以用参数驱动的几何关联模型，方便设计的调节与修改

使用场地条件、功能需求等作为输入条件，构建参数化模型，生

成设计。

优点：建造的新范式数字化设计的新语境

无处不在的运算高度确切，高度的关联

高度灵便的适应性非线性设计调节机制

2数据关联与分享

3

计算机辅助制图ComputerAidedArchitecturaldrawing

设计与建模的软件环境DesignandModelingTools

参数化与生成式设计ParametricandGenerativeDesign

建造性能模拟、检验与优化Simulation,Test,Optimization

信息集成与协同设计BuildingInformationModel

虚拟建成环境VisualReality

数字化加工与建造DigitalFabricationandConstruction

数字控制的建成环境BuildingAutomation,IntelligentBuilding

4

计算设计研究与教诲

计算设计分析

生成式、参数化和演进设计

数控加工与建造

协同与集群设计

设计过程的使用者参加

形态研究

设计认知

朽木易折，金石可镂。

设计创新的数字辅助

新的数字设计概念和策略

虚拟/增强现实、交互环境

虚拟建造与城市建模

人机交互

普适与移动计算

基于实践的跨学科计算设计研究

计算设计研究的理论、哲学和主意论

CAAD的特点

•从2D到3D,发展的必然方向

•设计中的感性因素，建造设计的特点

•确切性与发明性，不同设计阶段的不同要求

•多因素、多目标的优化，建造设计的本质

人工智能主意

虚拟现实技术

图像处理（PS）

建造信息模型（BIM）

数控加工与建造（激光切割）

CAAD未来的发展方向

计算能力的迅速发展

硬件

软件：越发智能和人性化

互联网：迅速的信息传递、集群与涌现

云计算：基丁网络的软硬件服务

人与计算机更密切的合作与融合一一知识获取、生活方式、信息传扬、经济、

社会

摩尔定律

当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增强一倍,

性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻

一番以上。这一定律揭示了信息技术长进的速度。

第二讲计算机图形学（打印）

1.1坐标系

左手右手球

世界坐标与局部坐标：

几何场景：定义在一个世界坐标系中，由许多物体组成。物体的几何描述与

空间坐标系密切相关。对于相同的几何物体，在不同的坐标系中会有不同的

表示形式。挑选空间坐标系，使得几何物体的表示最容易。该坐标系称为局

部坐标系C

1.2体素、八叉树

体素：Voxel,volumetricpixel/VolumetricPicture日ement

用小立方体集合（数组）表示立体。数据结构容易，但存储数据量大。

体素是体积元素（volumepixel）的简称，包含体素的立体可以通过立体渲染或者提

取给定阈值轮廓的多边形等值面表现出来。

八叉树

（用大小不同的立方体集合表示）

求出立体形状的包围盒（立方体）；

沿长、宽、高三方向二等分，得8个立方体•判断每个立方体：

（A）在形状内部，（B）在形状外部，（C）交于形状边界；

对于（C）情况，进一步8等分，反复举行，直到分的小立方体小于某设定值。

1.3CSG原体的集合运算

CSG树：将容易的原体通过一系列儿何操作组合起来

原体：立方体、球、圆柱、圆锥等。

几何操作布尔运算：并、交、差、补等。几何变换：平移、旋转、放缩、剪切

等

1.4边界表示

朽木易折，金石可镂。

是通过点、棱、面及衔接信息表示的

点：由坐标(x,y,z)决定---几何信息；

棱：曲线、直线的数学公式和由哪个端点构成的衔接信息

而：由数学公式及面和棱之间的衔接信息表示。

两种主意：多边形与自由曲面

三角形网格表示的半边结构

注重半边的概念

自由曲线、曲面的参数表示

随意曲面参数表示的普通形式：

P(t)(x(t),y(t),z(t))

P(u,v)(x(uzv),y(u,v),z(uzv))

由控制点生成曲线(曲面)的普通表达式，以及权函数需满意的条件

第三讲参数化设计主意

参数化设计主意的不同定义

通过特定的计算机编程设计工具去应对设计过程中的一系列设计变量，这样

的设计能够对形态，功能，以及环境变量保持敏感。

------PatrikSchumacher

建造的外部影响及内部要求可以看作一个复杂系统，众多外部及内在因素的

综合作用决定设计结果。我们可以把各种影响因素看成参变量(Parameter),

并在对场地及建造性能(Performance)研究的基础上，找到联结各个参变量

的规矩，进而建立参数模型(Parametricmodel),运用计算机技术生成建造

体量、空间、或结构，且可以通过改变参变量的数值，获得多解性及动态性

的设计计划。

参数化设计的关键环节

设计需求信息的数字化。对周边环境特征和人的活动行为数据的收集收拾和

数字化，作为计算机内形态生成的基础。

•设计参数关系确实立。找到影响设计的某些主要因素表现出来的行为或现

象，并用某些关系或规矩来模拟这些行为或现象的特征，这样就有了基本的

设计参数关系。

・计算机中参数化模型的建立。用计算机语言描述参数关系，形成参数化模

型。当对参数化模型输入一定的参数信息时，就得到了设计雏形。

•设计雏形的进化。从某些主要因素得到的设计雏形普通只解决了复杂系统

的主要矛盾，设计雏形还需要在其他因素的作用下进化，从而发生形态优化

变形，并发展成为令人惬意的设计结果。

•总算设计形体的参数化结构系统及构造逻辑。通过深入上述生形步骤的内

在逻辑，或者结构应力分析和构造研究，或者向天然生物结构学习等途径，

完成不规矩非线性体的结构系统及构造逻辑设计。

•设计成绩的测试与反馈。参数化设计过程的终极目标是要获得最高程度满

意使用要求的设计结果C通过模拟软件等对设计结果举行测试，并反馈到以

上各个环节，以使设计结果更趋完美。

参数化设计的特点

•参数化过程设计的起点在于对人及环境的尊重；

•设计策略在于通过判断和取舍对过程的控制决定设计结果；

•设计过程遵循前后延续的因果逻辑关系以获得与设计起点相对应的设计结

果；

•结构逻辑及构造逻辑的研究保证了设计结果的可实施性

常用逻辑（生成途径）：功能流线物理数学模型生物多代理系统

常用参数化设计工具的特点

GrasshopperRhinoceros中的一种图形化、模块化的编程工具

RhinoScript一种容易的计算机编程语言，提供与Rhinoceros的工具相对应的

众多MeLhod以“算机程序的方式，调用Rhinoceros中的三维建模功能

第五讲BIM与协同设计

BIM的定义（AIA专业版）及深层理解

BIM是以三维模型为载体的项目信息数据库〔数字化的建造三维几何模型）。

深层理解：

朽木易折，金石可镂。

1、既是一种工具和主意，更重要的是一种思想和理论；

2、既是表达的结果和形式，更重要的是表达的过程和体系；

3、归根结底是信息，是信息的载体和系统，是创建、管理和使用信息的

过程；

4、是从根本上变革建造行业运作模式的深层动因；

BIM是全面数字化、高度集成化、深层系统化的建造全生命周期信息创建、

管理和使用模式，它将从根本上变革已有的设计表达范式和行业运作模式。

全周期

BIM的主要优点

协同工作模式

新的设计表达范式

新的行业运作模式

3D与2D的比较（表达）

集成高效（节约时光）

直观可观（所见即所得，建造的模型与建造都很直观）

协同设计（虚拟现实的资料库是协同设计的基础）

缺陷预查（通过日照模拟、通风模拟、施工模拟）

智能运维

残破交互（通过bim翻译，节约翻译时光）

BIM的核心建模软件及其特点

1.核心建模软件

2.计划设计软件

3.几何造型软件

4.可持续分析软件

5.机电分析软件

6.结构分析软件

7.可视化软件

8.深入设计软件

9.综合碰撞检查软件

10.造价管理软件

11.运营管理软件

12.二维绘图软件

13.发布审核软件

民用建造主要用AutodeskRevit,ArchiCAD;

工厂设计和基础设施主要用Bentley;

单专业建造事务所挑选ArchiCAD、Revit、

Bentley都可以；

项目彻低异形、预算比较充裕的可以挑选Digital

Project或CATIA;

BIM实践现状与问题

1.相关专业软件滞后，本地化推进不力

因为软件及本地化不足的缘故，BIM设计还无法实现全专业的协同设计。比如结

构的BIM

软件至今无法与PKPM计算软件举行模型交换，机电设计软件缺乏本地化的开辟

寸守9/A

而造成BIM的协同设计优势远远没有发挥出来。

2.收费混乱与过度营销

BIM设计当前有两种形式:设计院内部的BIM设计部门与外围单位的“BIM顾问

咨询”单位。

对于前一种，设计单位在合同洽谈时常常受到质疑，因为还没有出台相关的BIM

设计取费

标准。对丁后一种，大量没有设计资质和经验的团队充斥市场，一方面将BIM

“忽悠"成

万能灵药，另一方面以低的价格提供缩水的BIM翻图服务，在一定程度上对刚

刚起步的

BIM推广造成了伤害，影响了第一批尝鲜的建设单位对BIM的评价。此外，对于

投入了很

朽木易折，金石可镂。

多时光、金钱和精力，致力发展BIM的BIM服务供养者也是异常不平等。

3.施工企业的缺失

与美国的施工由总包推进不同，我国的施工企业还处于一种生存和竞争模式之

中。难有推

进BIM应用的原动力。而施工企业的缺失造成了BIM的后期效益难以发挥。

第六讲人工智能主意

人工智能的定义

人工智能是指研究如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能；如何使计算机变

得更聪敏、更能干；如何设计和发明具有更高智能水平的计算机的理论、主意、

技术及应用系统的一门新兴科学技术。

人工智能的研究及应用领域

1.问题求解；

2.机器学习；

3.专家系统；

4.模式识别；

5.自动定理证实；

6.自动程序设计；

7.天然语言理解；

8.机器人学；

9.人工神经网络；

10.智能检索

建造设计问题的特点

软计算

传统计算（硬计算）的主要特征是郑重、决定和确切。但是硬计算并不相宜处理

现实生活中的许多问题，例如驾驶汽车。软计算通过对不决定、不确切及不彻低

真值的容错以取得低代价的解决计划和鲁棒性。它模拟天然界中智能系统的生化

过程（人的感知、脑结构、进化和免疫等）来有效处理日常工作。

软计算包括几种计算模式：含糊逻辑、人工神经网络、遗传算法和混沌理论。这

些模式是互补及互相配合的，因此在许多应用系统中组合使用。

多目标求解

维特鲁威在《建造十书》中提出了建造的“结实、适用、美观(firmitas,utilitas,

venustas)”的原则。从问题求解的角度来看，我们可以将建造设计看作是一个多

目标问题的求解过程，建造师必须在设计中同时处理“结实、适用、美观”及其

他设计要求，实现最好的综合效益。

多目标问题中的各目标采用了不同的评价体系，有的时候它们会互相促进，有的

时候则互相制约。

人工神经原网络的基本模型，多层人工神经原网络的信息传递

多代理系统的基本特点，细胞自动机的规矩和演变方式

多代理系统(MAS)是由多个互相作用的智能主体(Agant)组成的系统.

细胞自动机是由一些特定规矩的格子所组成，每个格子看做是一个细胞；每一个

细胞可以具有一些状态，但是在某一时刻只能处一种状态之中。随着时光的变化

(我们称作「迭代」过程)，格子上的每一个细胞按照周围细胞的情形，按照相

同的法则而改变状态，换句话说，一个细胞的状态是由上一个时刻所围绕的细胞

的状态所决定。以人工生命的角度来看，细胞自助机可以视为一个让许多单细胞

生物生活的世界，在我们设定好这个世界的初始状态之后，它们便按照同一个规

矩做演变。

遗传算法的定义，演变流程(图表)，二进制编码、交错、变异

遗传算法是计算数学中用于解决最优化的搜索算法，是进化算法的一种。进化算

法最初是借鉴了进化生物学中的一些现象而发展起来的，这些现象包括遗传

(inheritance)>突变(mulalion)、天然挑选(selection)以及杂交(mulation)等。

第八讲数控建造主意

CNC机床的加工方式

是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其

他符号指令规定的程序,通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作,

朽木易折，金石可镂。

通过刀具切削将毛坏料加工成半成品成品零件

迅速成型技术的特点，以及三种不同的迅速成型工艺

RP系统可以按照零件的形状，每次制做一个具有一定极小厚度和特定形状的截

面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需发明的立体的零件。固然，HE

过程是在计算机的控制下，由迅速成形系统自动完成的。不同公司发明的RP系

统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的,

那就是“分层发明、逐层叠加”。这种工艺可以形象地叫做“增长法"或“加法\

三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的。3DP工艺与

SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。材料粉末通过喷头

用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件

强度较低，还须后处理.

详细工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离(等于层厚：0.013〜

0.1mm)，供粉缸升高一高度，推出若干粉末，并被铺粉辑推到成型缸，铺平并

被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有挑选地喷射粘结剂

建造层面。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，总算完成一个三维粉体的

粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后,

比较容易去除。

熔融挤出成型(FDM)工艺的材料普通是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，

以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，

同时将熔化的材料挤