计算机辅助设计简介，基于模型的产品定义（MCD）设计

1）计算机辅助二维设计

20 世纪60 年代出现了计算机辅助设计（CAD），即利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，这项设计技术开始替代手工绘图，使设计工作甩开图板变成了可能。1962 年，“计算机图形学之父”Ivan E.Sutherland 在其博士论文Sketchpad：A Man Machine Graphical Communication System 中首次提出“计算机图形学”这个术语，并提出了“交互技术”“分层存储符号的数据结构”等基本概念，奠定了交互式计算机图形学的基础。20世纪60 年代后期，功能实用的CAD 系统开始出现，例如洛克希德飞机制造公司的CADAM系统、通用汽车公司的DAC-1 系统等，CAD 逐渐被许多企业所接受，从而形成了产业。

基于CAD 技术的二维图样逐渐取代手工绘制图样，成为工程表达的标准方式，形成了工程界的第二代语言。CAD 技术将工程图纸这类信息载体转换为相应的CAD 文件，实现了手工绘图的计算机化，甩掉了沿用两百余年的图板、丁字尺等绘图工具，如图3.3 所示，提高了绘图效率和图纸的再利用性。

图3.3　手工绘图与CAD绘图

2）基于模型的产品定义（MCD）设计

20 世纪80 年代，随着CAD 设计平台的不断完善，冲破二维图纸设计的局限性，三维建模技术开始发展，工程产品的设计工具进入“以二维工程图为主，三维模型为辅”的阶段。建筑产品设计突破了传统意义上的“只有长宽两种尺度”，可以从更全面的三维空间视觉上获取建筑设计的信息数据，三维模型成为建筑设计的主导方法。计算机实现了采用基本的体素（Primitives）来精确构造建筑产品的几何形态、用三维模型清晰表达产品的物理信息。1975 年，Chuck Eastman 提出“建筑描述系统”（Building Description System，BDS）概念，主张在设计中采用三维一体化的方式来描述建筑物；20 世纪80 年代初，匈牙利Graphisoft公司提出“虚拟建筑”（Virtual Building，VB）概念，并以之为指导，开发了Archi CAD 系列软件，实现了三维建模。但是对于工程建造领域的实践而言，这一阶段的三维应用并未形成大规模普及。

在制造业中，工程模型化始终走在了工程建造领域的前面。实际上，在20 世纪80 年代初，随着计算机技术在工程设计和生产综合效率方面的提升和需求，除了在设计过程中利用CAD 开展设计工作，在生产过程中还出现了计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning，CAPP）、计算机辅助制造体系（Computer Aided Manufacturing，CAM）等方面的工作。例如，面向产品生产过程，工艺设计人员可以利用相关软件进行工艺方案设计、计算机辅助工艺规划，如工程建造中的施工深化设计；在某些机械化、自动化程度较高的工艺环节，将相关设计工艺转化为数控指令集合，直接驱动机械设备按设计工艺进行高效率自动化生产，发展形成了计算机辅助制造体系。

计算机技术促使工程师思考如何将产品设计和产品生产阶段集成起来，挖掘计算机集成技术在工程分析、辅助生产、组织管理方面的巨大应用价值。随着各种专业应用技术体系逐渐成熟，制造业行业的需求不再满足三维模型所表达的几何尺寸，开始探索如何将各种信息与产品设计三维模型进行协同和集成，打通业务线之间的信息壁垒，满足产品设计和管理之间的数据关联，于是提出了一种新的设计方式——“基于模型的产品定义（MBD）”设计。

基于模型的产品定义（MBD），即充分利用三维模型本身的直观表现力，探索新的设计表达方式，将产品几何、材质、性能、生产工艺等相关信息有序地集成到三维模型中，实现异构信息的同构化，既能完整、直观地反映产品全貌，又能针对不同的应用业务主体准确交付合适的信息，为产品设计信息的高效利用奠定基础。这一方式的出现，实现了画法几何向基于模型定义的转变，加快了对产品三维乃至多维的认知。(www.xing528.com)

MBD 并不是工程相关信息的简单堆砌，而是强调将所有需要定义的产品信息，按模型化方式进行组织，其中不仅有描述产品几何形状的基本信息，还包含材料性能、工艺描述、技术规范、质量要求等多方面的属性信息，由此形成基于模型的产品定义数据集合。这些数据集合来自或服务于CAD / CAE / CAPP / CAM 各种计算机辅助系统的各个维度工作，形成产品的数据模型（Product Data Model，PDM），据此管理人员可以进一步生成物料清单（Bill of Material，OM），制订生产资源计划（Manufacture Resource Planning，MRP）和企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP），实现企业与企业之间协作的供应链管理（Supply Chain Management，SCM）。这种设计方式是制造业之所以能快速向数字化、智能化转型的关键基础，在工程建设领域中，基于MBD 的设计方式还尚未完全实现，这也是智慧建造需要迅速追赶的方向。

在建设工程领域中，基于MBD 设计理念的一个技术就是建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）。BIM 最初发源于20 世纪70 年代的美国，由美国佐治亚理工学院建筑与计算机学院的Chuck Eastman 提出。他将BIM 定义为“Building information modeling integrates all of the geometrics and capabilities, and piece behavior information into a single interrelated description of a building project over its lifecycle.It also includes process information dealing with construction schedules and fabrication processes.”（建筑信息建模是将一个建筑建设项目在整个生命周期内的所有几何特性、功能要求与构件的性能信息，综合到一个单一的模型中。这个单一模型的信息中还包括了施工进度、建造过程的过程控制信息等）。

BIM 技术从根本上改变了长达两百余年的二维图样设计思路，突破了正投影法和三视图的表达方式，形成了建筑工程界的第三代语言。BIM 技术将各专业的CAD 文件融合为信息模型,如图3.4 所示，实现了工程设计、计量计价、施工装配、运营维护等信息高度集成、协同和融合，建立了多维数字化设计、施工、运维一体化集成体系。BIM 实现了三维核心建模和多维信息集成，也彻底解决了“设计降维，施工升维”的问题，避免了建筑各专业之间的设计冲突，实现了建设各参与方之间的设计信息互用。

图3.4　BIM模型（ArchiCAD）示意图

基于BIM 的设计具备了“基于模型的产品定义（MBD）”的数字化特征，能支撑多维度、多阶段的信息集成，但目前建筑产品的设计与生产之间的数据信息互通还没有完全实现，当前智慧建造急需突破的就是形成面向建筑产品的“基于模型的产品定义”的思路，面向建筑设计需求、产品生产工艺、施工工艺集成化的展开设计工作。

从传统二维设计到MBD 设计，建筑设计的理念、工具和方法都在不断地发生转变，同时随着信息化手段不断进步，建设设计思维和工具也在发展变化（表3.1）。其中，参数化设计和生成式设计将在第3.3 小节中进行介绍。

表3.1　建筑设计的发展变化表