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CAD计算机和信息技术现在已全方位的渗透到了各种传统行业，建筑行业也不例外，计算机辅助设计（CAD）已经成为工程设计的重要部分。但是根据相关的报告，建筑业的数字化程度目前还处于很低的位置，仅仅高于农业（如下图所示）。BIM（Building Information Modeling 建筑信息模型）是目前建筑行业的热点，被誉为自“甩图板”后第二次设计革命。但是和“甩图板”相比，BIM在实际应用中却遇到了一些困难。“甩图板”只是用程序计算代替了手工计算，以计算机绘图代替了手工绘图，不需要改变管理模式，所以接受起来相对比较容易，而BIM则涉及到对传统设计方式的改变。不论怎么讲，BIM在某种程度上是计算机辅助设计技术（CAD）的发展和延伸，了解CAD的发展历史，对我们深入了解计算机在设计行业的作用和影响会有一定的帮助。但是目前对计算机辅助设计的发展历史，尤其是改革开放前的历史，大家所了解的都比较少。这次，我将简要梳理下早期CAD的历史。
设计的一般流程
设计过程是一个操作序列，它将一个概念，一个只存在于某个人头脑中的东西的概念与一个具体的描述联系起来。一个东西的完整设计应有足够的准确度和细节以能够让其被精确的制作出来。设计一般可以被分为如下几个过程：
（1）草图设计阶段(drafting), 即创建对象的图形描述。
（2）检查和评估 (correction and amendments), 设计师检查形成的描述是否与他开始时的概念匹配，并且在其他方面令人满意。
（3）更正和修正 (checking and evaluation), 当发现错误或者设计者决定尝试不同的解决方案或修改描述的某些部分时，有必要删除并重新绘制一些元素。
（4）分析 (analysis), 一旦设计者对描述表示满意，则必须更详细地分析它，需要进行如物理分析或各种受力分析，这个过程通常涉及有限元分析。
（5）制造信息 (manufacturing information), 有必要确保描述包含制造阶段所需的所有信息如尺寸，公差等。
而CAD可以追溯到至少三个截然不同的来源，每个来源都是试图“计算机化”设计过程的不同部分。
第一个涉及在计算机上绘制图形。持这种想法的人主要想利用计算机程序来帮助设计师摆脱在设计的起草阶段，检查和评估阶段以及绘图阶段繁琐、费时和精度低的手工绘图。对于早期的大型机来说，作为图形编辑的CAD会消耗大量的计算资源，这在经济上来说很不合算的，这也在早期限制了CAD在这方面的发展。
而CAD第二个主要来源是针对设计分析。航空航天，国防和汽车工业等高科技前沿行业对成本的敏感性相对来说比较低，而且由于分析处理的问题非常复杂，使有限元分析成为一种必须，所以CAD的这一方面在早期得到更好的发展。
CAD开发的第三个也是最后一个来源是20世纪60年代中期广泛采用的数控技术（Numerical Control）。使用计算机可以改善和加快从设计办公室到工厂车间的信息流。
需要注意的是，尽管许多当前的CAD系统仍然显示出其是来自这三个来源中某一个，但它们都共同依赖于计算机构建和存储表示几何模型的能力。而且由于目前大部分人还是将CAD当作为辅助作图工具，后面的CAD发展史将主要介绍利用计算机辅助绘图方面的内容。
按时间顺序CAD产业的发展
世界上第一台电子计算机 ENIAC
20世纪40年代中期的早期计算机开发主要由军事机构提供资金，这些机器用于计算弹道轨迹表等信息。十年后，IBM，Sperry-Rand和其他一些公司开始向大型工程组织提供计算机，特别是在国防和汽车行业。在解决工程问题的过程中开发了许多程序。解决技术问题的典型过程包括工程师将数据填入编码表格，然后将这些表格交给打孔器操作员在卡片上打孔，然后将卡片录入计算机进行计算，最后的计算结果也以打孔卡片的形式输出。这时的CAD主要是指分析方面的。而早期的程序是没有图形界面的，这也能从一方面解释为什么像anasys，abaqus等有限元程序，其图形界面并不能支持计算程序的所有功能，有的功能必须通过命令或关键字才能调用。
IBM 029 打孔机（1964年开始生产）
在1960年代中期，汽车，国防和航空航天等大型公司逐渐开始利用计算机开发图形系统来提高工程师和绘图员的生产力。这项早期工作可分为两类。一方面，雷诺和福特等汽车公司专注于用数学定义复杂的表面，而洛克希德等其他公司则专注于提高绘图效率。这时编写的CAD程序都是供公司内部使用的，主要使用大型机和矢量刷新图形终端。
从1969年开始，随着Applicon和Computervision公司的成立，商用CAD行业逐渐开始发展。而后的几年，Auto-trol Technology, Calma和M＆S Computing (Intergraph)也相继成立。早期的商用系统使用的是小型机，如Digitial Equipment PDP-11，Data General Nova-1200和Tektronix存储管式显示器。当时软件行业还没有兴起，这些公司主要是设备制造商，他们开发软件是用来帮助销售硬件。大多数系统包括数字描图桌面（digitizer table）、用于命令输入的键盘、用于坐标输入的平板、数字绘图仪和大量的专有硬件，这些系统主要以它们可以降低当前运营成本为基础进行销售。在购买一个系统后，你可以用10个或12人完成20名绘图员的工作量。在某些情况下，生产力改进确实非常引人注目，特别是在那些做了大量重复性工作的组织中。基于小型机的CAD系统是非常中心化的，系统中包括多个图形终端。CAD系统的主要功能是由小型机来完成的，每个图形终端都只是一个能用于绘图员和主机交流的终端，并没有多少计算能力。在1970年代，CAD产业从0发展成为一个具有十亿美元量级的包括硬件和软件的产业。
Computervision’s CDS 3000 system
早期的以小型机为中心的CAD系统
1980年代的十年也许是CAD产业发展的最重要时期。1980年代初，该行业由如下五家公司主导: Appronon, Auto-trol Technology, Calma, Computervision和M&S Computing。20世纪80年代最重要的硬件开发之一是工程工作站的引入，大多数CAD系统供应商已经在其图形终端中实现了越来越多的功能，从主机卸载了越来越多的图形处理功能。现在小型机或大型机主机用于文件管理，而后这项功能也被服务器所取代。工作站之间可以联网在一起，以便它们可以共享数据甚至计算机程序。
在CAD 技术发展初期，CAD 的含义仅仅是图板的替代品，CAD 技术以二维绘图为主要目标一直持续到20世纪70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。20 世纪60 年代出现的三维CAD系统还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。随着技术的发展，汽车和航空工业对于曲面模拟产生了巨大的需求。首先由Steven Coons与1960年代在MIT开发出了被称为Coons patches的方法。早在1958年，法国的Paul de Casteljau也开发了一种数学上描述曲面的方法，但是由于保密的原因，直到1974年才发表。1977 年, 法国达索飞机公司开发出三维曲面造型系统标志着CAD 技术从二维走向三维。但由于曲面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确地表达零件的其他特性, 如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，其最大的问题在于分析的前处理特别困难。20世纪70年代末，开始出现早期的实体造型软件。实体造型采用基本体素和布尔运算来构造三维模型。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀，早期由于硬件的限制，实体造型技术的应用不是很广泛。随着硬件性能的提高, 实体造型技术才逐渐为众多CAD 系统所采用。
在应用上，早期的CAD系统相对昂贵，一般都设立了独立的部门。这些系统通常由在图形终端上全职工作的个人操作。工程师和设计师会把工作带到“CAD部门”，过段时间后回来接收绘好的图并做检查。标记的图纸将返回给CAD操作员，CAD操作员将修改图纸并将其再次返回给请求者。随着CAD系统价格的下降，它们的使用方式也开始发生变化。虽然许多组织继续运营CAD部门，但其他组织开始将系统分散到他们的设计和制造组织中。设计工程师不是向专业的CAD操作员提供草图，而是接受了自己完成这项工作的培训。
结语
由于从单用户计算机时代（1983年左右），CAD市场就被分离成为了几个不同的市场，电子CAD，机械CAD和建筑CAD被分成了不同的产业。所以本文的讲述就以1980年代作为终结。通过总结CAD早期的发展历程，可以看出计算机的计算能力、工业需求和造型技术，是推进CAD产业变革和发展的三大原动力。而我个人认为工业需求是其中最根本的动力，这也是为什么建筑、电子和机械CAD会发展成不同的产业的原因，计算能力和造型技术的发展则推动了CAD技术更深刻和广泛的应用。
对于BIM的应用来说，处在行业不同的位置对其看法可能不太一样。根据文献[5]，施工企业可以利用“BIM 技术对施工过程进行预演，对施工进度和计划进行跟踪”，更充分的利用施工空间和资源，使高效的管理造价、采购、库存、财务等，所以一些施工单位的BIM 应用走在了设计院前面。”，而业主可以“利用BIM 模型进行前期项目策划和后期运营和维护管理”，使其对BIM 的积极性也日益高涨。相对来说，设计院发展BIM动力有点不足。所以BIM要能得到设计院的青睐，必须要能发掘设计院的需求，而设计院也要能从BIM中找到提高自身生产效率的方法。
参考资料
[1]叶修梓, 彭维与唐荣锡, 国际CAD产业的发展历史回顾与几点经验教训. 计算机辅助设计与图形学学报, 2003. 15(10): 第1185-1193页.
[2] http://www.cadhistory.net/
[3] A J Medland and Piers Burnett. CAD/CAM in Practice: A Manager’s Guide to Understanding and Using CAD/CAM. Kogan Page Ltd, 1986.
[4] http://www.cad-addict.com/2010/02/from-cad-to-bim-part-i-history-of-cad.html
[5] 任爱珠, 从“甩图板”到BIM—设计院的重要作用. 土木建筑工程信息技术, 2014. 6(01): 第1-8页.
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“转自：非解构-公众号”上海结构设计圈仅限在上海从事结构设计的朋友们。
