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1、CAAD 方法复习提纲（2021）第一讲绪论1、CAAD的特点：从2D到3D （发展的必然方向）、设计中的感性因素（建筑设计 的特点）、精确性与创造性（不同设计阶段的不同要求）、多因素多目标的优化（建 筑设计的本质）2、CAAD未来的发展方向：（1）硬件：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个月便会增加一倍，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 术进步的速度。 （ 2 ）软件：更加智能和人性化（ 3 ）互联网：快速的信息传递、集 群与涌现（4）云计算：基于网络的软硬件服务3、摩尔定律：当价格不变
2、时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便 会增加一倍，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进步的速度。第二讲参数化设计方法1、参数化设计方法的不同定义：（CAD软件中的参数化设计，参数化设计一一尺寸 驱动（Dimension-Driven）,使CAD系统具有交互式绘图功能，自动绘图的功能。可以 大大提高设计速度，并减少信息的存储量。）（1）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。（2）建筑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
3、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），并在对场地及建筑性能（Performance、研究的基础上，找到联结各 个参变量的规则，进而建立参数模型（Parametric model），运用计算机技术生成建 筑体量、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2、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整理和数字 化，作为计算机内形态生成的基础。 设计参数关系的确立。找到影响设计的某些主要因素表现出来的行为或现象，并 用某些关系或规则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
4、。 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一般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 成为令人满意的设计结果。 最终设计形体的参数化结构系统及构造逻辑。通过深化上述生形步骤的内在逻 辑，或者结构应力分析和构造研究，或者向自然生物结构学习等途径，完成不规则 非线性体的结构系统及构造逻辑设计。 设计成果的测试与反馈。参数化设计过程的终极目标是要获得最高程度满足使用 要求的设计结果。通过模拟软件等对设计结果进行测
5、试，并反馈到以上各个环节， 以使设计结果更趋完善。3、参数化设计的特点参数化设计过程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； 设计过程遵循前后连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第 1 页, 共 11 页4、数学图解参数化建筑设计的关键就是在解读设计条件的基础上，构造出反映各种力之间关系 的参数模型，并在此基础上依据建筑内外条件生成非线性体。这里的参数模型不仅 有分析设计条件和阐释设计概念的作用，而且利用了数字技术，能够依据条件生成 建筑形体，因此可以被看作是在传统建筑学图解的基础上发展
6、而成的数字图解。 构建数字图解并生成非线性体的过程被称为“找形”(Form finding)。建筑师需要分 析场所、功能、建造等的客观规律，寻找适当的数理方法，在计算机内建构描述各 因素相互关系的数字图解，并根据不同的设计条件生成形体。在“找形”过程中，更为强调数字图解与建筑设计需求在科学上和哲学上的你们， 以及整个设计过程的逻辑性。第三讲计算机图形学Ps计算机图形学的定义：使用数学算法，将二维或三维几何图形转化为计算机显示 器的栅格形式的科学。【图像：以位图(阵列)形式存在的灰度/颜色信息。图形： 是由几何模型和景物的物理属性组成。】【主要研究内容：如何在计算机中表示图 形、以及利用计算机进
7、行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。】【研究范围 有:(1)图形硬件、图形标准;(2)图形交互技术、光栅图形生成算法;(3)曲线曲面造型、 实体造型;真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制;(5 )科学计算可视化、自然 景物仿真;(6)计算机动画;(7)虚拟现实】1.1坐标系(1) 空间直角坐标系空间任何一点可以用三个坐标(x, y, z)表示 空间直角坐标系有两种：右手系和左手系(2 )球坐标系:(r, 0, (3)柱坐标系:(r, h,p)世界坐标与局部坐标系几何场景：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
8、不同的表示形式。选择空间坐标系，使得几何物体的表示最简单。该坐标系称为局部坐标系。1.2体素、八叉树体素：用小立方体集合(数组)表示立体。数据结构简单，但存储数据量大。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，反复进行，直到分的小 立方体小于某设定值。1.3三维形体的表示之二：CSGCSG树：将简单的原体通过一系列几何操作组合起来。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
9、、剪切等 集合运算：和( + )、差(-)、积(*)运算等。1.4边界表示定义：边界表示(Boundary Representation)：立体形状是用顶点、棱、面及连接信息 表示的。多边形表示：多边形(Polygon)表示：由点、直线和平面构成的边界表示，即把立体 形状用多面体来表示。(1) 多边形表示物体的数据来源三维测量与扫描：原始数据一般为三维空间中的点集。采用适当的重建算法得到其多边形表示。(该方法更适用于数学公式难以直接描述的自然界已有实物。)断层扫描重建：CT、MRI等值面抽取。(2) 框架模型：图中描述各顶点的坐标值及顶点与棱线的关系，给出其形状精确定 义。表面模型，立体模型：
10、描述各面的各顶点的关系，给出其含面信息的定义。在 面信息中，需定义该面所含有的棱或点信息，既得到其立体模型定义(在框架模型 上加入面信息表)。通常，立体模型由点、棱、面表组成。(4)多边形模型:描述人及动物等复杂形体时，需用多边形的面构成的多面体来表 现；这需要复杂的数据结构。几何构成要素：平面、直线和点。连接信息：立体形状由面集合构成，面由棱线集合构成，棱线由点集合构成。形体不是单纯的面堆积,而是从一个面出发，沿棱线连接到相邻的面，直至遍历所有的面。 三角形网格表示的半边结构半边起点相邻半边面下条半边前条半边e3.1V3e3,2flel.le2,le3,2e3,le4.1e5,le4_lV3
11、e4,265,1e3,2e4.2V5e4,l%丄e7,l对称棱线数据结构：以棱线为中心，记录相邻的形状要素的一种数据结构。棱线E有两个端点和两个侧面(pvt,nvt,pface,nface)； pface上的pvt沿顺时针连接的棱线为pew，逆 时针连接的棱线为 peew； 同样，面 nface 上两棱线为 new 和 neew。ffi J. J自由曲线、曲面的参数表示(一般将不能用简单曲面表示的那些光滑曲面称为自由 曲面，如：汽车表面、山脉丘陵等直线:P二尸(I)二片十A/PO :某确定点匹直线的方向矢量。polygon)A) Bezier 曲线尸二尸( 0)=垃十(reus 十(rin &
12、)V 十血WI对于复杂的参数曲线、曲面，常采用把多个参数曲线、曲面连接在一起，生成整个曲线、 曲面。每一条曲线称为曲线段、每一曲面称为曲面片。由控制点生成曲线(曲面)的一般表达式，以及权函数需满足的条件 设定许多点，然后把这些点连接起来生成类似于多边形的曲线，这是一种生成预想 曲线的方法。这是，称各点为控制点(control points),称多边形为控制多边形(controlBQ = 严，.!t111 ： I：三川(川-/)!,(f)称 AjBenisiein数Bezier曲线的特性：(1)曲线通过起点和终点：P(0)=q0,P(1)=qn;(2)曲线端点切线:起点(终点)处切线落在前(后)
13、两点的直线上；两条Bezier曲线的平滑连接：(1) 第1条曲线终点与第2条曲线起点重合(2) 两条曲线在连接点处有相同的导数(切线)B) B样条方法是在保留Bezier方法的优点，同时克服其由于整体表示带来不具有 局部性质的缺点，及解决在描述复杂形状时带来的连接问题下提出来的。尸=o/iE_( 三次 B-样条表达式)其中，相为B-样条曲线的权函数, 由下次鈴出：(也可由递归定义)I3623可以验证:JV, (/ =_ P- t2- t- . N.(t) =f122256三次B-样条的主要特性：(1) 由多个曲线段连接的三次B-样条曲线是光滑的；(2) 三次B-样条曲线具有局部性；(3) 三次
14、B-样条曲线落在控制点组成的凸包内；(4) 若三个连续控制点相重合，则曲线通过该坐标位置。 C)由控制点生成曲面片寸于给定的一组点(控制点)0八 构造参数曲面:P(心)二工工儿(小耳()环0 1, OP 1(=0 J=(J其中，Fi (u).丿称为权函数，并满足下式:工厂M L V r；v)_ I . ：i；和用 Bernstein 基函数 Bi(u)、Bj(v)作为权函数，称为 Bezier曲面。门 JIP(n) =工工毘(町耳 务r=O j-0B-样条曲面：用B-样条权函数Ni(u)、Nj(v)作为权函数，称为B-样条曲面。P( U, V)=MT Zg )dl, DIGj-r j-o三次B
15、-样条曲面片也由16个控制点生成。进一步能够生成光滑连接的自由曲 面。当把B-样条函数作为有理式表示自由曲面时，则称为非均匀有理B-样条曲 面(NURBS)。第五讲BIM与协同设计BIM的概念英文是 Building Information Modeling通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，在这里，信息不仅仅是三维几何 形状信息，还包含大量的非几何形信息，如建筑构件的材料、重量、价格、进度等。BIM的主要特点三维数字化建筑模型建模对象是建筑构件包含各种建筑工程信息信息之间保持实时关联多种方式信息表达BIM应用价值点（以ppt第27页为准，结合第35页内容理解）精致设计 提高质量 控制成本 降低风险 提咼效率电子运维（P27）（P35）未来BIM的发展趋势：通过BIM及相关信息技术整合建筑行业产业链资源，构建基于 行业特征的信息模型，实现全产业链的信息集成、共享和协作。第
