BIM 研究的先驅(qū)——查爾斯·伊斯曼教授

李建成

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣州 510641)

1962 年，美國麻省理工學(xué)院的埃文·薩塞蘭(Ivan E Sutherland)在他的博士論文中開發(fā)的計算機(jī)圖形系統(tǒng)“Sketchpad”實現(xiàn)了用光筆在屏幕上作圖，并可以控制圖形在屏幕上的放大縮小，首開交互式圖形系統(tǒng)之先河。后來的學(xué)者就把“Sketchpad”的問世作為計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer-Aided Design)時代的開始。

在20 世紀(jì)60 年代中期，美國的麻省理工學(xué)院、耶魯大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等大學(xué)積極開展計算機(jī)輔助建筑設(shè)計(Computer -Aided Architectural Design，CAAD)的研究。與此同時，在美國的一些大型的建筑師事務(wù)所如SOM 等引進(jìn)了CAD 設(shè)備，開始在大型的建筑工程項目中運(yùn)用CAD 技術(shù)或進(jìn)行可行性論證，并應(yīng)用CAD 技術(shù)積極參與重大工程項目的投標(biāo)和設(shè)計的過程，積累了推廣使用CAD 技術(shù)的成功經(jīng)驗，并在20 世紀(jì)70 年代采用CAAD 系統(tǒng)在一些工程設(shè)計中獲得了成功。

1 查理斯·伊斯曼簡介

就在CAAD 一步一步地發(fā)展的過程中，有一位在CAAD 發(fā)展史上具有重要地位的先驅(qū)人物看到了發(fā)展中存在的問題，這位先驅(qū)人物就是查理斯·伊斯曼(Charles Eastman)，圖1。

查理斯·伊斯曼又名為查克·伊斯曼(Chuck Eastman)。他生于1940 年，于1965 年在美國加利福尼亞大學(xué)柏克萊分校(University of California，Berkeley)建筑系畢業(yè)后，直接進(jìn)入同一學(xué)校繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位。在攻讀碩士學(xué)位期間，他曾擔(dān)任具有英國劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)碩士學(xué)位的著名建筑大師克里斯托弗·亞歷山大(Christopher Alexander)的助教并深受其影響，對數(shù)學(xué)邏輯分析的方法產(chǎn)生了濃厚的興趣，他把這些方法應(yīng)用在設(shè)計決策(design decision making)研究方面并完成了碩士論文。另一個對他影響較大的人就是他在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)任職時的同事、建筑界“人工智能”研究的先行者、被譽(yù)為“人工智能之父”的美國國家科學(xué)院院士司馬賀(Herbert Simon)。這兩位學(xué)術(shù)泰斗的學(xué)術(shù)思想和研究方法深刻地影響到他后來所從事的CAAD 研究。

圖1 查理斯·伊斯曼

伊斯曼先后在美國多所任大學(xué)任教，也曾經(jīng)在創(chuàng)建過自己的技術(shù)公司。其中1974～1982 年在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)任教，任建筑學(xué)與計算機(jī)科學(xué)的教授，并在1978 年起任建筑科學(xué)中心(Center for Building Science)主任和計算機(jī)圖形學(xué)實驗室(Computer Graphics Lab)主任;1982～1987 年與他人在賓夕法尼亞州匹茲堡聯(lián)合創(chuàng)建了Formative 技術(shù)公司并擔(dān)任總裁;1987～1995 年在加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(University of California，Los Angeles)任建筑學(xué)教授和設(shè)計與計算中心主任;現(xiàn)為佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)建筑與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院(Colleges of Architecture and Computer Science)教授、數(shù)字化建造實驗室(Digital Fabrication Laboratory)主任。伊斯曼參加工作伊始，就一直從事CAAD 的研究，他自詡他是第一個能用代碼編寫計算機(jī)程序的建筑師。

伊斯曼教授一直不遺余力地推廣CAAD，著名的ACADIA(Association for Computer -Aided Design in Architecture，計算機(jī)輔助建筑設(shè)計學(xué)會)就是由他發(fā)起創(chuàng)建并由他擔(dān)任首任會長。ACADIA 在今天已經(jīng)成為在計算機(jī)輔助建筑設(shè)計領(lǐng)域中世界上最著名的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)之一。1969 年，他在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)創(chuàng)建了全球第一個研究CAAD 的博士班。［1］

伊斯曼教授指導(dǎo)的博士生也頗多建樹。例如，克里斯·耶思奧斯(Chris Yessios)，他是Auto.des.sys 公司的總裁，著名的三維實體建模軟件Form·Z的開發(fā)者;耶胡達(dá)·克萊(Yehuda Kalay)，是加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的教授，著名期刊《Automation in Construction》的主編;奧梅爾·艾金(Omer Akin)，在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)任教授。真是名師出高徒。

2 BIM 技術(shù)的開創(chuàng)性研究

隨著伊斯曼閱歷的增加和研究工作的不斷深入，他的研究領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)移到建筑信息建模方面來的。最初的階段，它主要從事設(shè)計的認(rèn)知過程(Cognitive Processes)和人工智能(Artificial Intelligence)的研究。到了上世紀(jì)的70 年代，他的研究興趣轉(zhuǎn)移到開發(fā)以三維空間實體和參數(shù)化建模(Solid and Parametric Modeling)的CAAD 系統(tǒng)的研究，開始了涉及到BIM 的技術(shù)范疇。在離開了Formative 技術(shù)公司回到學(xué)校執(zhí)教后，伊斯曼教授就更加注重與實際應(yīng)用結(jié)合的研究，對與BIM 有關(guān)的工程數(shù)據(jù)庫(Engineering Databases)、產(chǎn)品模型和互用性(Product Models and Interoperability)等方面進(jìn)行了深入的研究。現(xiàn)階段他的研究都是圍繞著BIM 進(jìn)行。

伊斯曼教授對BIM 技術(shù)做的開創(chuàng)性研究可以追溯到在1974 年9 月，當(dāng)時他和他的合作者在一份研究報告《An Outline of Building Description System》(建筑描述系統(tǒng)概要)［2］中指出了如下一些問題:

(1)建筑圖紙是高度冗余的，建筑物的同一部分要用幾個不同的比例描述。一棟建筑至少由兩張圖紙來描述，一個尺寸至少被描繪兩次。設(shè)計變更導(dǎo)致需要大量的努力使不同圖紙保持一致。

(2)但是即使有這樣的努力，在任何時刻，至少會有一些圖中所表示的信息不是當(dāng)前的或者是不一致的。因此，一組設(shè)計師可能是根據(jù)過時的信息做出決策，這使到他們未來的任務(wù)更為復(fù)雜化。

(3)大多數(shù)分析需要的信息必須由人工從施工圖紙上摘錄下來。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備這最初的一步在任何建筑分析中都是主要的成本。

基于對以上問題的精辟分析，伊斯曼在這份研究報告中提出了應(yīng)用當(dāng)時還是很新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立建筑描述系統(tǒng)(Building Description System，BDS)以解決上述問題的思想。他在BDS 中，將建筑物看作是由一組建筑構(gòu)件組成的空間構(gòu)成。他認(rèn)為該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有如下功能:

(1)易于輸入任意復(fù)雜構(gòu)件形狀的圖形輸入手段;

(2)能用于構(gòu)成與編輯構(gòu)件排列的互動式圖形語言;

(3)可以生成高品質(zhì)的正投影圖形或某一角度投影圖形的硬拷貝圖形處理能力;

(4)基于屬性(材料類型、供應(yīng)商等)對數(shù)據(jù)的分類和格式化能力。

伊斯曼在這份研究報告中提出了BDS 的概念性設(shè)計。對于如何實現(xiàn)BDS，他在文中分別就硬件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、空間查找、型的輸入、放置元素、排列的編輯、一般操作、圖形顯示、建筑圖紙、報告的生成、建筑描述語言、執(zhí)行程序等多個方面進(jìn)行了分析論述。他據(jù)此設(shè)計出的BDS 系統(tǒng)在當(dāng)時風(fēng)行一時的PDP-11/20 計算機(jī)上通過運(yùn)行。

伊斯曼通過總結(jié)分析，認(rèn)為BDS 可以降低設(shè)計成本，使草圖設(shè)計和分析的成本減少50% 以上。BDS 是一個得到美國國家科學(xué)基金會和國防部的高級研究計劃局支持的研究性實驗項目，已經(jīng)直接面對在建筑設(shè)計中要解決的一些最根本的問題。

伊斯曼隨后在1975 年3 月出版的《AIA Journal》上發(fā)表的論文《The Use of Computers Instead of Drawings in Building Design》(在建筑設(shè)計中應(yīng)用計算機(jī)而不是圖紙)介紹了BDS，并高瞻遠(yuǎn)矚地陳述了以下一些觀點:［3］

(1)應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行建筑設(shè)計是在空間中安排三維元素的集合，這些元素包括強(qiáng)化橫杠、預(yù)制梁板、或一個房間;

(2)設(shè)計必須包含相互作用且具有明確定義的元素，可以從相同描述的元素中獲得剖面圖、平面圖、軸測圖、或透視圖等;

(3)對任何設(shè)計安排上的改變，在圖形上的更新必須一致，因為所有的圖形都取之于相同的元素，因此可以一致性地作資料更新;

(4)計算機(jī)提供一個單一的集成數(shù)據(jù)庫用作視覺分析及量化分析，測試空間沖突與制圖等功用。

(5)大型項目的承包商可能會發(fā)現(xiàn)如此信息化的優(yōu)點，非常便于進(jìn)度控制及材料采購。

20 多年后出現(xiàn)的BIM 技術(shù)證實了伊斯曼教授上述觀點的預(yù)見性，他的預(yù)見已經(jīng)明確提出了在未來的三四十年間建筑業(yè)發(fā)展需要解決的問題。他提出的BDS 采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，其實就是BIM 的雛形。

目前網(wǎng)絡(luò)上有些文章認(rèn)為BIM 研究的起點是伊斯曼在1975 年3 月發(fā)表的這篇論文，其實應(yīng)當(dāng)是1974 年9 月伊斯曼和合作者完成的、在前面介紹過的那篇關(guān)于BDS 的研究報告。

伊斯曼在1977 年啟動的另一個項目GLIDE(Graphical Language for Interactive Design，互動設(shè)計的圖形語言)展現(xiàn)了現(xiàn)代BIM 平臺的特點。

3 不斷把BIM 研究推向深入

伊斯曼繼續(xù)從事建筑信息建模、工程數(shù)據(jù)庫等與BIM 應(yīng)用有關(guān)領(lǐng)域的研究，發(fā)表了一系列很有影響力的論文，不斷推動研究向深入發(fā)展。比較有代表性的論文有1980 年發(fā)表的《Prototype Integrated Building Model》(原型整合的建筑模型)［4］、1984 年的《A review of solid shape modelling based on integrity verification》(基于完整性驗證的實體形狀建模綜述)［5］、1991 年的《Use of Data Modeling in the Conceptual Structuring of Design Problems》(在設(shè)計問題的概念建構(gòu)中使用數(shù)據(jù)建模)［6］、1992 年的《A Data Model Analysis of Modularity and Extensibility in Building Databases》(建筑數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型的模塊化和可擴(kuò)展性分析)［7］、1994 年的《A Data Model for Design Knowledge》(用于設(shè)計知識的數(shù)據(jù)模型)［8］、1996 年的《Management Integrity in Design Information Flow》(設(shè)計信息流管理的完整性)［9］、1997年的《Integration of Design Applications with Building Models》(建筑模型的設(shè)計應(yīng)用集成)［10］、1999 年的《A Database Supporting Evolutionary Product Model Development for Design》(支持設(shè)計中漸進(jìn)的產(chǎn)品模型開發(fā)的數(shù)據(jù)庫)［11］等。

伊斯曼教授在研究中善于吸收其他學(xué)科的知識。在20 世紀(jì)70 年代，制造業(yè)就開始了產(chǎn)品信息建模(Product Information Modeling，PIM)研究，其研究范疇覆蓋了制造系統(tǒng)中產(chǎn)品的整個生命周期，目的是為實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造的自動化提供充分和完備的信息。在制造業(yè)的產(chǎn)品信息建模研究中，除幾何模型外，工程上其他信息如精度、裝配關(guān)系、屬性等也都包含到產(chǎn)品信息模型中。制造業(yè)以上的研究工作對伊斯曼教授產(chǎn)生了重要的影響，他在回憶他在開始進(jìn)行實體參數(shù)化建模研究時就談到，當(dāng)時他的研究就是參考了通用汽車和波音公司3D 實體建模的研究工作［12］。

圖2 BIM 手冊

1999 年，伊斯曼教授出版了一本專著《Building Product Models:Computer Environments，Supporting Design and Construction》(建筑產(chǎn)品模型:支撐設(shè)計和施工的計算機(jī)環(huán)境)［13］，這本書是20 世紀(jì)70 年代開展建筑信息建模研究以來的第一本專著。在專著中他回顧了20 多年來散落在各種期刊、會議論文集和網(wǎng)絡(luò)上的研究工作，介紹了STEP 標(biāo)準(zhǔn)和IFC標(biāo)準(zhǔn)，論述了建模的概念、支撐技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，并提出了開發(fā)一個新的、用于建筑設(shè)計、土木工程和建筑施工的數(shù)字化表達(dá)方法的概念、技術(shù)和方法。這本書它勾畫出尚未解決的研究領(lǐng)域，為下一代的建筑模型研究奠定了基礎(chǔ)，書中還介紹了大量的實例。這是一本在BIM 發(fā)展歷史上很有代表性的著作。

進(jìn)入21 世紀(jì)后，BIM 的應(yīng)用得到了很大發(fā)展，伊斯曼教授繼續(xù)活躍在BIM 應(yīng)用研究的第一線，不斷有論文和著作發(fā)表。在2008 年，他和一批從事BIM 研究的專家一起編寫出版了專著《BIM Handbook》(BIM 手冊)［14］。該書的第二版［15］在2011 年出版，《BIM Handbook》現(xiàn)已成為BIM 領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛影響的重要著作。

30 多年來，查理斯·伊斯曼教授一直孜孜不倦地從事BIM 的研究，不愧為BIM 的先驅(qū)人物。由于他在BIM 的研究中所作的開創(chuàng)性工作以及其后做出的持續(xù)貢獻(xiàn)，他被人們稱為“BIM 之父”。

我們欣喜地看到，他所提出的BIM 的思想，在建筑界正被越來越多的從業(yè)人員接受，BIM 正成為提高勞動生產(chǎn)率和質(zhì)量，縮短工期和節(jié)省成本的強(qiáng)力工具。各國政府對BIM 的推廣十分支持，BIM 的出現(xiàn)將對全球建筑業(yè)引發(fā)一次史無前例的徹底變革，BIM 將會迎來大發(fā)展的時代。

［1］Charles Eastman (Chuck)個人網(wǎng)頁http://dcom.arch.gatech.edu/chuck/，2010-6-17.

［2］Eastman C，F(xiàn)isher D，Lafue G，et al.An Outline of the Building Description System［R］.Research Report No.50，Institute of Physical Planning，Carnegie-Mellon University，1974

［3］轉(zhuǎn)引自:鄭泰升.電腦輔助設(shè)計的開路先鋒——伊斯曼［A］.//邱茂林編.CAAD TALKS 2·設(shè)計運(yùn)算向度［C］.臺北:田園城市文化事業(yè)有限公司，2003:56-67.

［4］Eastman C.Prototype integrated building model［J］.Computer-Aided Design，12(3)，1980:115-119.

［5］Eastman C，Preiss K.A review of solid shape modelling based on integrity verification［J］.Computer-Aided Design，16(2)，1984:66-80.

［6］Eastman C.Use of Data Modeling in the Conceptual Structuring of Design Problems［A］.//CAAD Futures ＇91 Conference Proceedings［C］，Zürich，1991:225-244.

［7］Eastman C.A Data Model Analysis of Modularity and Extensibility in Building Databases［J］.Building and Environment，27(2)，1992:135-148.

［8］Eastman，C.A Data Model for Design Knowledge［A］.//Carrera G and Kalay Y (eds.)Knowledge-Based Computer-Aided Architectural Design［C］.Elsevier Press:95-122.

［9］Eastman C.Managing Integrity in Design Information Flows［J］.Computer-Aided Design，28(5)，1996:551-565.

［10］Eastman C，Jeng T S，Chowdbury R，and et al.Integration of Design Applications with Building Models［A］.//CAAD Futures 1997 Conference Proceedings ［C］，München，1997:45-59.

［11］Eastman C，Jeng T S.A database supporting evolutionary product model development for design［J］.Automation in Construction，8(3)，1999:305-323.

［12］McGraw Hill Construction.SmartMarket Report:The Business Value of BIM in North America［EB/OL］.2012，http://images.autodesk.com/adsk/files/mhc_business_value_of_bim_in_north_america_2007 -2012_smr.pdf.2013-6-9.

［13］Eastman C.Building Product Models:Computer Environments，Supporting Design and Construction［M］.Boca Raton:CRC Press，1999.

［14］Eastman C，Teicholz P，Sacks R，et al.BIM handbook:A guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors［M］.New York:John Wiley and Sons，Inc.，2008.

［15］Eastman C，Teicholz P，Sacks R，et al.BIM Handbook:A guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors，2nd Edition［M］.Hoboken:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2011.