BIM 研究的先驱——查尔斯·伊斯曼教授

李建成

(华南理工大学建筑学院 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510641)

1962 年，美国麻省理工学院的埃文·萨塞兰(Ivan E Sutherland)在他的博士论文中开发的计算机图形系统“Sketchpad”实现了用光笔在屏幕上作图，并可以控制图形在屏幕上的放大缩小，首开交互式图形系统之先河。后来的学者就把“Sketchpad”的问世作为计算机辅助设计(Computer-Aided Design)时代的开始。

在20 世纪60 年代中期，美国的麻省理工学院、耶鲁大学、卡内基梅隆大学等大学积极开展计算机辅助建筑设计(Computer -Aided Architectural Design，CAAD)的研究。与此同时，在美国的一些大型的建筑师事务所如SOM 等引进了CAD 设备，开始在大型的建筑工程项目中运用CAD 技术或进行可行性论证，并应用CAD 技术积极参与重大工程项目的投标和设计的过程，积累了推广使用CAD 技术的成功经验，并在20 世纪70 年代采用CAAD 系统在一些工程设计中获得了成功。

1 查理斯·伊斯曼简介

就在CAAD 一步一步地发展的过程中，有一位在CAAD 发展史上具有重要地位的先驱人物看到了发展中存在的问题，这位先驱人物就是查理斯·伊斯曼(Charles Eastman)，图1。

查理斯·伊斯曼又名为查克·伊斯曼(Chuck Eastman)。他生于1940 年，于1965 年在美国加利福尼亚大学柏克莱分校(University of California，Berkeley)建筑系毕业后，直接进入同一学校继续攻读硕士学位。在攻读硕士学位期间，他曾担任具有英国剑桥大学数学硕士学位的著名建筑大师克里斯托弗·亚历山大(Christopher Alexander)的助教并深受其影响，对数学逻辑分析的方法产生了浓厚的兴趣，他把这些方法应用在设计决策(design decision making)研究方面并完成了硕士论文。另一个对他影响较大的人就是他在卡内基梅隆大学任职时的同事、建筑界“人工智能”研究的先行者、被誉为“人工智能之父”的美国国家科学院院士司马贺(Herbert Simon)。这两位学术泰斗的学术思想和研究方法深刻地影响到他后来所从事的CAAD 研究。

图1 查理斯·伊斯曼

伊斯曼先后在美国多所任大学任教，也曾经在创建过自己的技术公司。其中1974～1982 年在卡内基梅隆大学任教，任建筑学与计算机科学的教授，并在1978 年起任建筑科学中心(Center for Building Science)主任和计算机图形学实验室(Computer Graphics Lab)主任;1982～1987 年与他人在宾夕法尼亚州匹兹堡联合创建了Formative 技术公司并担任总裁;1987～1995 年在加利福尼亚大学洛杉矶分校(University of California，Los Angeles)任建筑学教授和设计与计算中心主任;现为佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)建筑与计算机科学学院(Colleges of Architecture and Computer Science)教授、数字化建造实验室(Digital Fabrication Laboratory)主任。伊斯曼参加工作伊始，就一直从事CAAD 的研究，他自诩他是第一个能用代码编写计算机程序的建筑师。

伊斯曼教授一直不遗余力地推广CAAD，著名的ACADIA(Association for Computer -Aided Design in Architecture，计算机辅助建筑设计学会)就是由他发起创建并由他担任首任会长。ACADIA 在今天已经成为在计算机辅助建筑设计领域中世界上最著名的学术机构之一。1969 年，他在卡内基梅隆大学创建了全球第一个研究CAAD 的博士班。［1］

伊斯曼教授指导的博士生也颇多建树。例如，克里斯·耶思奥斯(Chris Yessios)，他是Auto.des.sys 公司的总裁，著名的三维实体建模软件Form·Z的开发者;耶胡达·克莱(Yehuda Kalay)，是加利福尼亚大学伯克利分校的教授，著名期刊《Automation in Construction》的主编;奥梅尔·艾金(Omer Akin)，在卡内基梅隆大学任教授。真是名师出高徒。

2 BIM 技术的开创性研究

随着伊斯曼阅历的增加和研究工作的不断深入，他的研究领域逐渐转移到建筑信息建模方面来的。最初的阶段，它主要从事设计的认知过程(Cognitive Processes)和人工智能(Artificial Intelligence)的研究。到了上世纪的70 年代，他的研究兴趣转移到开发以三维空间实体和参数化建模(Solid and Parametric Modeling)的CAAD 系统的研究，开始了涉及到BIM 的技术范畴。在离开了Formative 技术公司回到学校执教后，伊斯曼教授就更加注重与实际应用结合的研究，对与BIM 有关的工程数据库(Engineering Databases)、产品模型和互用性(Product Models and Interoperability)等方面进行了深入的研究。现阶段他的研究都是围绕着BIM 进行。

伊斯曼教授对BIM 技术做的开创性研究可以追溯到在1974 年9 月，当时他和他的合作者在一份研究报告《An Outline of Building Description System》(建筑描述系统概要)［2］中指出了如下一些问题:

(1)建筑图纸是高度冗余的，建筑物的同一部分要用几个不同的比例描述。一栋建筑至少由两张图纸来描述，一个尺寸至少被描绘两次。设计变更导致需要大量的努力使不同图纸保持一致。

(2)但是即使有这样的努力，在任何时刻，至少会有一些图中所表示的信息不是当前的或者是不一致的。因此，一组设计师可能是根据过时的信息做出决策，这使到他们未来的任务更为复杂化。

(3)大多数分析需要的信息必须由人工从施工图纸上摘录下来。数据准备这最初的一步在任何建筑分析中都是主要的成本。

基于对以上问题的精辟分析，伊斯曼在这份研究报告中提出了应用当时还是很新的数据库技术建立建筑描述系统(Building Description System，BDS)以解决上述问题的思想。他在BDS 中，将建筑物看作是由一组建筑构件组成的空间构成。他认为该系统应当具有如下功能:

(1)易于输入任意复杂构件形状的图形输入手段;

(2)能用于构成与编辑构件排列的互动式图形语言;

(3)可以生成高品质的正投影图形或某一角度投影图形的硬拷贝图形处理能力;

(4)基于属性(材料类型、供应商等)对数据的分类和格式化能力。

伊斯曼在这份研究报告中提出了BDS 的概念性设计。对于如何实现BDS，他在文中分别就硬件、数据结构、数据库、空间查找、型的输入、放置元素、排列的编辑、一般操作、图形显示、建筑图纸、报告的生成、建筑描述语言、执行程序等多个方面进行了分析论述。他据此设计出的BDS 系统在当时风行一时的PDP-11/20 计算机上通过运行。

伊斯曼通过总结分析，认为BDS 可以降低设计成本，使草图设计和分析的成本减少50% 以上。BDS 是一个得到美国国家科学基金会和国防部的高级研究计划局支持的研究性实验项目，已经直接面对在建筑设计中要解决的一些最根本的问题。

伊斯曼随后在1975 年3 月出版的《AIA Journal》上发表的论文《The Use of Computers Instead of Drawings in Building Design》(在建筑设计中应用计算机而不是图纸)介绍了BDS，并高瞻远瞩地陈述了以下一些观点:［3］

(1)应用计算机进行建筑设计是在空间中安排三维元素的集合，这些元素包括强化横杠、预制梁板、或一个房间;

(2)设计必须包含相互作用且具有明确定义的元素，可以从相同描述的元素中获得剖面图、平面图、轴测图、或透视图等;

(3)对任何设计安排上的改变，在图形上的更新必须一致，因为所有的图形都取之于相同的元素，因此可以一致性地作资料更新;

(4)计算机提供一个单一的集成数据库用作视觉分析及量化分析，测试空间冲突与制图等功用。

(5)大型项目的承包商可能会发现如此信息化的优点，非常便于进度控制及材料采购。

20 多年后出现的BIM 技术证实了伊斯曼教授上述观点的预见性，他的预见已经明确提出了在未来的三四十年间建筑业发展需要解决的问题。他提出的BDS 采用了数据库技术，其实就是BIM 的雏形。

目前网络上有些文章认为BIM 研究的起点是伊斯曼在1975 年3 月发表的这篇论文，其实应当是1974 年9 月伊斯曼和合作者完成的、在前面介绍过的那篇关于BDS 的研究报告。

伊斯曼在1977 年启动的另一个项目GLIDE(Graphical Language for Interactive Design，互动设计的图形语言)展现了现代BIM 平台的特点。

3 不断把BIM 研究推向深入

伊斯曼继续从事建筑信息建模、工程数据库等与BIM 应用有关领域的研究，发表了一系列很有影响力的论文，不断推动研究向深入发展。比较有代表性的论文有1980 年发表的《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》(基于完整性验证的实体形状建模综述)［5］、1991 年的《Use of Data Modeling in the Conceptual Structuring of Design Problems》(在设计问题的概念建构中使用数据建模)［6］、1992 年的《A Data Model Analysis of Modularity and Extensibility in Building Databases》(建筑数据库数据模型的模块化和可扩展性分析)［7］、1994 年的《A Data Model for Design Knowledge》(用于设计知识的数据模型)［8］、1996 年的《Management Integrity in Design Information Flow》(设计信息流管理的完整性)［9］、1997年的《Integration of Design Applications with Building Models》(建筑模型的设计应用集成)［10］、1999 年的《A Database Supporting Evolutionary Product Model Development for Design》(支持设计中渐进的产品模型开发的数据库)［11］等。

伊斯曼教授在研究中善于吸收其他学科的知识。在20 世纪70 年代，制造业就开始了产品信息建模(Product Information Modeling，PIM)研究，其研究范畴覆盖了制造系统中产品的整个生命周期，目的是为实现产品设计制造的自动化提供充分和完备的信息。在制造业的产品信息建模研究中，除几何模型外，工程上其他信息如精度、装配关系、属性等也都包含到产品信息模型中。制造业以上的研究工作对伊斯曼教授产生了重要的影响，他在回忆他在开始进行实体参数化建模研究时就谈到，当时他的研究就是参考了通用汽车和波音公司3D 实体建模的研究工作［12］。

图2 BIM 手册

1999 年，伊斯曼教授出版了一本专著《Building Product Models:Computer Environments，Supporting Design and Construction》(建筑产品模型:支撑设计和施工的计算机环境)［13］，这本书是20 世纪70 年代开展建筑信息建模研究以来的第一本专著。在专著中他回顾了20 多年来散落在各种期刊、会议论文集和网络上的研究工作，介绍了STEP 标准和IFC标准，论述了建模的概念、支撑技术和标准，并提出了开发一个新的、用于建筑设计、土木工程和建筑施工的数字化表达方法的概念、技术和方法。这本书它勾画出尚未解决的研究领域，为下一代的建筑模型研究奠定了基础，书中还介绍了大量的实例。这是一本在BIM 发展历史上很有代表性的著作。

进入21 世纪后，BIM 的应用得到了很大发展，伊斯曼教授继续活跃在BIM 应用研究的第一线，不断有论文和著作发表。在2008 年，他和一批从事BIM 研究的专家一起编写出版了专著《BIM Handbook》(BIM 手册)［14］。该书的第二版［15］在2011 年出版，《BIM Handbook》现已成为BIM 领域内具有广泛影响的重要著作。

30 多年来，查理斯·伊斯曼教授一直孜孜不倦地从事BIM 的研究，不愧为BIM 的先驱人物。由于他在BIM 的研究中所作的开创性工作以及其后做出的持续贡献，他被人们称为“BIM 之父”。

我们欣喜地看到，他所提出的BIM 的思想，在建筑界正被越来越多的从业人员接受，BIM 正成为提高劳动生产率和质量，缩短工期和节省成本的强力工具。各国政府对BIM 的推广十分支持，BIM 的出现将对全球建筑业引发一次史无前例的彻底变革，BIM 将会迎来大发展的时代。

［1］Charles Eastman (Chuck)个人网页http://dcom.arch.gatech.edu/chuck/，2010-6-17.

［2］Eastman C，Fisher 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］转引自:郑泰升.电脑辅助设计的开路先锋——伊斯曼［A］.//邱茂林编.CAAD TALKS 2·设计运算向度［C］.台北:田园城市文化事业有限公司，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.