计算机辅助建筑设计 ——BIM/数字建造/编程&脚本

信息部/ BIM STUIDO
计算机辅助建筑设计
——BIM/数字建造/编程&脚本
主讲人：马海东 BIM研究室总工程师 ETHZ MAS CAAD

CAD历史及发展趋势
CAAD 简介及案例
BIM信息技术——从蓝图到实时动态数据库
数字建造（ Fab lab）
生成技术（编程＆脚本）——emergence
大数据+社区

BIM信息技术——从蓝图到数据库
大数据+社区

50年代 60年代 70年代 80年代 90年代 21世纪
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1.第一台计算机 ENLAC（埃尼阿克）
2.第一台CAD计算机 SKETCHPAD
3.第一批CAD商用软件 20世纪70年
4.基于特征设计的cad软件及IGS规范出现
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第一台计算机 ENLAC（埃尼阿克）

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第一台计算机 ENLAC（埃尼阿克）
时间： 1946年
速度：每秒可进行5000次加减运算
电子技术：18800个电子管
尺寸：占地170平方米
重量：重达30吨
功率：140千瓦
价格：140万美元
功能：尽管这台机器只有少数专家才会使用，但它
把过去借助台式计算器需7～20小时才能计算出一
条发射弹道的工作量缩短到只用30秒，使科学家们
从奴隶般的计算中解放出来。

第一台CAD计算机 SKETCHPAD
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时间：1962年
地点：MIT 林肯（Lincoln）实验室
发明者：Ivan. E. Suthenland
著作：博士论文《SKETCHPAD——人机通信的图形系
统》
贡献1：首次系统地论述聊交互式图形学的相关问题
他还提出了功能键操作、“交互设计技术”、“分层存储
符号的数据结构”等新概念和新技术，为 CAD技术的发
展和应用打下了理论基础。
第一台CAD计算机 SKETCHPAD
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第一批CAD商用软件 20世纪70年代
软件开发及支持公司
UGS 美国麦道（MD）公司开发
I-DEAS 美国国家航空及宇航局（NASA）支
持
CALMA 美国通用电气（GE）公司开发
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1982年，美国Autodesk公司推出基于PC平台的Auto-
CAD二维绘图软件。当时的Autodesk公司是一个仅有员
工数人的小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因
其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。

基于特征设计的cad软件及IGS规范出现
时间 1985年之后
事件：基于特征设计商业软件开始出现示
商业软件：CATIA，UG-Ⅱ，I-DEAS，Pro／ENGINEE
应用：机械、航空航天、汽车、造船等
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1980年制定了数据交换规范IGES(1nitial Graphics Ex-
change Specifications)。这一规范后来被认可为美国
ANSI标准。IGES规定了统一的中性文件格式，不同的
CAD、CAM系统可通过此中性文件进行数据交换，形成一
个完整的CAD／CAM系统

目前智能化，网络化，集成化是所有商业化软件追
求的目标。而有创新性的突破性的的技术还没有明
朗。
当前cad发展趋势
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大数据+社区

CAAD=
CAD+3DMAX+PHOTOSHOP
武汉琴台大剧院投标方案

功能强大的计算机的问世，使建筑师，以产生新的建筑物
和其他结构的令人惊叹的图像。没有一个大项目的设计是
不通过真实感渲染。最终的设计如何，甚至通过虚拟现
实。

令人惊奇的是，这些奇特图形往往是仅用于概念阶段，在
初步设计与施工图阶段，甚至建设阶段几乎没有发挥作
用。在大多数情况下，施工图仍然是以老式的两维图纸展
开，手工或使用计算机辅助设计（CAD）软件。

存在的问题
即使它是由计算机生成的2 - D图纸，但是这些图纸只是
一些线的组合。
没有内在的数据结构来告诉你，这条线是墙，楼梯或窗
口。
如果要更改一个窗口位置，你要来重建它周围的墙。

绘制图纸传统上占一大块建筑师的费用，使
得修改变成了一个昂贵而耗时的业务。

建成后的效果（广东珠江设计院）

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4.基于特征设计的
cad软件及IGS规
范出现
借鉴CAD技术在飞机和汽车行业的发展
在设计过程中采用精致的数字模型

自20世纪70年代第一代
BIM系统就已经开始开发。
首次实施BIM概念的是Graphisoft公司的Archi-
CAD——

它是从传统CAD的飞跃，一台计算机模拟的不是
计算尺与绘图笔，只能通过人来理解图纸。BIM模
型是基于对象，这些对象有自己的几何形状同时还
包括这些对象之间的关系的信息。这样，当一个对
象改变，任何与之相关对象会自动更新。然后可以
从模型生成的3 - D的视图和传统的2 - D图纸。

Graphisoft的“虚拟建筑”及Benltey System的“综合项
目模型”还有Autodesk然后提供的“建筑信息模型”都是
差不多的一个概念，通过数字3维模型进行信息的交流与互操
作。

2003年05月22日

现在基于特征设计的cad软件已经成功的被应用到建筑上

有两个因素促成了这种转变。

因素一：
现有的BIM商业软件的可用性
——直到最近这一商业现实才成立。

CATIA，一家法国公司开发的产品设计工具

盖瑞先生与2002年创立了一家数字公司开发出基于
CATIA的BIM软件（digitalproject）。

古根海姆博物馆盖里设计

同一年
CAD软件的领先
制造商，欧特克购
买了一个较小的所
谓REVIT软件，
它有同样的BIM
功能，而微软在底
层框架上的支持，
使之商业化成为可
能。

第二个因素是一直存在的建造业对成本的关注

现实的情况：
招投标阶段，成本估算往往过于乐观。
一旦施工开始造价成倍增加也都可能。

从历史上看，信息是昂贵的，而原材料和能源价格便宜。
因此想在设计时知道所需的每一个设计元素的确切属性是不
切实际的。
在设计过程中，设计师经常从最坏的情况考虑，增加冗余，
导致资源成本的增加。

现在的趋势：
信息成本不断下降（借助BIM技术）。
同时原材料和能源的成本正在不断的上升。
最终会达到一个转折点，造成每个元素的确切属性可以精确
的被计算，然后根据这些属性信息，构件可以准确的使用机

BIM对建筑的几个影响

3D信息模型
使用BIM技术，可以识别在设计过程中的
碰撞错误。
使用的2D图形很难发现不一致。因此即
使是有经验的建筑师和工程师也会赶上这
样的错误。
而当这些错误变的明显的时候，施工可能
已经开始，这就造成了成本的浪费。这种
浪费大概相当于施工预算的2％，甚至高
达5％。

地点：济南
业主：济南西客站片区指挥部
功能：歌剧厅
结构体系：框架
主要材料：钢筋混凝土、钢材、玻璃
设计方：北京建筑设计研究院三所
辅助设计方: 北京市建筑设计研究院bim研
究室复杂形体小组
辅助设计人员：陈友文、陈冲、马海东
辅助设计内容: 建筑造型优化
辅助设计周期: 30日
软件:Catia、Rhino、Grasshoper
03济南省会文化中心 - 歌剧厅
3D信息模型案例

图1：济南文化中心-歌剧厅设计效果图三所

图2：BIM工作室模型效果图
3D信息模型案例

/FAQ :
/Special Problems:
厅是济南文化中心项目中的一个子项目，本项目主要是对
扶手面的优化以及设备的定位。其中吊顶面的优化是项目
。
件夹组织
oduct
名规则
纸制作
间曲线定位
F库
2m碰撞
形体BIM导则
①

楼座与楼座之间
的碰头问题是这个项
目中比较突出问题，
楼座之间较小的空间
导致每一个踏步都对
应着一个吊顶平面，
这样就给我们在检测
碰头问题时带来了不
便。在这里我们先从
每一个踏步上引出来
一个2.2米高的面，
再通过碰撞检测检查
出哪些面与吊顶平面
之间有相交，再用测
量工具测出检测面到
相应吊顶平面之间的
距离，这样就能为设
计师提供准确的信
息，方便及时修改和
优化。
01.1 2.2m面
01.2 碰撞检测
a 2.2m碰撞

2.2米高面
3D空间标注
01.3 标注尺寸
01.4 优化后效果

碰撞规则
计算机计算结果
参与碰撞的几何物体

报错机制，红色为错误（突破规则）
计算机准确报表
01.5 碰撞报表

BIM还可以显著提高的建筑师和工程师之间的沟通和协调。
数据无缝链接

随着BIM的介入，3D模型将成为主要参考依据

北京文化中心
01B e i j i n g A r t C e n t e r
地点：北京
功能：文化综合体
设计方：北京建筑设计研究院工程所
辅助设计方: 北京市建筑设计研究院bim研究室复杂形体小组
辅助设计人员：陈友文、马海东
辅助设计内容: 建筑造型优化、幕墙有理化、外壳施工图
辅助设计周期: 6个月
软件:Catia、Rhino、VS C#
数据无缝链接案例

图1：北京文化中心效果图提供者工程所图2：北京文化中心效果图提供者工程所

图3：BIM工作室建筑模型

图4：BIM工作室建筑模型

02.2 空间控制线优化 02.3 空间控制线
02.4 分割幕墙面 02.5 幕墙面和空间控制线

从3D模型产生二维的图纸用于加工定位。

原有的建筑的设计方案是基于插图与rhino等软件发展出来的，因此存在大量的NURBS
曲线，这类曲线不利于在施工中人工准确定位（基于现有的中国国内的施工条件与施工优
势）。因此对原有的参照线进行优化及简化定位是有利于后期的施工的。
2D定位标注图
PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com
m
NURBS----->欧拉几何系统

该模型也使得它可以计算出所需要的材料，因此建筑成
本的数量。
一旦已经创建了一个大厦的计算机模型，它可以提取特
定子系统的详细资料，如空调，水和电线。

这里的控制线可以分成两部
分: 一是平面控制线、二是空间控
制线；平面控制线是个部分幕墙
在XY平面上的投影，反过来只要
说各幕墙都是由XY平面上的曲线
拉伸而成，所以只要通过优化XY
平面上的投影线即平面控制线就
能达到优化幕墙面的效果。
空间控制线是个幕墙的边界
线，它是附着在有平面控制线拉
伸出来的幕墙曲面上的，通过这
些边界线的界定就能得到完整的
幕墙，由于它是附着在幕墙面上
的，所以只要通过调整曲线上控
制点的Z坐标就能优化空间曲线
了。
有平面控制线与空间控制线
相结合就能得到完成的幕墙控制
面。
a 控制线优化
02.1 控制点Excel输出

建筑的数据模型不再只是一座大厦的3D信息，而是
一定意义上的数字样板或模拟版本。
在航空业，飞机的首次飞行，可能需要在电脑里采用
流体动力学软件计算机翼的气流，现在的模拟测试的
想法同样可以用于建筑业。
数字模拟

数字模拟案例
绍兴游泳馆
05S h a o x i n g n a t a t o r i u m
地点：绍兴
功能：游泳馆
设计方：北京建筑设计研究院七所

图1：绍兴游泳馆设计效果图 7AS1

图2：BIM工作室游泳馆屋顶面优化效果图

游泳馆屋顶面测
试的主要因素是屋面在
雨天是否会出现存水问
题，即设计的屋面的最
低点必须保证在曲面的
边缘，这样才可以使水
流沿着边缘留下。
图中分别是我们用
等高线测试的屋面的高
度分布和软件生成的曲
面的曲率分析（红色到
蓝色曲率逐渐变小）。
在得到合适的曲
面之前，屋顶面的最低
点并不在曲面的边缘，
我们通过测量得出最低
点，并提高最低点位
置，重新生成曲面，经
过多次测试调整使曲面
的最低点位置在面的边
缘上，而且曲面的设计
原则保持不变，只影响
面的最低点，最终生成
合适的曲面。
01.1 屋面等高线示意图
a 坡度优化

01.2 坡度优化示意图
针对游泳馆屋
顶面可能存水的问
题，画等高线分析
是常见的方法，此
外我们还进行了动
态流体模拟分析。
流体软件Re-
alflow能够真实的
模拟水流动方向，
软件中带有一系列
的力场系统，包括
重力、风力等等。
在场景中设置重
力，水流就会受重
力影响沿着屋顶面
向下（重力方向）
流动，经测试水流
从屋顶面的两个低
点位置流下，说明
屋面在下雨的情况
下不会存积水。
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3
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4
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8
02.1 Realflow软件模拟流程图

c 屋顶划分
在这个
设计中要求
将屋顶用特
定矩形平面
来拟合，由
于屋顶面是
双曲面，矩
形平面在拟
合过程中可
能会有一个
点游离在曲
面以外，所
以在做好面
后还将游离
点到曲面的
距离测量了
出来以便更
好的确认方
案的可行性。
03.1 编写拟合曲面的程序
03.2 拟合后的完成效果

03.3 游离点到曲面的距离

BIM的实用性超出设计和施工。该模型还可以帮助建
筑的维修和管理，精简显示管道运行
维修和管理

BIM软件可以影响建筑师的设计，
更加准确的说是辅助设计。
使他们更加自由地进行试验、微调、调整设计。
这些变化可能会导致更好的有想象力的建筑。
参数化设计

绍兴体育馆
04地点：绍兴
功能：体育馆
设计方：北京建筑设计研究院7A4、7S3
建筑面积:38390M2
参数化设计案例

图1：绍兴体育馆设计效果图 7AS1

图2：BIM工作室建筑模型效果图

图3：BIM工作室建筑模型分层效果图

这个项目中设计师的意图有几点：1、空间线在XY平面上的投影尽量是椭圆；2、空间线离幕墙龙骨不能太远，且要均匀
些。这几点不是硬性要求但是要做到会比较困难，一下是这次空间曲线的优化方法：
1、由参考的曲面看膜以椭圆长轴两边分界一边高一边底，高的一边在XY平面上的投影可以离X轴近点，这样就可以将其优
化成一条由两部分组成的曲线:长轴相等，短轴不一样的两个半个椭圆，再经一定的偏移得到空间曲线在平面上的投影；
2、在ZX平面上的投影也是分为两部分，及以ZX平面为界，每边形成一条投影线，通过优化这条投影线，并拉伸成一个曲
面；
3、将XY上的投影线投影到这两个空间曲面上的道两条空间曲线
4、将两条空间曲线均分得到曲线上的均分点
5、将这些均分点连接起来得到闭合的空间曲线。
这样通过优化XY面上的曲线和ZX平面上的曲线就可以优化空间曲线了。
01.1 膜结构参照线

01.2 优化后的平面投影线 01.3 拉伸后的空间曲面
01.4 优化完成膜结构控制线

这是一个随机分面
的幕墙划分，设计师将
幕墙面的材质设为全透玻
璃、半透玻璃、铝板三
种，并要求在不同的区间
内按不同的比例划分，并
且要符合开窗比。在这里
我们首先将整个幕墙分为
三个区间，每个区间内的
各种材质的比例不一样；
其次选取第一个区间内的
所有面，并将插件（BIM
研究室复杂形体小组开
发）打开，设置好比例启
动插件，这样程序将自动
将随机划分的面添加到不
同的list中；然后我们可
以选中list中的元素设置
他们的材质或颜色来加以
区分；最后一次将其余的
区间区分好。这样幕墙的
划分就完成了。
02.1 随机分面一
02.2 设置材质

02.3 随机分面二
02.4 分面效果图

在这个项目中的幕墙是一个相似于椭
球体的曲面形态，是一个不可展开的面，
但是当幕墙面细分后，边成了由一个一个
的四边形面组成的曲面后，每一个四边形
确是能展开的面，所以只要将一个一个的
四边形面按照顺序展开在同一平面上就能
得到整个幕墙的展开面了，下面是展开面
完成的过程：
1、由于这个项目中的幕墙是四分之一对
称的，所以只要展开四分之一就可以的到
其他的；
2、幕墙是以轴线之间均分的，同一列中
的四边形面可以整体的看成是一个可展开
的曲面，所以先将同一列中的四边形面合
并成新的曲面；
3、在将要展开的平面上做出展开参考
点；
4、将2中生成的曲面依次展开到展开平
面上，选好展开相关点和相关轴；
5、对称出幕墙中以短轴对称的另外四分
之一的展开面
6、生成展开图并做出轴线，添加开洞。
03.1 展开幕墙
03.2 幕墙展开1/4面
03.3 幕墙展开1/2面

03.4 幕墙面展开图纸

基于现有的
施工条件，将大
面分割成几个小
面方便施工单位
的施工，在这个
项目中我们遇到
的是需要将一个
四边形面分成数
个四边形小面。
在这里我们采用
的是UDF，首先
将四边形面均分
或者是按要求划
分为若干份并设
置好UDF初始条
件，便于协同建
筑师多次调整。
04.1 需要细分的屋顶面
04.2 插入UDF

04.3 细分结果一
04.4 细分结果二
04.5 添加材质的屋顶效果

“在不久的将来——没有图纸”

fab lab 是一个小规模的工作间。
它能为个人提供数字化制造的功能。

硬件

一般fab lab配备了一系列灵活的计算机控制工具，
涵盖了不同的尺度和各种材料，使得“几乎所有的
东西”都有可能被制造出来。

切割机

数控设施

软件

脚本语言
脚本语言通常都有简单、易学、易用的特性，目的就是希望
能让程序员快速完成程式的编写工作。

虽然fab lab没有广泛分布在大规模生产中，
但是已经表现出它的潜力，使得小团队进行原型开
发变为可能。

PIKE LOOP
Gramazio & Kohler
New York
2009. 09. 30
数字建造（ Fab lab）案例

22M长的砖结构

SUBDIVIDED COL-
UMNS
Michael Hansmeyer
Gwangju Design Biennale 2011

通过processing编程语言利用细分曲面的算法生成截面

生成CNC切割机所需要的DXF文件

ETH MAS Final Project——数字化流程

areas of higher deformation
and round section
Initial organic shapes achieved using the UF concept:
Thanks
This work is based on our Master of Advanced Studies final thesis at the ETH Zurich in 2009/2010.
We thank Ludger Hovestadt who made this project possible.
We would like to thank some persons from the Chair for their advice:

参数化流程
利用现有的rhino, catia, excel 我们设计了我们自己
的参数化数据链。

140
After generating geometry data, designers have to do further detail based on it. Considering about the
property of material and physcial condition of real world, it may need to adjust the design data again. Thus,
record all the position data for developing and analyzing is indispensable.
Export model information to excel
Building skin
Facade components
Triangular frame
Record each point in excel Use point information for preliminary analysis
Fig.3 flow chart
The digital chain is based on initially predefined, basic design data. The following diagram explains the main process.
Building grid
CAD in RhinoScript
preliminary geometry analysis
data transfer
Building skin
Facade components
Triangular frame
Record each point in excel Use point information for preliminary analysis
Fig.3 flow chart
Building skin
Facade components Triangular frame
containing basic
geometry driving
data

Geometry driging data
in excel
1 column per frame
Adaptive source module TYPE A- Lasercutting
CAM in Catia V5
geometry alert
Simulation & coordinates welding
1. WELDING
2. LASER CUTTING
3. CONSTRUCTION DOCUMENTS
excel file stores geometry
coordinates:
1 column/triangle,
24 triangles = 24 columns
Construction details & data sheet

cut sheet
metal
Generating KRC language; GUI
1. WELDING
2. LASER CUTTING

数控流程—— 我们开发了自己的脚本软件。
从catia5导出的excel表中自动生成焊接的KUKA机器
人脚本。

KUKA KR240,
6-axis
CMT Welding station,
RCU 5001
KR C2
workbench
track,
axis no. 7

1. initialize workbench
2.model parametric data
BA
CD
A(x,y,z)
B(x,y,z)
C(x,y,z)
D(x,y,z)
Real World
RealTable
Initialization workbench
During this period, Kuka Robot measure the coodinate points (A,B,C,D) to initialize the virtual
enviroment in CAD/CAM.

147
initial welding testing

146
welding table according the welding simulation in CATIA V5

2.model parametric data
3.export data sheet
DigitalTable
0(x,y,z)
1(x,y,z)
2(x,y,z)
3(x,y,z)
Virtual World
unfoldedform
PartBody01
PartBody02
Geometrical Set
0
1
2
3
enviroment in CAD/CAM.
Modelling parametric date
Input the coodinate points from Kuka robot, CAD/CAM software (in this case it is CATIA) generat
coodinate system base on those initial points.
Using assembly workbench to assemble the original CAD design parts into the virtual kuka
workbench .

3.export data sheet
0(x,y,z)
1(x,y,z)
2(x,y,z)
3(x,y,z)
.
.
.
excel sheet
x
y
z
P0 P1 P2 P3
Using assembly workbench to assemble the original CAD design parts into the virtual kuka
workbench .
Export data sheet
The digital file which created by CAD/CAM is export to excel sheet.
This excel sheet include point locations. those point locations will control the kuka robot mechine by
KRL mechine language.

4. generate KRL file
5. adapt production
adapt.dat
adapt.src
weld.dat
weld.src
Kuka Controller facilities
facilities
Serial Number
Type
02
PTP
20%Speed
onWelding
DECL E6POS XP2={X 1507.5752, Y-2322.9973, Z 866.64496,A
-108.674698,B 79.9726028,C -69.7420731,S 6,T 50,E1 55.3497086,E2
0.0,E3 0.0,E4 0.0,E5 0.0,E6 0.0}
DECL FDAT FP2={TOOL_NO 1,BASE_NO 0,IPO_FRAME
#BASE,POINT2[] " "}
DECL PDAT PPDAT2={VEL 100.0,ACC 100.0,APO_DIST 100.0,
;FOLD PTP P2 Vel= 20 % PDAT2 Tool[1]:Robacta_CMT_36
Base[0];%{PE}%R 5.4.24,%MKUKATPBASIS,%CMOVE,%VLIN,%P
1:PTP, 2:P2, 3:, 5:20, 7:PDAT2
$BWDSTART = FALSE
PDAT_ACT=PPDAT2
FDAT_ACT=FP2
BAS(#PTP_PARAMS,20)
PTP XP2
;ENDFOLD
x
y
z
P0 P1 P2 P3
0
1
2
3
Generate KRL file
Using KRL generation software , adaptting file and welding file will be generated basing on the excel
sheet file.

0
1
2
3
5. adapt production
RealTable
6. weld production
weld.dat
weld.src
adapt.dat
adapt.src
Generate KRL file
Using KRL generation software , adaptting file and welding file will be generated basing on the excel
sheet file.
Adapting production
In adatting file, there are 2 or 3 points. using this points to adapt metal pieces to pricse positon. this is
a preparation step for next welding.

Digital sensors provide a detailed feedback about the process
Kinematics: welding simulation in Catia

0
1
2
3
RealTable
6. weld production
7. finish
weld.dat
weld.src
Adapting production
In adatting file, there are 2 or 3 points. using this points to adapt metal pieces to pricse positon. this is
a preparation step for next welding.
welding production
Kuka robot read the welding file to weld the metal pieces.

weld the next edge
inflationassemled frame
welding

143
facade
assembly
INSTALLATION
welding single pieces and
table simulation in CATIA V5
welding frame + inflation =
FINAL PIECE UNFOLDED FORM

153
(Ton)
0.70.4
0.1 0.2 0.3
M1
M2
Pressure 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
1.01 .3 1.62 .0 2.3 2.65
0.6 0.7 1.0 1.41 .7 2.12 .4 2.85
0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
3.05
3.25
3.5
3.7
3.9
4.15
4.4
4.65
5
5.4
(mm)
(mm)
M1
M2
1,50m
break
at 1.4 t
强度测试

大数据+社区

emergence的出现，是人工智能，信息论，数字技
术，经济，气候研究，材料科学和生物工程的一个重要
的新概念。

这一概念基于以下这么一个假设：
在复杂系统之中同时存在着突破性的和连贯的结构。
系统的形态和属性在复杂系统自组织的过程中所产生
的。

“城市不仅可以接受不同种类的阶级，人
群。同时城市也是由许多基于自身不同的
原因而不停建设、改造的建筑组成的产物。
虽然它可能会稳定一段时间，但是在细部上
永远的不断变化。只有局部控制其增长和形
式。城市有没有最终的结果，永远是一个阶
段的连续继承“（凯文林奇，1960年）

Architecture and
cities

“自下而上”

Cellular Automata
L-system
Tiling(Voronoi)
Aggregation(DLA)
通过分解整个设计流程为不同的部分，然
后将不同的部分整合成一个灵活的计算机
程序。与传统的方法比较起来，这样我们
可以通过调整参数，以创建更多的变化。

HD Fair
2007-2009
Partner:
Messe Schweiz AG, Basel, CH
Team:
Markus Braach, Oliver Fritz
Scale: Architecture

National Beijing Olympic Stadium (CN)
2003
KAISERSROT in collaboration with Herzog & de Meuron, Basel
This is a perfect example for optimization. To do it “by hand” you sit there for weeks and whenever you intro-
duce a new beam to limit the number of too-big-red-fields you get too many too-small-black-fields and so on.
The software does not do it any different, but less tedious and much faster. And by doing so, it is able to opti-
mize the ratio of big and small fields by using the evolutionary technique of genetic algorithms. The structure is
increasing in “fitness” and becomes optimized. An example of how to get a performative grip on disorder.
Partner: Herzog + deMeuron, Basel, CH
Team: Markus Braach, Oliver Fritz
Scale: Architecture

DesignYourOwnNeighbourhood
2001
Partner:
KCAP, NL (Kees Christiaanse Architects and Planners)
Team:
Markus Braach, Oliver Fritz,
Frederick Künzel (KCAP), Frank Werner (KCAP)
Scale: Urban Design

Macro Thinking & Micro action
Thesis by Haidong Ma
Mentor: Benjamin Dillenburger, Michael Hansmeyer
Simulation Algorithm of
Macro Thinking & Micro action
Simulation Algorithm of
Thesis by Haidong Ma
Mentor:
Benjamin Dillenburger
Michael Hansmeyer
MALL MALL
MALL
G
G
G
B
B
B
P
P
P
P
P
P
Content
1. Context & proposal
2. Site & parameterization
3. Simulation software
3.1. algorithm-macro thinking
3.2. algorithm-micro action
3.3. software output
4. Conclusion & feedback
5. Reference
Abstract
This thesis aims to provide alternative and innovative plan models for Chinese cities that are currently under
rapid development. Using digital technology, the author strive to integrate the diverse local structure in social

87
urrently under
ture in social
rization, the
as reference
entions among
base on cellular
master plan in
awn to reflect
1950
15% 20%
40%
60%
1970
1990
2010
2030
China’s Urbanization Process
professional designer
Monotonous
top down
Context
“China is undergoing a process of unprecedented urbaniza-
tion, with cities often being built from scratch in just three to
five years. Four hundred new cites will be built over the next
20years with newly urbanized populations of over 240
million. So rapid and intense is this process that consump-
tion of energy and natural resources is outstripping supply,
posing unique challenges for the creation of sustainable
Proposal output: integrate the diverse local structure in
social and spatial aspects with the ambition and demands
of city’s expansion.2
Proposal
designer
stake holder
resident
Diverse
intervention
self-organization
top down
bottom up
Context & Proposal
Current output: To achieve the fast development, cities
are considered as machines which are centrally
operated by the forces of politics and economics in
China

88
Sequence Programs
1 Design
creative
school, studio, exhibition, gallery, salon, showcase…
2 Production Research workshop, studio, headquarter, gallery…
3 Module Making
production
workshop, factories…
4 Parts Manufacturing workshop, factories, logistics…
5 Assembling workshop, factories, logistics…
6 Wholesale wholesale market, mall, sale agent, logistics...
7 Retail
consumption
-
vertisement...
8 After Service
Parameterization
Infrastructures & facilities
Industry Chain
Social demand
There are six individual social demand have been parameterized in this site:
1) wholesale merchant, 2) rich wholesale businessman, 3) immigrant worker,
4) jobless immigrant, 5) local villager and 6) urban citizens.
Site description
The southern districts in Beijing are selected as a research site. Formed by
the process of self-organization, this area shows strong internal power to
grow; however, as the expansion of the city has reached here, it brought
intensive external development pressure to the area.
L, M FacilitiesS,XS Facilities
Site & Parameterization
This site has concentrated more than 460 clothing factories, ranging from
parts manufacturing, module production to assembling. Furthermore, there
are 39 big wholesale malls and market for garments, clothing materials and
XL,L,M Roads S,XS Roads
Site in Beijing

infrasturcture
building behavior
social demand
adding
deleting
adapting
macro thinking micro action
industry chain
Simulation Software
Algorithm
By the influence of industry chain, infrastructures and social demand, building
behaviors try to be stable by adapting, adding or deleting.
input: rules output: masterplan

90
Algorithm - macro thinking
(0,0)
(-600,-2000) (1200,-2000)
(-600,1000) (1200,1000)
define a rectangle of site area
2010.01 2020.01
DHM Develop Sequence
integrationisolation 1 2 3 4
timeline
define a time scope of site development to simplify calculation.
software initialization
Define space & time
To simplify calculation, before inputting parameter and starting
simulation, software initialize site area by rectangle ABCD and
dividing time scope as four phase from 2010 to 2020.
A B
CD

信息部/ BIM STUIDO 91
infrasturcture input & output
input: streets & date (defined by urban designer)
output: blocks (calculated by software)
2012
2015
2020
By input of infrastructure development strategy which is defined by urban designer in different phase,
this software will output blocks which is calculated by GIS spatial algorithm.

92
block input & facilities output
input output
1
L street
p0
p1
p2
p3
L street
p0
p1
p2
p3
formula
facilities’number=(5~10)/100 X street length
facilites’size=?{
if (area< 500,000sqm)
?=1;
if(area<1000,000sqm)
?=2;
if(area>1000sqm)
?=3;
}
ratio of L, M, S facilites’scale=?{
firstly, calculate the location.
then calculate the distance to main streets.
if (distance<10m)
L=0%
M=5%
if (distance<100m)
L=5%
M=10%
if(distance>100m)
L=0%
M=20%
}
block
length:
area: 250,000sqm
400m
location: 30% nearby main street
facilities
numbers:
size list
35
ratio list
According to blocks’property, software will generate facilities which are
based on access abilities. field research and urban designer’s knowledge
provided the formulas for software calculation.
a) facilities’numbers=formula(street length)
b) ratio of L, M, S facilities’scale=formula(distance to main streets).

93
industry chain input & programs output
programs output (software)
1
Design
Production
Research
ModuleMaking
Parts
Manufacture
Assemble
Wholesale
Retail
After-
Service
2
3
45
6
7
8
CREA
TIVE
CONSU
M
PTION
School
Studio
Exhibition
Studio
Studio
Workshop
Headquater
Research
Lab
Exhibition
Exhibition
Workshop
Factory
Workshop
Factory
Logistics
Workshop
Factory
Logistics
Logistics
Mall
Wholesale
market
Shopping
mall
Flagship
shops
Flagship
shops
Logistics
Boutique
headquater
flagship
PRODOCUT
ION
..................
school.number
school.size
research studio.number
research studio.size
exhibition.number
exhibition.size
conference.number
conference.size
workshop.number
workshop.size
headquater.number
headquater.size
factory.number
factory.size
logistics.number
logistics.size
wholesale.number
wholesale.size
mall.number
mall.size
flagship.number
flagship.size
boutique.number
boutique.size
Industry Chain
industry sequence
0
1
2
3
4
5
6
7
8
productionreaseach
partsmanufacturing
modulparts
manufacturing
assembly
sale
afterservice
economicbenefit
industry chain phase input (urban designer)
1 2 3 4
According to industry chain phase
which is based on industry development
discipline and inputted by urban
designer, this software will output
programs which is calculated by
industry-related database.

94
output: anchors location and identity(programs and intensity)
LOG.
When the interventional
simulation starts, all anchors
strive for optimization in their
built-in demands. After a
certain amount of time,
equilibrium is achieved and
the process stops. Triggered
by the anchors, spatial
properties are generated
automatically based on the
influence from the anchors.
The closer to the anchor, the
greater influence it has.
Gradient color is used to
display spatial properties,
where a darker color indicates
a greater influence and vice
versa.
Through this method,
software can generate various
distribution patterns. Then,
designers can select one for
anchors input (urban designer)
output (software)
school
research/studio
exhibition
conference
workshop
headquater
factory
logistics
wholesale
mall
flagship
boutique
1logistics
anchor
2education
anchor
3fashion
anchor
4conference
anchor
related building programs output
social demand
Algorithm
rules: neighbor
1) neighbor.num
neighbor.radi
2) facilities distru
S facilities
>= 10(distanc
M facilities
L facilites
3) anchors sequ
MALL
G
G
B
B
fa
local urban villag

95oftware)
village buildings
merchant family
studio/worker
education/researcher
local urban villager
logistics server
factory/worker
In this area, there are six living patterns. During
the step of intervention, the anchors create
environment to attract new groups of people,
such as designers, researchers, and so on. To
simulate this process, we adopt the concept of
tolerance value from Micromotives and
Macrobehavious3 by Thomas Schelling (1978).
The principle is that people select where they live
and work depending on similarities in neighbor-
hood (including cultural and social quality). The
tolerance value is introduced to the new comers
and is defined as the number of similar neighbor-
hoods in the vicinity. For example, if there is no
similar neighborhood, the value will be zero; if
there is one, the value should be one and so on
and so forth. Before starting this simulation step,
social demand
rules: neighbors/living cost/facilities/anchors
1) neighbor.numbers: 8
neighbor.radious: 80m
2) facilities distrubtion
S facilities
>= 10(distance <80m)
M facilities
L facilites
3) anchors sequence
MALL
MALL
MALL
MALLB
P
P
penetrate into city
G
G
G BP
B
B
Weekly Life
CORE AREA
Monthly Life
penetrate into city
P
P
MALL
G
G
B
B
B
Daiy Life
CORE AREA
distance
facilities
local urban villager education/reseacher
CORE AREA
distance

96
current point(Pn)
neighbor area(radius)
Software automatically generates three different building behaviors.
base on cellular automata theory
adapting
deleting
adding
1
0
2
Depending on spatial properties of site generated at the first step, the software
strives to distribute and modify village living patterns (cells). Each cell tries to find
their position in the site and meet their neighborhood within the tolerance value.
When the simulation is started, the initial situation is determined by assigning a
state (live pattern) for each cell from the intervention step. A new generation of cells
is then created according to spatial properties of the site and the tolerance rule. The
tolerance rule determines that the new state of each cell is based on their current
states and the cells around. Eventually if all the cells meet the rules, they will be
stable. It should take a finite amount of time to reach this stable state. Otherwise,
designers should reduce tolerance value and modify the initial parameters in the
intervention step to achieve convergence.4
self-organization building behaviors
Algorithm - micro action

97
java simulation software/developer haidong ma
date: 2015
ancher numbers: 4
develop levels: 2
sum of buildings: 850
floor area ratio(FAR): 1.2
MALL
MALL
G
G
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B B
B
B
B
B
B B B
B
B
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
Software Output
The complete simulation process is a sequence loop. At the first step (intervention), the processing is initialized and
parametric rules considering the infrastructure and basic programs are set up. At the second step (self-
organization), the villages reflect the parametric elements and start the process of self-organization. At the third
step (auto-generation), local infrastructure and related facilities are generated automatically. When the three steps
sequence accomplished, simulation process goes back to the first intervention step for the next computing circle.
After several iterations of processing and intervention from designers, simulation process will arrive at the final
Develop Sequence
integrationisolation
developedcurrent 1 2 3 4
Infrastructure Upgrading
auto generation by develop sequence
selected by manual

"Macro Thinking & Micro Action" has been selected as one
of the 10 best papers of the eCAADe2010 conference.
conclusion & feedback
Reference
1. Laurence Liauw, 2008,‘New Urban China’, Architectual Design, Profile No 195, Wiley
2. Alexander, C 1965,‘A city is not a tree’, Architectural Forum, Vol 122, No 1&2, April 1965, pp 58-62.
3. Schelling, T. C 1978, Micromotives and macrobehavior, W. W. Norton, New York.
4. Batty, M 2005, Cities and Complexity: Understand cities with cellular automata, agent-based models
and fractals’, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts.
Conclusion
The final version application still is on processing though, it is clear that digital parameterization and
simulation can be considered as new possible urban tools to model the realities and generate solutions.
In this case, by introducing anchor points urban design principle and cellular automata digital method.
Computational simulation of urban developing can happen under the control of certain parametric rules
and setting up people living behavior.
Because this new tools embrace emerging process into strategy, one of the benefits of this new tools is
that different users can be involved into the process. It helps to find a more adaptive proposal for cities.
The critical issue of this method is to create a convergence programming sequence structure that has the
ability to simulate a whole scene of urban develop procedure, otherwise simulation will be endless.
Feedback

"Macro Thinking & Micro Action" has been selected as one
of the 10 best papers of the eCAADe2010 conference.
conclusion & feedback
Reference
1. Laurence Liauw, 2008,‘New Urban China’, Architectual Design, Profile No 195, Wiley
2. Alexander, C 1965,‘A city is not a tree’, Architectural Forum, Vol 122, No 1&2, April 1965, pp 58-62.
3. Schelling, T. C 1978, Micromotives and macrobehavior, W. W. Norton, New York.
4. Batty, M 2005, Cities and Complexity: Understand cities with cellular automata, agent-based models
and fractals’, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts.
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_simulation.
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_automaton.
Conclusion
The final version application still is on processing though, it is clear that digital parameterization and
simulation can be considered as new possible urban tools to model the realities and generate solutions.
In this case, by introducing anchor points urban design principle and cellular automata digital method.
Computational simulation of urban developing can happen under the control of certain parametric rules
and setting up people living behavior.
Because this new tools embrace emerging process into strategy, one of the benefits of this new tools is
that different users can be involved into the process. It helps to find a more adaptive proposal for cities.
The critical issue of this method is to create a convergence programming sequence structure that has the
ability to simulate a whole scene of urban develop procedure, otherwise simulation will be endless.
Feedback

计算机辅助建筑设计
——BIM/数字建造/编程&脚本
主讲人：马海东 BIM研究室总工程师 ETHZ MAS
谢谢！

计算机辅助建筑设计 ——BIM/数字建造/编程&脚本

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