Computational Design - Einführung

Einführung in Computational Design

• Buch als Teil der Vorlesungsunterlagen für den Kurs Computational Design, mit theoretischen Inhalten.
• Enthält eine Sammlung kuratierter Texte aus verschiedenen Quellen, ergänzt durch Illustrationen und Diagramme.

Digitale Signalverarbeitung

• Physische reale Welt muss in digitale Signale übersetzt werden, um sie vom Computer verarbeitet werden zu können.
• Digitale Signale basieren auf diskreten Werten, während analoge Signale kontinuierliche Werte annehmen.

Analoge und Digitale Signale

• Analoge Signale: kontinuierlich und messbar (z. B. Temperatur, Luftdruck).
• Digitale Signale: arbeiten mit diskreten Werten (0 und 1), die als "bit" dargestellt werden. Ein bit kann zwei Zustände repräsentieren.

Binärcode

• Darstellung von Informationen durch Sequenzen zweier Symbole (z. B. 1/0 oder wahr/falsch).
• Mehrere Bits ermöglichen die Darstellung komplexerer Informationen; z. B. mit 3 Bits können 8 unterschiedliche Zahlen dargestellt werden.

Geschichte der Rechenmaschinen

• Leibniz war wegweisend bei der Entdeckung der binären Zahlencodierung, die Rechenprozesse vereinfacht.
• Verbindung von Arithmetik und Logik durch binären Zahlencode, dokumentiert in seinen Arbeiten des 17. Jahrhunderts.

Digitale Modellierung und Geometrie

• Verwendung von computergestütztem Design (CAD) zur Planung und Modifizierung von baulichen Umgebungen.
• Digitale Geometrie als zentrales Element in der Entwicklung von modernen Architekturen und Designs.

Relevante Themen im Kurs

• Mensch-Computer-Interaktion und deren Bedeutung für die digitale Gestaltung.
• Anwendungen wie Rhino für CAD und Grasshopper für visuelle Programmierung werden behandelt.

Digitale Fabrikation

• Techniken wie CNC und Rapid Prototyping sind Teil des digitalen Fabrikationsprozesses.

Daten und Modelle

• Wichtige Aspekte umfassen technische Entwicklungen, digitale Datenstrukturen und digitale Prozessketten.

Algorithmus und Programmierung

• Einführung in Programmiergrundlagen, einschließlich Bedingungen, Variablen und repetitive Strukturen.
• Bedeutung von Parametrischem Design und prozeduralen Ansätzen zur Generierung von Designvarianten.### Leibniz und die Rechenmaschine
• Gottfried Wilhelm Leibniz sah beim Bau der Rechenmaschine philosophische Motive: das Streben nach Freiheit und Spontaneität im Gegensatz zur mechanischen Arbeit.
• Zitat: „Es ist unwürdig, die Zeit von hervorragenden Leuten mit knechtischen Rechenarbeiten zu verschwenden“.

Binärcodes und digitale Informationen

• Binärcodes sind grundlegend für die Verarbeitung digitaler Informationen und werden oft als Maschinencode oder Maschinensprache bezeichnet.
• Computer operieren vorrangig auf Basis von Binärcodes, die ihre Einfachheit in der Informationsverarbeitung ausspielen.

Jacquard-Webstuhl und Lochkartentechnik

• Der von Joseph-Marie Jacquard entwickelte Webstuhl nutzte Lochkarten zur Steuerung der Platinenbewegungen, eine der ersten Anwendungen der Lochkartentechnik.
• Diese Innovation stellte einen bedeutenden Fortschritt in der Computerhardware dar und beeinflusste die Entwicklung der Analytical Engine von Charles Babbage.

Analytical Engine

• Charles Babbage entwarf die Analytical Engine, eine mechanische Rechenmaschine für allgemeine Anwendungen.
• Sie stellte einen wichtigen Schritt in der Computerentwicklung dar; Babbage plante mathematische Formeln mit Programmierungen zu lösen, und Ada Lovelace unterstützte diese Konzepte.

Turingmaschine

• Die Turingmaschine, eingeführt von Alan Turing in den 1930er-Jahren, ist ein abstraktes Modell der theoretischen Informatik.
• Sie formalisiert die Konzepte von Algorithmus und Berechenbarkeit und ist fundamental in der Informatik.

Mensch-Computer-Interaktion (HCI)

• HCI untersucht das Design und die Nutzung von Computer-Technologie an der Schnittstelle zwischen Mensch und Computer.
• Verschiedene Disziplinen, einschließlich Psychologie und Ergonomie, tragen zur HCI-Forschung bei, um die Interaktion zwischen Benutzern und Computern zu optimieren.

Mixed Reality

• Mixed Reality kombiniert natürliche Wahrnehmung und computergenerierte Inhalte, spanning das Ganze vom Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum.
• Beispiele umfassen erweiterte Realität mit informativen Überlagerungen und virtuelle Realität, die komplett computergeneriert ist.

Internet of Things (IoT)

• Das IoT vernetzt physische und virtuelle Objekte durch Informations- und Kommunikationstechniken.
• Anwendungen ermöglichen die Interaktion zwischen Menschen und vernetzten elektronischen Systemen, häufig unterstützt durch Wearables.

Technisches Zeichnen und Entwicklung von CAD

• Technisches Zeichnen hat sich von den Anfängen im Mittelalter zu modernen Techniken entwickelt, einschließlich der Verwendung von Bleistift und Tusche auf Zeichentafeln.
• Der Begriff „Computer-Aided Design“ (CAD) entstand in den 1950er-Jahren und bezieht sich auf die computergestützte Erstellung und Änderung geometrischer Modelle.

Meilensteine in der CAD-Entwicklung

• PRONTO (1957) war das erste kommerzielle numerisch gesteuerte Programmiersystem und legte den Grundstein für die CAD-Entwicklung.
• AutoCAD, eines der ersten und erfolgreichsten CAD-Systeme, wurde in den 1980er-Jahren populär und erleichterte den Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemen durch das DXF-Dateiformat.

Fazit zur CAD-Entwicklung

• Der CAD-Boom in den 1980er-Jahren führte zu spezialisierteren Softwarelösungen für unterschiedliche Planungsaufgaben.
• Entwicklungen in der 3D-Modellierung revolutionierten die Konstruktion, indem sie Simulationen und effiziente Fertigungsabläufe ermöglichten.### Geschichte der CAD-Systeme
• 1963 Sketchpad: Eines der ersten Designsysteme mit grafischer Benutzeroberfläche, revolutionierte die Benutzerinteraktion durch Lichtstift und CRT-Bildschirm.
• 1967 DIGIGRAPHICS: Eines der ersten kommerziellen CAD-Systeme mit grafischen Schnittstellen, Preis: $500.000.
• 1971 ADAM: Interaktives Grafikdesign- und Fertigungssystem von Patrick Hanratty, funktionierte auf fast allen Großrechnern.
• 1975 NURBS: Einführung von Non-Uniform Rational B-Splines durch Dr. Ken Versprille in CAD zur Definition von Oberflächen, weit verbreitet in der Ingenieurswelt.
• 1977 Glide: Entwicklung von Charles Eastman, enthielt viele Funktionen des modernen BIM (Building Information Modeling).
• 1979 INTERACT: Entwickelt von Mike Riddle, erstes CAD-System für Mainstream-Mikrocomputer, Vorgänger von AutoCAD, viele Originalbefehle bleiben in AutoCAD erhalten.
• 1982 AUTODESK AUTOCAD: Erste 2D-CAD-Software für PCs zur präzisen Erstellung von 2D- und 3D-Zeichnungen, machte CAD erschwinglicher.
• 1994 STEP: Neues 3D-CAD-Dateiformat von der Internationalen Organisation für Standardisierung, bis heute am häufigsten verwendet.
• 2002 Catia Digital Project: CAD-Anwendung für den Guggenheim Bilbao von Gehry Technologies.

Anatomie einer CAD-Software

• Direkte Modellierung: Geometrische Elemente werden über Funktionen wie Skalieren und Verschieben direkt verändert, keine dauerhaften Abhängigkeiten zwischen Elementen.
• Parametrische Modellierung: Modelle werden über Parameter gesteuert, wobei Beziehungen und Abhängigkeiten zwischen diesen durch Restriktionen umgesetzt werden.
• Chronologie-basierte Modellierung: Datenstrukturen zeichnen den Erzeugungsverlauf auf, dargestellt in einem Chronologiebaum zur Bearbeitung auf verschiedenen Modellen.

Rhino als Beispiel für CAD-Software

• Modellierungswerkzeuge: Ermöglicht Erstellung, Bearbeitung und Analyse von Kurven, Flächen, Volumenkörpern und Polygonnetzen.
• Editieren von Geometrien: Bearbeitung erfolgt über allgemeine Werkzeuge, Transformationen und Kontrollpunkte.
• Benutzeroberfläche: Bietet vielfältige Konstruktionshilfen und realistisches Rendering der Modelle.
• Digitale Herstellung: Rhino unterstützt Designer bei der Verwendung digital gesteuerter Fertigungsgeräte durch Export von Fertigungsdaten.
• 3D-Datenerfassung: Beinhaltet Unterstützung für 3D-Digitalisierungs-Hardware und gescannte Punktewolkendaten.
• Exportmöglichkeiten: Erlaubt den Export von 3D-Modellen und 2D-Zeichnungen in verschiedene Datenformate.

Grasshopper: Visuelle Programmierung

• Grasshopper: Plug-in für Rhino, entwickelt von David Rutten, ermöglicht algorithmische Modellierung, um komplexe Formen durch Parameter zu gestalten.
• Vorteile: Geometrie kann nahezu unbegrenzt verändert werden, Änderungen sind ohne Neuanfang möglich.
• Visuelle Programmiersprache: Nutzung grafischer Elemente zur Definition von Programmen, ermöglicht Benutzern, Programme durch grafische Manipulation zu erstellen.

Darstellende Geometrie

• Definition: Teilbereich der Geometrie, der sich mit der Projektion dreidimensionaler Objekte auf eine zweidimensionale Ebene beschäftigt.
• Anwendungsbereiche: Technik- und Architekturdarstellung, Kunst, Malerei, Kartenwesen und Computergraphik.
• Wichtige historische Persönlichkeiten: Albrecht Dürer und Gaspard Monge, der die strenge Zuordnung von Grund- und Aufriss einführte.
• Trennung von Planung und Ausführung: Konstruiert das Verhältnis zwischen Architekt und Baumeister, wobei der Architekt als intellektuelle Autorität gilt.

Projektionen in der Geometrie

• Parallelprojektion: Strahlen sind parallel, beinhaltet Orthogonal- und Schräge Parallelprojektion, häufig von Ingenieuren verwendet.
• Zentralprojektion: Abbildungsstrahlen gehen durch einen Punkt, die Bedeutung der Renaissance in der Malerei.
• Koordinatensysteme: Verwendung des kartesischen Koordinatensystems, das Abstände zu den Achsen für Punktbestimmungen nutzt.

Einführung in Computational Design

• Buch als Teil der Vorlesungsunterlagen für den Kurs Computational Design, mit theoretischen Inhalten.
• Enthält eine Sammlung kuratierter Texte aus verschiedenen Quellen, ergänzt durch Illustrationen und Diagramme.

Digitale Signalverarbeitung

• Physische reale Welt muss in digitale Signale übersetzt werden, um sie vom Computer verarbeitet werden zu können.
• Digitale Signale basieren auf diskreten Werten, während analoge Signale kontinuierliche Werte annehmen.

Analoge und Digitale Signale

• Analoge Signale: kontinuierlich und messbar (z. B. Temperatur, Luftdruck).
• Digitale Signale: arbeiten mit diskreten Werten (0 und 1), die als "bit" dargestellt werden. Ein bit kann zwei Zustände repräsentieren.

Binärcode

• Darstellung von Informationen durch Sequenzen zweier Symbole (z. B. 1/0 oder wahr/falsch).
• Mehrere Bits ermöglichen die Darstellung komplexerer Informationen; z. B. mit 3 Bits können 8 unterschiedliche Zahlen dargestellt werden.

Geschichte der Rechenmaschinen

• Leibniz war wegweisend bei der Entdeckung der binären Zahlencodierung, die Rechenprozesse vereinfacht.
• Verbindung von Arithmetik und Logik durch binären Zahlencode, dokumentiert in seinen Arbeiten des 17. Jahrhunderts.

Digitale Modellierung und Geometrie

• Verwendung von computergestütztem Design (CAD) zur Planung und Modifizierung von baulichen Umgebungen.
• Digitale Geometrie als zentrales Element in der Entwicklung von modernen Architekturen und Designs.

Relevante Themen im Kurs

• Mensch-Computer-Interaktion und deren Bedeutung für die digitale Gestaltung.
• Anwendungen wie Rhino für CAD und Grasshopper für visuelle Programmierung werden behandelt.

Digitale Fabrikation

• Techniken wie CNC und Rapid Prototyping sind Teil des digitalen Fabrikationsprozesses.

Daten und Modelle

• Wichtige Aspekte umfassen technische Entwicklungen, digitale Datenstrukturen und digitale Prozessketten.

Algorithmus und Programmierung

• Einführung in Programmiergrundlagen, einschließlich Bedingungen, Variablen und repetitive Strukturen.
• Bedeutung von Parametrischem Design und prozeduralen Ansätzen zur Generierung von Designvarianten.### Leibniz und die Rechenmaschine
• Gottfried Wilhelm Leibniz sah beim Bau der Rechenmaschine philosophische Motive: das Streben nach Freiheit und Spontaneität im Gegensatz zur mechanischen Arbeit.
• Zitat: „Es ist unwürdig, die Zeit von hervorragenden Leuten mit knechtischen Rechenarbeiten zu verschwenden“.

Binärcodes und digitale Informationen

• Binärcodes sind grundlegend für die Verarbeitung digitaler Informationen und werden oft als Maschinencode oder Maschinensprache bezeichnet.
• Computer operieren vorrangig auf Basis von Binärcodes, die ihre Einfachheit in der Informationsverarbeitung ausspielen.

Jacquard-Webstuhl und Lochkartentechnik

• Der von Joseph-Marie Jacquard entwickelte Webstuhl nutzte Lochkarten zur Steuerung der Platinenbewegungen, eine der ersten Anwendungen der Lochkartentechnik.
• Diese Innovation stellte einen bedeutenden Fortschritt in der Computerhardware dar und beeinflusste die Entwicklung der Analytical Engine von Charles Babbage.

Analytical Engine

• Charles Babbage entwarf die Analytical Engine, eine mechanische Rechenmaschine für allgemeine Anwendungen.
• Sie stellte einen wichtigen Schritt in der Computerentwicklung dar; Babbage plante mathematische Formeln mit Programmierungen zu lösen, und Ada Lovelace unterstützte diese Konzepte.

Turingmaschine

• Die Turingmaschine, eingeführt von Alan Turing in den 1930er-Jahren, ist ein abstraktes Modell der theoretischen Informatik.
• Sie formalisiert die Konzepte von Algorithmus und Berechenbarkeit und ist fundamental in der Informatik.

Mensch-Computer-Interaktion (HCI)

• HCI untersucht das Design und die Nutzung von Computer-Technologie an der Schnittstelle zwischen Mensch und Computer.
• Verschiedene Disziplinen, einschließlich Psychologie und Ergonomie, tragen zur HCI-Forschung bei, um die Interaktion zwischen Benutzern und Computern zu optimieren.

Mixed Reality

• Mixed Reality kombiniert natürliche Wahrnehmung und computergenerierte Inhalte, spanning das Ganze vom Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum.
• Beispiele umfassen erweiterte Realität mit informativen Überlagerungen und virtuelle Realität, die komplett computergeneriert ist.

Internet of Things (IoT)

• Das IoT vernetzt physische und virtuelle Objekte durch Informations- und Kommunikationstechniken.
• Anwendungen ermöglichen die Interaktion zwischen Menschen und vernetzten elektronischen Systemen, häufig unterstützt durch Wearables.

Technisches Zeichnen und Entwicklung von CAD

• Technisches Zeichnen hat sich von den Anfängen im Mittelalter zu modernen Techniken entwickelt, einschließlich der Verwendung von Bleistift und Tusche auf Zeichentafeln.
• Der Begriff „Computer-Aided Design“ (CAD) entstand in den 1950er-Jahren und bezieht sich auf die computergestützte Erstellung und Änderung geometrischer Modelle.

Meilensteine in der CAD-Entwicklung

• PRONTO (1957) war das erste kommerzielle numerisch gesteuerte Programmiersystem und legte den Grundstein für die CAD-Entwicklung.
• AutoCAD, eines der ersten und erfolgreichsten CAD-Systeme, wurde in den 1980er-Jahren populär und erleichterte den Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemen durch das DXF-Dateiformat.

Fazit zur CAD-Entwicklung

• Der CAD-Boom in den 1980er-Jahren führte zu spezialisierteren Softwarelösungen für unterschiedliche Planungsaufgaben.
• Entwicklungen in der 3D-Modellierung revolutionierten die Konstruktion, indem sie Simulationen und effiziente Fertigungsabläufe ermöglichten.### Geschichte der CAD-Systeme
• 1963 Sketchpad: Eines der ersten Designsysteme mit grafischer Benutzeroberfläche, revolutionierte die Benutzerinteraktion durch Lichtstift und CRT-Bildschirm.
• 1967 DIGIGRAPHICS: Eines der ersten kommerziellen CAD-Systeme mit grafischen Schnittstellen, Preis: $500.000.
• 1971 ADAM: Interaktives Grafikdesign- und Fertigungssystem von Patrick Hanratty, funktionierte auf fast allen Großrechnern.
• 1975 NURBS: Einführung von Non-Uniform Rational B-Splines durch Dr. Ken Versprille in CAD zur Definition von Oberflächen, weit verbreitet in der Ingenieurswelt.
• 1977 Glide: Entwicklung von Charles Eastman, enthielt viele Funktionen des modernen BIM (Building Information Modeling).
• 1979 INTERACT: Entwickelt von Mike Riddle, erstes CAD-System für Mainstream-Mikrocomputer, Vorgänger von AutoCAD, viele Originalbefehle bleiben in AutoCAD erhalten.
• 1982 AUTODESK AUTOCAD: Erste 2D-CAD-Software für PCs zur präzisen Erstellung von 2D- und 3D-Zeichnungen, machte CAD erschwinglicher.
• 1994 STEP: Neues 3D-CAD-Dateiformat von der Internationalen Organisation für Standardisierung, bis heute am häufigsten verwendet.
• 2002 Catia Digital Project: CAD-Anwendung für den Guggenheim Bilbao von Gehry Technologies.

Anatomie einer CAD-Software

• Direkte Modellierung: Geometrische Elemente werden über Funktionen wie Skalieren und Verschieben direkt verändert, keine dauerhaften Abhängigkeiten zwischen Elementen.
• Parametrische Modellierung: Modelle werden über Parameter gesteuert, wobei Beziehungen und Abhängigkeiten zwischen diesen durch Restriktionen umgesetzt werden.
• Chronologie-basierte Modellierung: Datenstrukturen zeichnen den Erzeugungsverlauf auf, dargestellt in einem Chronologiebaum zur Bearbeitung auf verschiedenen Modellen.

Rhino als Beispiel für CAD-Software

• Modellierungswerkzeuge: Ermöglicht Erstellung, Bearbeitung und Analyse von Kurven, Flächen, Volumenkörpern und Polygonnetzen.
• Editieren von Geometrien: Bearbeitung erfolgt über allgemeine Werkzeuge, Transformationen und Kontrollpunkte.
• Benutzeroberfläche: Bietet vielfältige Konstruktionshilfen und realistisches Rendering der Modelle.
• Digitale Herstellung: Rhino unterstützt Designer bei der Verwendung digital gesteuerter Fertigungsgeräte durch Export von Fertigungsdaten.
• 3D-Datenerfassung: Beinhaltet Unterstützung für 3D-Digitalisierungs-Hardware und gescannte Punktewolkendaten.
• Exportmöglichkeiten: Erlaubt den Export von 3D-Modellen und 2D-Zeichnungen in verschiedene Datenformate.

Grasshopper: Visuelle Programmierung

• Grasshopper: Plug-in für Rhino, entwickelt von David Rutten, ermöglicht algorithmische Modellierung, um komplexe Formen durch Parameter zu gestalten.
• Vorteile: Geometrie kann nahezu unbegrenzt verändert werden, Änderungen sind ohne Neuanfang möglich.
• Visuelle Programmiersprache: Nutzung grafischer Elemente zur Definition von Programmen, ermöglicht Benutzern, Programme durch grafische Manipulation zu erstellen.

Darstellende Geometrie

• Definition: Teilbereich der Geometrie, der sich mit der Projektion dreidimensionaler Objekte auf eine zweidimensionale Ebene beschäftigt.
• Anwendungsbereiche: Technik- und Architekturdarstellung, Kunst, Malerei, Kartenwesen und Computergraphik.
• Wichtige historische Persönlichkeiten: Albrecht Dürer und Gaspard Monge, der die strenge Zuordnung von Grund- und Aufriss einführte.
• Trennung von Planung und Ausführung: Konstruiert das Verhältnis zwischen Architekt und Baumeister, wobei der Architekt als intellektuelle Autorität gilt.

Projektionen in der Geometrie

• Parallelprojektion: Strahlen sind parallel, beinhaltet Orthogonal- und Schräge Parallelprojektion, häufig von Ingenieuren verwendet.
• Zentralprojektion: Abbildungsstrahlen gehen durch einen Punkt, die Bedeutung der Renaissance in der Malerei.
• Koordinatensysteme: Verwendung des kartesischen Koordinatensystems, das Abstände zu den Achsen für Punktbestimmungen nutzt.

Dieses Quiz behandelt die Grundlagen des Computational Design, einschließlich der wichtigsten Konzepte und Anwendungen in diesem Fachgebiet. Es ist ideal für Schüler, die sich in die Materie einarbeiten möchten. Teste dein Wissen über die zentralen Themen und Ideen.