3D modelēšanas vēsture: Kā CAD izmainīja arhitektūras nozari?

Kas ir CAD?

CAD(Computer-aided design) - Termins, kas tiek izmantots, lai apzīmētu 3D vizualizācijas. Latviešu valodā un vienkāršākiem vārdiem - CAD ir datorizēta dizaina programmatūra, ko izmanto, lai radītu, uzlabotu, modificētu vai analizētu dizainu. Terminu “CAD” izdomāja Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT)  pētnieks  T. Duglass (Douglass T. Ross) 1959.gadā, lai apzīmētu izstrādāto datorizētas projektēšanas sistēmu.
‍

Datorizēta dizaina tehnoloģijas sniedz plašas iespējas dažādās jomās: CAD tiek izmantots intrumentu, detaļu, automašīnu projektēšanā, ēku projektēšanā, medicīnā, aviācijā u.c. Datorizētā dizaina pirmssākumi meklējami tieši arhitektūras nozarē, līdz ar tās attīstību. 

‍

Arhitektūras vēsture

Vizualizācija ir labākais komunikācijas veids starp klientu un arhitektu. Tā tas ir jau gadsimtiem ilgi, un līdz šim nekas nav to pārspējis. Vizuālās komunikācijas efektivitāti apstiprina arī monumentālā māksla jeb alu zīmējumi. Tad sāka attīstīties perspektīvas zīmējumi plaknē, un ilgu laiku arhitektūras darbi tika radīti uz papīra. Vēlāk tika izgatavoti arī 3D modeļi, tomēr arhitektūras nozare piedzīvoja būtiskas izmaiņas brīdī, kad pasauli strauji pārņēma tehnoloģijas. 3D tehnoloģijas krasi izmainīja šo nozari, paverot plašas iespējas tajā. 
‍

20. gadsimta sākumā arhitektūras nozari papildināja 3D vizualizācijas. Kurš to aizsāka? Bauhaus mākslas skola Vācijā, kas bija zināma ar savu revolucionāro un drosmīgo pieeju arhitektūras filozofijai. Lakonisks interjera dizains, ģeometriskas mēbeles - Bauhaus bija tie, kas ieviesa būtisko jauninājumu jeb 3D vizualizācijas arhitektūras nozarē, kas vēlāk tika integrētas arī rūpnieciskajā dizainā un mēbeļu ražošanā. 20. gadsimta 60.-70. gadi: arhitektūras un mākslinieku spēles laukumā notika milzīgas pārmaiņas, kas izmainījuši tās līdz pat šodienai. 
‍

3D modelēšanas un CAD inovators -  Patriks J.Hanrati (Patrick J. Henratty).  Patriks izstrādāja pasaulē pirmo CNC (datorizētas ciparu vadības) programmēšanas sistēmu darbarīku darbībai, kuru 1957. gadā laida klajā. 1961.gadā Hanrati kļuva par daļu no General Motors laboratorijas, un palīdzēja izstrādāt DAC (Design automated by Computer) jeb datoru ģenerētu grafiku, kurā tika izmantota interaktīva grafika.
‍

Pirmā 3D modelēšanas programma. Ivans Saterlends (Ivan Sutherland) - pirmās 3D modelēšanas programmatūras Sketchpad izgudrotājs. Sketchpad tika izstrādāta 1963.gadā, un tā ir pirmā trīsdimensiju modelēšanas programma, kas ļāva uz personālā datora modelēt vienkāršus objektus - kubu, prizmu u.c. Šī programma atšķīrās no Henratija sistēmas ar to, ka to varēja izmantot, uz monitora zīmējot ar vieglu pildspalvu. Faktiski tas bija lietotāja grafiskās saskarnes prototips, kas ir mūsdienu CAD neaizstājama iezīme. Lielākoties, tā tika izmantota mehānisku detaļu modelēšanai. Automobiļu un kosmosa kompānijas bija pirmie CAD programmu komerciālie lietotāji. Protams, tajā laikā tehnoloģijas bija pieejamas tikai “izredzētajiem”, jo to cena bija augsta, taču tas neliedza Ivanam - datorzinātniekam un interneta pionierim, radīt programmatūru un būt vienam no tiem, kas aizsāka arhitektūras digitalizāciju.

Vēlāk datorzinātnieks Edvīns Katmuls (Edwin Catmull), kurš, starp citu, bija ari Volta Disneja animāciju studijas prezidents, papildināja arhitektūras digitalizācijas attīstību ar reālismu, radot izliektu, reālistisku plaukstas modeli, un kartēšanas algoritmu kubisko virsmu un formu attēlošanai.

‍Martins Ņjels (Martin Newell) - vēl viena personība, kas spēlēja lomu 3D vizualizāciju attīstībā. Veidojot vienkāršotas 3D formas, viņš izstrādāja tējkannu. It kā nekas īpašs, bet šī tējkanna (Jūtas tējkanna) tagad ir renderēšanas simbols un tiek izmantota gandrīz visās programmās, sākoties renderēšanas procesam. Diezgan iespaidīgi!
‍

Reālisma piesitienu 3D modeļiem piešķīra arī Džims Blins (Jim Blinn). Viņš, izmantojot E.Katmula tekstūras kartēšanas algoritmus, padarīja vienkāršus 3D modeļus par reālistiskiem. Tās, protams, nebija tik reālas kā mūsdienās, bet ar to bija gana, lai vēl vairāk satricinātu arhitektus un māksliniekus ar jaunajiem atklājumiem. 3D modelēšana sākās tikai ar arhitektūru, taču Blins sāka veidot arī 3D animācijas, ietekmējot arī animācijas nozari, un šodien 3D modelēšanu varam sastapt ļoti daudzās nozarēs. Der atzīmēt, ka Blins bija arī datorgrafikas eksperts NASA Reaktīvo dzinēju laboratorijā.
‍

1971. gadā P.Hanrati izveidoja interaktīvu grafiskā dizaina, rasēšanas un izgatavošanas sistēmu ADAM, ko varēja izmantot praktiski visos tā laika lieldatoros. CAD programmas saknes meklējamas tieši ADAM izstrādē.

Vienā brīdī arhitekti atskārta, cik patiesībā iespaidīga, un tajā pat laikā vērtīga ir digitāla 3D modelēšana. Tas radīja lielu pieprasījumu pēc datorizētās projektēšanas kursiem un apmācībām. 80.gados 3D vizualizāciju programmas kļuva pieejamākas, un daudzi arhitekti sāka tās pielietot savā darbā. 

SynthaVision tiek uzskatīta par  pirmo renderēšanas programma (1970.gads), kas balstījās uz staru izsekošanu, un kas bija pieejama komerciāli, taču līdz ar portatīvo datoru ienākšanu 1982. gadā tika izstrādāta programma AutoCAD, kas bija pirmā 2D dizaina CAD programma, kas radīta tieši personālajiem datoriem, nevis tikai lieldatoriem vai mini datoriem. 80.gados datorizētās projektēšanas programmas kļuva ar vien populārākas, jo tās ļāva inženieriem un arhitektiem veikt izstrādes darbus, novēršot nepieciešamību pēc atsevišķām nodaļām uzņēmumos. 

‍

CAD Mūsdienās 

Mūsdienās datorizētā dizaina programmas tiek izmantotas inženierijā, arhitektūrā, būvindustrijā, ražošanā, tāpat arī mehānikā, elektroinženierijā, automašīnu ražošanā, medicīnā, aviācijā un citur. CAD programmas ļauj izstrādāt prototipus un risinājumus, kā arī optimizē projektēšanas procesu. Pateicoties šīm programmām, inženieriem ir iespēja precīzāk attēlot risinājumus, kā arī ērti tos modificēt. Programmatūrā ir iespējams arī norādīt un mainīt dizaina objekta materiālu un virtuāli to testēt, lai redzētu, kā mijiedarbojas šie materiāli un kāda ir to veiktspēja un izturība. Visus CAD programmās radītos risinājumus ir iespējams uzglabāt mākonī - tas ļauj viegli aplūkot, pārnest un izmantot projektu dažādās ierīcēs, un uzlabo saziņu starp projektā iesaistītajām pusēm. Piemēram, arhitektūrā CAD ļauj projektā iekļaut arī santehniku, eletrību, un citus elementus, tādējādi radot reālistisku risinājumu un visaptverošu dizainu, kas ietaupīs laiku un negaidītas kļūdas būvniecības laikā. 
‍

CAD mūsdienu arhitektūrā

Jau vairāk kā 25 gadus lielākā daļa arhitekti ir pārstājuši izmantot papīru un zīmuļus (taču ir tādi, kas pieturās pie klasiskām vērtībām, un sākotnējās skices rada uz papīra, pēc tam pārnesot tās digitālajā vidē, izmantojot skenēšanas programmas), taču CAD ir ievērojami atvieglojis arhitektu darbu. CAD ļauj arī ērti koplietot radīto dizainu un strādāt ar to - failu tipi ir tādi, ko dažādi datori un ierīces pieņem un spēja atpazīt. Tas savukārt paātrina arī rediģēšanas un pārskatīšanas procesu, ļaujot arhitektiem saglabāt dizaina plānus un funkcijas. Arhitektiem vairs nav jāsāk no sākuma katru reizi, kad viņi pārskata dizainu, un viņi var viegli kopēt jebkuru funkciju no viena dizaina uz otru. Izmantojot CAD programmas, arhitekti vienā programmā var apskatīt dažādus savas ēkas aspektus un perspektīvas. Programmas arī sniedz iespēju ātri un efektīvi atrast un novērst problēmas un pēc tam radīto dizainu ir iespējams prezentēt klientam kā virtuālu ceļojumu. Arhitektūra digitālajā vidē pavērusi plašas durvis radošumam - mūsdienās digitāli tiek atjaunotas vēsturiskas ēkas un arhitektūra. Izmantojot fotogrāfijas un rasējumus, top jaudīgi projekti. Ņujorkā pat iespējams aplūkot vēsturisko pilsētas arhitektūru papildinātajā realitātē.

‍
Runājot par virtuālajiem ceļojumiem.. Arī Liepājā ir iespēja aplūkot 3D risinājumus arhitektūrā virtuālajā vidē. Un gandrīz ikviens to var izdarīt savā viedtālrunī. 3D arhitektūru ir iespējams ievietot papildinātajā realitātē, un Digitālo inovāciju parks ir īstenojis projektu, kas ļauj aplūkot trīs vēsturiskas Liepājas ēkas. Pastaiga apvienojumā ar virtuālu ceļojumu pa Liepājas ielām sniegs ieskatu vēsturiskajā pilsētas arhitektūrā, un aplūkot ēkas, kuras mūsdienās vairs nav redzamas. 
‍

Lejupielādē lietotni “3D ēkas Liepāja” un iepazīsti 3D arhitektūru un Liepājas vēsturi. Lietotne pieejama šeit. 
‍

Avoti:

https://yeswebim.wordpress.com/2015/01/15/history-of-computer-aided-design/ 
‍https://partsolutions.com/60-years-of-cad-infographic-the-history-of-cad-since-1957/ 
‍https://www.easyrender.com/a/a-brief-history-of-3d-visualizations-the-ins-and-outs 
‍https://www.spacesmith.com/blog/the-history-of-cad