التصميم بمساعدة الحاسوب (cad) او ما يسمى ايضا بالتصميم باستخدام الحاسوب (CAD) هو أحد التكنولوجيات التي تعتمد على الحاسوب في رسم الإظهار. تُستخدم التقنية في العديد من المجالات منها الهندسة الصناعية والعمارة. تتميز تلك التقنية بدقة المنتج النهائي للنماذج التي يتم رسمها أو إظهارها وكذلك التنوع ما بين الرسومات ثنائية أو ثلاثية الأبعاد التي تحققها تلك التكنولوجيا.
التصميم بمعونة الحاسوب computer aided design (CAD) هو استخدام الحاسوب بعتادياته وبرمجياته من أجل تصميم وتطوير منتج ما. ويسمح نظام التصميم بمعونة الحاسوب بتمثيل ودراسة عمل منتج دون تصنيعه، كاختبار أو محاكاة سلوك محرك أو جناح طائرة. ويتألف نظام التصميم بمعونة الحاسوب من معالج وذاكرة مركزية من أجل تنفيذ البرامج وإجراء التحاليل، إضافةً إلى نظام بياني لإنشاء النماذج الرسومية وتعديلها على الشاشة وحفظها. كما توجد وحدات محيطية لإدخال المعلومات وأخرى للإخراج مثل الراسمة والطابعة. وتحتوي برامج التصميم بمعونة الحاسوب عادة مكتبات من أجل تسهيل عمليات الإدخال والتصميم.
وقد تغير معنى التصميم بمعونة الحاسوب عدة مرات. إذ كان، لمدة معينة، مرادفاً للتحليل البنيَوي باستخدام العناصر المنتهية finant element، ثم تحول الاهتمام إلى الرسم بمعونة الحاسوب (وهو أساس معظم أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب التجارية المتوافرة). بعد ذلك تركز الاهتمام على معالجة السطوح الملساء الضرورية في صناعة السفن والسيارات. ثم اقترن التصميم بمعونة الحاسوب بتصميم الأشياء ثلاثية الأبعاد وذلك في العديد من فروع الهندسة الميكانيكية.
ويعود الفضل في وضع مبدأ التصميم بمعونة الحاسوب إلى أعمال كونز Coons في عام 1958 التي اقترح فيها الانتقال من الأداة المبرمجة آلياًautomatically arogrammed tool (APT) إلى برامج تصميم تتضمن وظائف بيانية تفاعلية. أما أول إشهار رسمي للتصميم بمعونة الحاسوب فيعود إلى مؤتمر سبرينغ جوينت Spring Joint الذي نظمه الاتحاد الأمريكي لجمعية معالجة المعلوماتAmerican Federation of Information Processing Society (AFIPS) في عام 1963 من خلال الأبحاث الثلاثة التي قدمها كل من لونز Loons وروس Ross وجونسون Johnson. وفي العام ذاته وضع سوترلاند Sutherland أحد رواد التصميم بمعونة الحاسوب برنامج تصميم خاص SKETCHPAD. ثم أعلنت شركة General Motors في عام 1964 عن تطوير النظام Design Augmented by Computer) DAC-1) الذي كان يُعنى بإنتاج نسخ مطبوعة من الرسومات أكثر من اهتمامه بالتقنيات البيانية التفاعلية. وفي عام 1965 أعلنت مختبرات بل Bell عن وضع نظام إظهار من بعد GRAPHIC 1 استُخدم لترتيب مكونات وأسلاك الدارات المطبوعة هندسياً، فكان التنفيذ المبكر لفكرة مهمة جداً وهي توزيع استطاعة المعالجة في التصميم بمعونة الحاسوب على محطات عمل تفاعلية محلية وحاسوب مضيف مركزي. وفي عام 1966 أعلن قسم المكونات في شركة IBM عن وضع نظام يساعد في تصميم نسيقات الدارات المطبوعة الهجينة، ووضع فريمان Freeman في عام 1967 خوارزمية لحل مشاكل الخطوط المخفية.
وجرى في النصف الأول من سبعينات القرن العشرين تطوير نظام الهندسة المدنية المتكامل Integrated Civil Engineering System (ICES)، وشهدت نظرية العناصر المنتهية والبرامج المرتبطة بها تطوراً هائلاً، كما أجريت بحوث عديدة في مجال إزالة الخطوط والسطوح المخفية. وفي عام 1972 بدأت جامعة روشيستر Rochester مشروع أتمتة الإنتاج فطورت نظامي النمذجة الهندسية PADL-1 و PADL-2.
ونشر شيسن Chasen في عام 1975 تحليلاً للفوائد الاقتصادية للبيانيّات الحاسوبية في أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب، كما وضع إيستمان Eastman وصفاً لقاعدة معطيات للتصميم بمعونة الحاسوب.
ومع بداية الثمانينات من القرن العشرين انتشرت أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب وصارت أداة قياسية في كل مكاتب التصميم.
دور التصميم بمعونة الحاسوب في إجرائية التصميم
يهدف التصميم بمعونة الحاسوب إلى إدخال الحاسوب في كل من النمذجة وتراسل التصاميم. وهناك طريقتان لذلك (تُستخدمان معاً على الأغلب) هما:
ـ على المستوى القاعدي، استخدام الحواسيب لأتمتة تلك المهام كإنتاج رسومات أو مخططات وتوليد قوائم بأجزاء التصميم.
ـ على مستوى متقدم، تقديم تقنيات جديدة تعطي المصمم أدوات محسنة لمساعدته في إجرائية التصميم.
ومن ثَم فإن أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب ليست سوى برامج حاسوبية (كبيرة ومعقدة في الغالب) قد تستخدم عتاداً حسابياً متخصصاً. وتتضمن البرمجيات عادةً عدداً من العناصر أو الوظائف المختلفة التي تعالج بطرق متباينة المعطيات المخزنة في قاعدة معطيات.
تقنيات النمذجة الهندسية
ثمة ثلاث تمثيلات مستخدمة في النمذجة ثلاثية الأبعاد للهندسة في التصميم بمعونة الحاسوب، هي:
ـ نموذج الإطار السلكي wire-frame وهو تمثيل كائن ثلاثي الأبعاد باستخدام خطوط منفصلة تربط مجموعةً من الخطوط المتصلة لتشكيل نموذج.
ـ نموذج السطوح surface وهو طريقة إظهار تعطي التصميم الظاهر على الشاشة مظهر الصلابة.
ـ نموذج مجسّم solid وهو شكل أو بناء هندسي له استمرار في الطول والعرض والعمق، ويعامل برمجياً كأن له سطحاً ومادة في الداخل.
وقد سيطر عدد محدود من أنواع السطوح والمنحنيات في تقنيات النمذجة الهندسية، كمنحنيات وسطوح Bézier على سبيل المثال.
أحدثَ التصميم بمساعدة الحاسوب طفرة في مجال التصميمات المعمارية من حيث نوعية الإظهار وكذلك سهولة الحسابات الهندسية المتعلقة بالحجوم والمساحات أي كان الشكل أو التكوين. تطور استعمال الحاسوب فيما بعد، ليتعدي مرحلة الإظهار، كما هو الحال في مجال الخوارزميات المعمارية.
و يمكن أن تستخدم هذه البرامج في المجالات التجارية لتصميم المنتجات المختلفة كما تستخدم في المجالات الطبية لصنع الأجهزة الطبية المتقدمة و ذلك إلى جانب الاستخدامات الأساسية في المجالات الهندسية كتصميم المباني و المنازل و القاعات الضخمة و السدود و المطارات كما يمكن استخدامها في العديد من المجالات الأخرى.
تحفظ رسومات (CAD) كخطوط و منحنيات باستخدام شبكة إحداثيات رياضية تحفظ نقاط البدء و النهاية لكل شكل و تحافظ الرسومات على دقتها عند تكبيرها أو تصغيرها إلى أي حجم حيث تبقى العلاقات بين كافة العناصر في الرسم ثابتة .
يمكن استخدام ملفات (CAD) من قبل العديد من البرمجيات و نظم الحاسوب بسهولة حيث تبنى معظم مصنعي البرمجيات الهيئة التي يستخدمها برنامج أوتوكاد و هي (DXF).
مقارنة بين نظام البيم ونظام الكاد
| CAD | BIM | |
| عدد الأبعاد | ثنائي او ثلاثي الابعاد | ثنائي وثلاثي ورباعي إلى ما لا نهاية من الأبعاد |
| العناصر | عناصر غير ذكية | عناصر متفاعلة |
| مثال العناصر | خطوط و اقواس | حوائط و شبابيك و اعمدة |
| مثال للبرامج | الاتوكاد و qcad | ريفيت و الاركيكاد |
نظام الـ CAD هو اختصار لـ Computer Aided Design وهي عملية تعتمد أساسا على تجهيز الرسومات التصميمية بمعونة الحاسب أي يتم التعامل فيها برسم الخطوط لا أكثر ولا تستطيع البرامج التي تعمل بهذا النظام التعرف على العناصر بحد ذاتها ولكنها تعتبرها كلها خطوط ولهذا نضطر لرسم جميع المساقط لإظهار عنصر معين وهذا ما يلغيه نظام البيم، لأنه يتعامل مع العناصر كل على حدة فيتم عمل النموذج بتحديد عناصره وليس بتحديد خطوط رسمه. وبهذا فإن النتائج مذهلة حيث يتم الحصول على كافة ” المقاطع والواجهات ” و نموذج ثلاثي الأبعاد بمنتهى السهولة لمجرد تعريف كل عنصر وليس رسمه أكثر من مرة في مساقط مختلفة.
فعندما نريد عمل تغيير على أحد عناصر المبنى يتطلب ذلك منا أن نعيد رسم التغيير في جميع المساقط والواجهات والقطاعات التفصيلية وغيرها من المشاهد في حالة استخدامنا لتقنية الكاد (وهي تقنية رسم بحتة، أي مجرد خطوط لا يمكن تحديد وظيفتها وإضافة خصائص مادية لها).
تمدنا نمذجة معلومات البناء بمكتبة كاملة لعناصر ثلاثية الأبعاد للتمثيل المادي للمبنى، وفي جوهر الأمر فإن البيم هو طريقة عملية لإنشاء المبنى قبل تنفيذه في الواقع. فهو محاكاة رقمية لخصائص المبنى الفيزيائية والوظيفية. وبناء نموذج باستخدام تقنية البيم مختلف تماما عن مجرد عمل رسومات ثنائية وثلاثية الأبعاد (كما هو الحال في تقنية الكاد)، فالاعتماد الأساسي عند بناء نموذج بيم للمبنى هو استخدام عناصر ذكية، وبالتالي فاختلافه عن نموذج الكاد يكون جذريا. وكمثال لذلك، فإننا نستطيع تعريف الحائط في نظام البيم من حيث سماكته و الطبقات المكونة له وخامة كل طبقة، بل ونستطيع أيضا عمل حصر لهذه الطبقات وحصر آخر للحائط ككل، وخصم أماكن الأبواب والنوافذ من مساحته الإجمالية، … وغيرها من المعطيات والنتائج المختلفة والتي يصعب توفيرها في بيئة الكاد.
وعلى صعيد المقارنة، فإن إنشاء مشروع بنظام البيم يحتاج وقت أكبر من نظام الكاد في بداية الإنشاء، ولكن نتيجة تعريف خصائص كل عنصر من البداية فإن ذلك سيوفر وقت كبير جدا عند استخراج كافة المستندات والورقيات اللازمة لتنفيذ وإنهاء المشروع، على عكس نظام الكاد.
“نمذجة معلومات البناء تمكنك فقط من بناء ما يمكنك بناؤه في الواقع”
كأنك قمت بالمشروع مسبقاً و لديك حصر واقعي و معرفة مسبقة بالتعارضات و المشاكل قبل ظهورها في الموقع