一
前言
CAD是每个工程师都耳熟能详，并且大多数能够熟练使用的基础软件工具。我们在说CAD时实际上指的一大类软件，覆盖了构造（Construction）的所有领域，如工程、建筑、产品设计、动画模型等等。在《Wikipedia》中对CAD词条定义显得抽象一些：“CAD-Computer Aided Design（计算机辅助设计）是使用计算机来帮助创建、修改、分析或优化设计……CAD也使用术语CADD-Computer Aided Design andDrafting（用于计算机辅助设计和绘图）。”而“用自动化程序取代手工绘图的设计和技术文件的技术”这样的定义则简洁明了很多。
关于CAD软件，有很多介绍和说明，从它的起源、技术细节、难点问题、各种用途到现在乃至未来还能做什么，总的来说，CAD的诞生和发展对工程设计来说是重大变革，而且这个变革对社会和经济的效益异常巨大和深远。戴维·韦斯伯格(David E. Weisberg)的书《The Engineering DesignRevolution》把它称为改变工程实践的“革命”，事实上，对CAD这类软件来说这一赞誉一点都不为过。
本文作为一篇科普的小文，并无站在某种高度来定义和评价CAD及相关软件的意思，初衷是用尽可能简短的小文来对CAD软件做个综述。作用也很简单，一是做个相关的科普；二是捋一捋CAD软件的脉络；三是CAD围绕的核心业务有过变化，发向有外延但本质未变，对于这一点国内的厂商应该有个清晰的认识。
二
本质：自动化设计、“空间”可视化
现在的CAD已经变得超级巨大和复杂，从旁观者角度来看，似乎已经成为无所不能的生产力工具，从产品规划到概念设计、从验证到原型、从详细设计到制造……,都能看到它的影响力。不过要认识CAD，还是要从它最根本和最重要的方面来看，正如用詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的话说：“当人类的大脑在做计算机器的工作时，很少会感到满足，当然也不会发挥其最高的功能。”
根据欧特克（Autodesk）公司的说法，计算机辅助设计(CAD)是“用自动化程序取代手工绘图设计和技术文件的技术”。这个定义已经相当准确，但CAD软件的作用远比简单地取代耗时的手绘设计，即我们所俗称的“甩图板”要广泛得多。
CAD软件被广泛用于整个产品开发阶段的概念设计和“空间”可视化。“空间”可视化是CAD所展现的非常重要的本源特性，换句话说，CAD能呈现一个物体的空间形象，但它并能不保证这个物体的现实存在。
现在，CAD的自动化过程可以轻松实现模型的即时修改，这构建了跨越项目复杂成员组织之间鸿沟的沟通桥梁。换句话说，CAD软件一开始就有着实现协同工作的需要，需要为全球分布的创意人员（从工程师到设计师）提供了一个共享平台，从这一点来看，达索无疑是在这个方向上迈的步子最大的。
现实中的很多实物，从产品到建筑，都是用CAD设计的，CAD对我们的世界产生了如此深远的影响，很难想象没有它的生活。现在，很多建筑和工程学校甚至不再开设手工绘图课。
下面我们来介绍CAD软件最重要的方面：不同的形态/类型、具有的优势和缺点、最广泛和最优秀的软件种类。介绍这些之前，让我们先来了解一下CAD这个重要的工具是如何诞生的。
三
历史：从绘图到建模
CAD软件的历史可以追溯到20世纪60年代初，Ivan Sutherland在麻省理工学院开发的Sketchpad，可以说是第一个商业图形计算机软件，它被公认为是所有CAD程序的起源。Sketchpad将技术绘图的基本原理带入了计算机程序中，并使用了今天人们熟知的光电触控笔作为输入工具。
最初的CAD应用仅限于汽车和航空工业，像雷诺和洛克希德这样的大公司率先使用了这一技术。虽然70年代出现了三维实体建模，但它只不过是简单地用于对手工设计替代的二维图纸制作。到了随后的十年，一些我们今天所熟知和使用的最流行的CAD软件被开发出来。达索系统公司发布了曲面三维建模软件Catia，而欧特克公司则公布了它最著名的2D软件：AutoCAD，那时起，CAD几乎同时开始按照两个路径前进：谁是历史上第一套软件上争论不休的三维建模软件，和二维CAD就是Autocad的二维制图软件。这一情况在1987年有了改变，Pro/Engineer(现在的Creo)的发布改变了CAD市场，它推出了实体建模技术，将设计重点转向了3D环境。
后来随着个人计算机的价格越来越便宜，各种用途的CAD软件开始走向更广泛的大众。从那时候开始，就很清楚CAD软件将推动未来设计师、工程师和建筑师工作方式的深刻变化。
对于的核心技术和历史发展，林雪萍的文章《三维CAD软件核心技术是什么？》介绍的比较清楚，如果有兴趣可以去查阅以了解更技术性的介绍。
四
效益：优点和缺点
在工程和设计中，或者广泛的创意工作上，采用CAD软件以辅助工作，可以带来巨大的效益，如解放了人力，提高了效率等等，总的来说采用CAD软件带来的效益远远大于缺点。
优点
提高设计质量。CAD软件所提供的巨大的灵活性使创意人员能够将更好的设计构思出来。使用专门为这些目标而开发的更易理解、准确评价和提出方案的各种功能，实现所想即所得，这往往会带来更好的产品设计。
提高生产力。完全由手工绘制在复杂产品设计上将会一场噩梦，将花费大量的时间，这个事实显而易见。CAD软件可以实现更快更智能的工作流程，从而更快地获得项目结论。CAD提供能快速变化的设计环境在产品开发方面是一个真正的“游戏规则”，这极大地缩短了新产品的上市时间。
协同工作。CAD软件为协同工作提供了近乎完美的平台。复杂产品设计和装配通常需要庞大的设计和工程团队，他们之间有效沟通至关重要。更新的技术，如基于云的CAD应用现在也在逐步成为常态，这将有助于进一步提高项目的协作能力。典型的情况就是当前新冠疫情下，迫切需要基于社交距离的远程协作环境。
简化记录。毋庸置疑，在处理数以千计的组件设计时，记录保存以形成完整数据链是一个关键问题。不难想象，当这一切都在纸上完成的时候，会是怎样的情景！以色列间谍在70年代盗取法国“幻影”战机的图纸足够装满一整节火车车皮。现在的CAD软件在“产品生命周期管理”中起着核心作用，使自动化系统能够以数字化方式存储并完整地保存整个设计过程。
缺点
软件授权可能非常昂贵，而且图形工具的不断增强需要更强大的工作站来使用。
顶级CAD软件的学习曲线相当陡峭，通常需要花费大量的时间和金钱进行培训。
五
应用：三个主要领域
CAD被许多领域的专业人员所使用，但如果对一个动画设计师推荐使用Catia进行三维建模，那一定会被反馈以白眼。CAD有着广泛的应用领域，不过应用最广泛和使用量最大的主要集中在三个领域：工程、建筑和产品设计。
工程领域从CAD软件获益。虽然这里不能提供什么可靠的证据，但不可否认的是所有工程领域，每天都在使用CAD软件，包括机械、土木和电气等工程。CAD软件是产品或部件开发的重要工具，贯穿于从概念到制造甚至售后支持的整个生命周期过程。CAD软件与CAM软件一起，将指令发送到设备机器上进行产品和部件制造，这种相互配合的解决方案以前所未有的方式简化了制造。
CAD在建筑领域影响巨大。早期的CAD软件主要被建筑师用于制作二维图纸，用可以即时共享的小型数字文件来取代纸质图纸。近年来，以BIM为代表的三维建模越来越多地应用于建筑领域，通过快速渲染以实现更好的空间可视化，促进客户沟通，也为室内设计提供了一个很棒的工具。
产品设计中应用CAD来开发和验证。虽然CAD在产品开发已经获得和工程应用中差不多的收益，但一个产品概念的设计和验证并不能仅通过CAD来完成，它需要和其他设计验证工具配合使用，如渲染和仿真来加强。这也就是早期CAD被称为自动化绘图技术而不是产品开发技术的原因。现在，随着CAD和其他技术的融合，在分配资源进行产品早期原型设计之前，新产品的功能和美学都可以在数字环境中得到验证。
六
识别：CAD基本类型
像前面所谈到的那样，CAD软件有许多不同的应用。虽然大多数CAD解决方案都有特定的行业功能，但一般按基本功能将它们分为两类：2D和3D。
二维CAD
顾名思义，这类CAD软件是在二维空间内工作的，主要是为了取代手工绘图的繁琐工作。二维软件以技术绘图原理为基础进行设计，通过图形投影来表示三维物体，并通过尺寸、文字、标准化符号、符号系统和视觉样式（如虚线代表被遮挡的轮廓线）来传递信息。
二维CAD目前仍在许多传统行业（机械、电气、航空）中使用，不过，现在这些行业更倾向使用三维CAD来表示。而相对的在建筑和土木工程应用中，如平面图、景观布局、建筑许可和检查计划等，二维CAD显示出越来越突出的优势。
三维CAD
通常我们把三维CAD称为三维建模。三维建模是基于投影的平面表示形式的技术自然演变。随着个人计算机的处理能力和图形能力不断提高，使得这些三维建模工具得以蓬勃发展，并变得越来越流行。
三维模型可以从任何角度进行可视化，这种更真实的表现形式可以促进工程师更好地理解设计问题，从而整体上提升沟通过程。最终，一些3D设计可以处于制造目的转换为2D环境下。
机械工程领域内复杂的零件和装配体，通过三维建模软件可以更好地表现出来。像汽车这样的制造行业从三维CAD中获得的效益始终最多，这也是像达索Catia软件这样虽出身于航空，但最早应用的却是汽车行业，也是到现在为止，三维CAD软件竞争的主战场还是在汽车行业的原因。
建模类型
三维CAD软件按建模技术可进一步分类，其中主要有三种类型。
线框建模。这是三维建模中最简单和基本的类型，它使用线条和曲线来表示3D对象。虽然它可以通过简单的模拟图来快速展示概念，但缺陷是如果用它进行物体完全详细的模型制作会非常麻烦和枯燥。
实体建模。这是通过对基本体素集合运算或变形操作生成复杂形体的一种建模技术，也是工程和3D打印应用中最常用的建模类型。也可以说实体建模是线框建模的升级版，因为它能够定义三维物体的内部结构形状，因而能完整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息，例如加入了额外的物理属性，如质量和体积。
表面建模。这种类型是一种复杂的物体建模方式，可以用于各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果，如人的皮肤，面貌或流线型表面。自由式曲面建模通过外表和连接的曲面来表示三维物体。
七
误解：CAD？CAM？
CAD和计算机辅助制造，或CAM，总是会配对出现，从起源的角度，最早的三维CAD也是为了提高CAM输入效率而开始发展起来的（这一点在“ CATIA之父”弗朗西斯??伯纳德的回顾访谈中有所描述）。不过CAD和CAM虽然联系紧密，但他们事实上是用途不同的两种软件套件：CAD对构造事物（Construction）作用巨大，而CAM则对制造业产生了深远的影响。
现在的CAD和CAM总是配对出现，关系密切，但本质上，两者是在两个方向上各自前进，为什么这么说呢？前面有介绍，CAD本质是解决自动化设计到空间可视化的问题，或者说CAD是把人脑中的概念以空间可见的形式呈现出来。而CAM则是通过指令控制制造设备加工设计对象，这也就出现了矛盾，空间存在的对象不见得都能被制造设备所加工出来，当然随着3D打印和增材制造技术的发展，这个差距正在迅速缩小，但显然它并不会消失。
从两者关系上来看，CAD实现了设计和技术文档的自动化，而CAM则用于制造过程的自动化，将CAD设计转化为制造机器的详细指令，其方式类似于3D切片机对STL文件的处理。
通常有一个常见的误解，CAD会替代CAM，或CAM能替代CAD。实际上这并不会发生。尽管如此，某些CAD程序包含了CAM功能，比如Fusion 360的不同制造模块。或者某些CAM应用确实包含了与设计相关的基本功能，但用它来进行正确的设计根本不切实际。从技术上来看，这种相互替代完全可能，但从商业上来讲，这种结果几乎不会发生，因为没有一家制造商愿意承担被一种解决方案所胁迫的风险。
八
选型：众多CAD软件选择
40多年来，CAD软件的世界已经极为广阔。对于所有不同类型的用户来说，有各种各样的选择，包括专业的、免费的、基于云的和基于浏览器的。还有许多特定行业专用的解决方案，包括具有专门的功能、模块、工具和向导。
到这里，CAD世界中的某些厂牌或产品名称已经成为市场上的主要参考，提供广泛的可定制软件和模块，可以处理任何特定的应用需求。
一些专业使用的得到广泛认可的CAD软件是SolidWorks、Catia、SiemensNX、Creo、Autodesk Inventor和AutoCAD等，下面的表格列出了常见的CAD商业软件。
（注：数据来自网络，为什么其中缺少了PTC的Creo不得而知，或者还缺少什么软件，这个本文不承担任何责任，另外，在国产方面，包括有CAXA、中望CAD、沪东中华的SPD等软件并未列入）
对于3D打印爱好者来说，Fusion 360可能是最受欢迎的，对学生和小公司完全免费。还有对于希望使用免费或低成本的CAD替代软件，下面这个列表中有相关CAD软件的可选种类。
九
未来：超越设计
工业软件有很多定义，也包括很多分类方法，各类软件的基础与开发难度有很大差异，造成发展不均衡。但无论怎样定义与分类，都无法改变核心工业软件的重要性及其落后程度。
近年来，CAD启用了一系列新技术和计算解决方案，并不和工程和制造领域的其它技术相互融合，从而试图进一步解放创意人员的思路，并彻底改变产品的构思方式。例如，不断进步的CAM技术使数字设计成果涉及到的复杂制造过程以非常快速和准确的方式实现了自动化，这离不开上游CAD软件在功能和性能，及技术文件更精确的能力提升。
不断提升的CAD技术能力还促进了其它计算机辅助技术与之配合的开发新一代软件：如CAE-计算机辅助工程。CAE与CAD一起，通过计算模拟仿真进行深入的结构、机械或热分析。事实上，许多CAD现在和CAE紧密协作，在产品概念开发和验证过程中，相互之间促进和开展广泛的设计与验证迭代，从而整体上提高工程和产品的设计水平。
所以说，CAD软件在现在开始，已经超越了自动化设计这一本源，也超越了“空间”可视化的特性，向着超越设计的方向发展。最后举个例子，拓扑优化是一个诞生于CAE分析的工具，最近与3D打印一起得到了普及。这种工具应用数学算法，根据给定零件将经历的真实载荷和应力集，从而来优化该零件的材料用量，而这一能力，开始与CAD的功能紧密的融合在一起。
