Studium der Architektur an der TU München

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2 Studium der Architektur an der TU München Regierungsbaumeister Immich: Projekte der Bauleitplanung, der Stadtsanierung und der Neugestaltung von Straßen und Plätzen Entwicklung von StadtCAD Projektleiter Städtebau bei der Landeswohnungs- und Städtebaugesellschaft Bayern GmbH. Weiterentwicklung von StadtCAD 1994 Selbständigkeit mit StadtCAD. Geschäftsführender Gesellschafter der eurogis GmbH Mitglied der Bayerischen Architektenkammer Mitglied der Vereinigung für Stadt-Regional- und Landesplanung Mitglied der Arbeitsgruppe EDV in der Stadtplanung am Städtetag Baden-Württemberg Mitglied der Konrad-Zuse-Gesellschaft Berufsausbilder für Fachinformatik des Fachbereichs Anwendungsentwicklung Lehrbeauftragter an der Hochschule Nürtingen- Geislingen. Lehrgebiet: Digitale Planung

3 Analogtechnik versus Digitaltechnik Analog = entsprechend Für die Darstellung von Information werden kontinuierlich veränderliche physikalische Größen benützt (Längen, Spannungen, Stromstärken u. dgl.) Die Darstellung der Information entspricht immer der Information selbst. Schwingungen werden als Schwingungen gespeichert (z.b. analoge Schallplatte) Ein Baugebiet wird verkleinert als Zeichnung gespeichert Digital: = den Finger betreffend (lat. digitus = Finger) Darstellung von Information durch einen vereinbarten Satz von Zeichen (wie z.b. die Finger beim Zählen den Zahlen 1 10 zugeordnet sind) Die darzustellende Information wird abstrahiert und in fest definierten, beschreibbaren Zuständen dargestellt. Beispiele: wahr unwahr Spannung keine Spannung 1 0

4 Vorteil der Digitalen Datenverarbeitung Die Verarbeitung von Daten ist mit sehr einfachen Verfahren möglich, die in hoher Frequenzzahl wiederholt werden. Das Digitalsystem ist daher ideal für die Arbeitsweise von Maschinen, die einfache Arbeitsschritte mit hoher Geschwindigkeit ausführen können.

5 Pioniere der Digitalen Datenverarbeitung Konrad Zuse (* , ) deutscher Bauingenieur, Erfinder und Unternehmer Geboren in Berlin (Deutsch-Wilmersdorf), Vater: Postbeamter im mittleren Dienst Humanistisches Gymnasium Hosianum in Braunsberg (Ostpreußen), nach 9. Klasse Hoyerswerda, dort Abitur. Künstlerisch und technisch begabt. Studium an Technischen Hochschule Berlin- Charlottenburg : Zunächst Maschinenbau, wechselte bald zu Architektur und schließlich Bauingenieurwesen (Diplom 1935)

6 Der Mann, der den Computer erfand, weil er zu faul zum Rechnen war Statiker bei den Henschel- Flugzeugwerken in Schönefeld bei Berlin Kündigt nach wenigen Monaten und beginnt selbstständig am Bau eines programmierbaren Rechners zu arbeiten (Vorüberlegungen ab 1934) Motivation: Ich war zu faul zum rechnen

7 Konrad Zuse Rechner Z1 Bau: Die Z1 wird aus ca Blechen aufgebaut Binäre boolesche Schaltungslogik Speicher: 64 Worte a 22 Bits Erster programmierbarer binärer Gleitkommarechner

8 Konrad Zuse Rechner Z1 Warum binäre boolesche Schaltungslogik? Gottfried Wilhelm Leibniz (* 1646, 1716) deutscher Philosoph und Wissenschaftler, Mathematiker, Diplomat, Physiker, Historiker, Politiker, Bibliothekar und Doktor des weltlichen und des Kirchenrechts Mathematik: Dualsystem der Zahlen (urspr. Pingala) Ohne Gott ist nichts Untersuchung der Sprache: Aussagenkalkül (Logik) Denken ein Rechenvorgang Entwicklung einer logischen Symbolsprache: characteristica universalis

9 Konrad Zuse Rechner Z Standard 1935: Dezimalsystem Wichtigstes Rechenmaschinenproblem: Multiplikation Zwei Lehrmeinungen: 1. Wiederholte Addition -> Multiplikand wird entsprechend dem Multiplikator wiederholt in das Register der Maschine hinein addiert 2. Einmaleins-Körperverfahren: Teilprodukte des kleinen Einmaleins (Produkte zweier Zahlen von 1 bis 10 ) sind systemintern abgelegt und werden dann direkt in das Register hinein addiert Im binären Zahlensystem wird die Multiplikation auf vier einfache Formeln reduziert: Der ganze Aufwand für die Einmalseins-Körper wurde im binären Zahlensystem überflüssig X 0 = 0 0 X 1 = 0 1 X 0 = 0 1 X 1 =

10 Konrad Zuse Rechner Z1 Binäres Aussagenkalkül: Dualitätsprinzip Es ist schönes Wetter (Prämisse A) UND Ich habe frei (Prämisse B) A ^ B Sind Bedingung für die Konklusion Ich mache einen Spaziergang A V B Es ist nicht schönes Wetter (Prämisse A) ODER Ich habe nicht frei (Prämisse B)

11 Konrad Zuse Rechner Z1 Es ist schönes Wetter UND Ich habe frei A ^ B

12 Konrad Zuse Rechner Z1 Erster Gleitkommarechner? 1234,25 = Cent 1234,25 = 1234,2500 X = 0, Y = , X = , Y = , Komma mit fester Position = Festkommazahlen Bsp: Wärmeausdehnungskoeffizient e = 0, K -1 Elastizitätsmodul E = N/mm²

13 Konrad Zuse Rechner Z1 Erster Gleitkommarechner Zwei getrennte Rechenwerke: 1. Mantisse 2. Exponent Beispiel: 1234,5678 1, * 10³ Mantisse ³ Basis

14 Konrad Zuse Rechner Z1 Erster Gleitkommarechner , , , , , , (normalisiert) 1, (normalisiert) 12, , , , ,

15 Konrad Zuse Rechner Z1 Erster Gleitkommarechner , , , , , , , (normalisiert)

16 Konrad Zuse Rechner Z3 Im Jahr 1941: Erster zuverlässig funktionierender programmgesteuerter Gleitkomma- Binärrechner der Welt Elektrische Relaisschaltungen 1943 bei einem Bombenangriff in Berlin zerstört

17 Konrad Zuse Speicher Z3 Wählwerk Speicherwerk:32 Speicherstellen zu je 22 bits

18 Konrad Zuse Wählwerk Z3 Wählwerk: dient dazu, aus einer 6 Bitkombination auf dem Lochstreifen die 64 Adressen im Speicher ansteuern zu können (zwei Speicherschränke zu 32 Adressen) Eine Binärzahl zu 22 bits auf Adresse 2

19 Konrad Zuse Rechner Z3 Negative Zahlen: Zweierkomplement binäre Stellen werden negiert und zu dem Ergebnis wird der Wert 1 addiert Erstes bit: 0 positiv 1 negativ Wert Dezimal Bitfolge = 26 Bitfolge = - 26

20 Konrad Zuse Rechenwerk Z3 600 Relais Addition 0,8 s Multiplikation 3s 9 Schrittschalter Taktfrequenz: 5,3 Hertz Ein Addierer für Mantisse, einer für Exponenten Alle Rechenoperationen werden durch wiederholte Addition durchgeführt

21 Konrad Zuse Programmsteuerung Z3 Gesteuert mit Lochstreifen 35 mm Kinofilm Sinnvolle Befehle werden durch Lochkombinationen eingestanzt Beispiel: e = - (a x b + d) : c b, c, d in den Speicheradressen 2, 6, 10 Umgekehrte Polnische Notation (zunächst Operanden, dann darauf anzuwendender Operator) -> stapelbasierte Abarbeitung

22 Konrad Zuse Ein- und Ausgabeeinheit Z3 Eingabe dezimaler Gleitkommazahlen Ausgabe dezimaler Gleitkommazahlen und Anzeige über Lampen

23 12. Mai 1941: Methfesselstraße 7 Präsentation vor Mitarbeitern der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt

24 Konrad Zuse Z4 Entwicklung Auftrag des Reichsluftfahrtministeriums Rechenwerk: 2200 Relais Addition: 0,5s Multiplikation: 3,5 s Speicherwerk: mechanisch Taktfrequenz: 40 Hertz März 1945: Göttingen April1945: Hinterstein, 1946 Hopferau September 1949: ETH Zürich (Mietvertrag 5 Jahre) 1955: Laboratoire des Recherches Techniques, Weil bei Basel 1959: Zuse KG 1984: Deutsches Museum München

25 Konrad Zuse Plankalkül Wie kommuniziert man mit einem Computer?

26 Konrad Zuse Plankalkül Erste höhere Programmiersprache in der Geschichte der Menschheit Ebenso für die Behandlung von numerischen wie von logischen (kombinatorischen) Anwendungen konzipiert => künstliche Intelligenz Musterbeispiel eines kombinatorischen Problems: Schachspiel 44 Seiten des PK Datenstrukturtypen: - binären Baum - Array (Feld) - Liste, Liste von Wertepaaren (Darstellung von beliebigen Relationen). (Aufbau dynamischer geometrischer Strukturen) Listenoperationen für - Bedingte Erzeugung von Unterlisten - Abfrage der Anzahl der Listenelemente - Lesen des ersten oder letzten Elements - Suche nach dem kleinsten oder größten Element - Anfügen eines Elements am Anfang oder Ende der Liste - Konkatenation (Zusammenführen) von zwei Listen unter Beibeh. der Ordnung

27 Konrad Zuse Plankalkül LISP: Entwickelt am Massachusetts Institute of Technology marktreif 1959 Sprache der künstlichen Intelligenz (setq XDATA (cdr (assoc 1000 (cdr (car (cdr (assoc -3 (entget EL (list OVERLAY"))))))))) Lots of Irritating Superfluous Parentheses Plankalkül (und LISP) => sehr viel höherer Abstraktionsgrad, als ihn andere frühe höheren Programmiersprachen haben, die die nur schrittweise den Inhalt eines einzelnen Speicherplatzes transformieren anstatt eine ganzen Datenstruktur

28 Konrad Zuse Plankalkül Beispiel: Relationale Datenspeicherung Die Strukturobjekte des PK können jede beliebige Semantik annehmen. Zuse nennt beispielhaft: - Personen - Alter - Geschlecht - Ehestand - andere Personaldaten - die Felder des Schachbretts - die Schachfiguren, einschließlich der Definition ihrer Zugmöglichkeiten - die Kanten eines Graphen oder was immer sonst die Anwendung erfordert

29 Konrad Zuse Plankalkül Alle Operationen auf benutzerdefinierten Typen sind Ausdrücke der Aussagenlogik oder der Prädikatenlogik Aussagenlogik: Heute ist schönes Wetter und ich habe frei. Elementaraussagen: 1. Heute ist schönes Wetter =>wahr/falsch 2. Ich habe frei. =>wahr/falsch 3. und Junktor Prädikatenlogik: ist schönes Wetter. habe frei Zuordnung eines Objekts (Eigenname) zum Prädikat: Jeden Tag ist schönes Wetter. =>wahr/falsch Strafgefangene habe(n) frei =>wahr/falsch

30 Konrad Zuse Plankalkül Konrad Zuse hatte bereits 1945/46 mit dem Plankalkül eine Programmiersprache mit abstrakten Datentypen und Operationen entwickelt, die gleichermaßen geeignet war für numerische Anwendungen für logische Anwendungen => Begründer der Informatik => Begründer der künstlichen Intelligenz Der Plankalkül ist die größte wissenschaftliche Leistung Konrad Zuses

31 Die Konrad Zuse-Forschung Nachlass 2006 an das deutsche Museum in München übergeben 26 laufende Regalmeter

32 Die Konrad Zuse-Forschung Seiten Manuskripte, Typoskripte und Notizen Überwiegend Stenogramme Verschiedene Überlegungen zur Rechnerentwicklung, zu den Rechenplänen und zu den Beschreibungen der Rechenmaschinen. Stichpunkte zu arithmetischen Operationen, zu Gleichungen höheren Grades, zur Schaltalgebra und zur Schaltgliedtechnik. Vorarbeiten zum Plankalkül.

33 Die Konrad Zuse-Forschung 2500 Schaltpläne und Zeichnungen in den Formaten DIN A1 und DIN A 0

34 Die Konrad Zuse-Forschung Künstlerischer Nachlass: Insgesamt rund 500 Ölgemälde. Davon rund 250 Gemälde, Zeichnungen und Graphiken nach München, die der Staatlichen Graphischen Sammlung in München übergeben wurden.

35 Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG): Erschließung (Transkriptionen der Stenogramme) und Digitalisierung des gesamten Nachlasses, sowie Bereitstellung im Internet. Projekt unter Raul Rojas und Wilhelm Füßl Start: November 2010 Laufzeit: bis 31. März 2014

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37 Maschinen der Menschheit: Früher entwickelten die Menschen Maschinen, um ihre Muskelkraft zu verstärken: Keil, Hebel, Rolle, Welle und Rad Ochsentreträder, Hundetreträder Schiffsegel, Windmühlen Wasserkraft Dampfmaschinen Dampfturbinen Wasserturbinen Verbrennungsmotoren Gasturbinen

38 Maschinen der Menschheit: Mit der Erfindung der frei programmierbaren Universalrechenmaschine und der Entwicklung der Informatik tritt eine Neuerung ein Es werden Maschinen entwickelt, die dazu dienen, die Geisteskraft des Menschen zu verstärken Hardware (mechanische und elektronische Komponenten, engl. f. Eisenwaren ) Software (ausführbare Programme und ihre Daten)

39 Informatik Wo damals die Grenzen der Wissenschaft waren, da ist jetzt die Mitte Georg Christoph Lichtenberg, 1790 Garmisch-Konferenz, 1968 Folge der Softwarekrise der 60er genutzte Techniken hielten mit dem Umfang und der Komplexität der Software nicht Schritt => Standardisierung von Software Informatik urspr. Philippe Dreyfus: Informatique aus Information und Automatique. => Verbreitung in Europa, seit 1967 übernommen und definiert von der Académie Francaise

40 CAD-Geschichte 1957: Zuse Koordinatentisch Z60 Stach Koordinatenpunkte Lochstreifengesteuert Gesteuert durch zwei Planetengetriebe welche die digitalen Signale auf dem Lochstreifen in analoge x- und y-bewegungen umsetzten Genauigkeit: Koordinaten mit 7 Dezimalstellen Auftrag der Flurbereinigungsbehörden Wiesbaden

41 CAD-Geschichte 1961: Zuse Graphomat Z64 Automatischer Zeichentisch (Plotter) Lochstreifengesteuert Gesteuert durch zwei Planetengetriebe welche die digitalen Signale auf dem Lochstreifen in analoge x- und y-bewegungen umsetzten Genauigkeit: 1/20 mm Geodäsie (Flurbereinigung), Meteorologie und Straßenbau

42 CAD-Geschichte 1963: Sketchpad Als Teil der Doktorarbeit von Ivan Sutherland 1963 am MIT in Boston entstanden. Revolution in der Computergrafik Eingabe: (Lichtgriffel auf Röhrenbildschirm, Tastatur) einfache Zeichnungen (Sketch) erstellen und editieren Erste Ansätze der objektorientieren Programmierung (Klassendefinition, Methoden und Vererbung) 1988: AlanTuring Preis

43 CAD-Geschichte 1965 CADAM Lockheed (Flugzeugbau, USA) ersten Anläufe für ein kommerzielles CAD-System zur Erstellung technischer Zeichnungen (2D). CADAM (Computer Augmented Design And Manufacturing), basierend auf IBM- Großrechnern, speziellen Bildschirmen, und mit hohen Kosten verbunden später von IBM übernommen. Marktführer im Flugzeugbau, bis in die 1980-er Jahre. 2D => 3D wireframe geometry: Volumenkörper und Oberflächen werden durch Linien definiert, welche die Kanten der Geometrie repräsentieren (Drahtmodell)

44 CAD-Geschichte ab 1965 MIT Steven Coons: Technik zu mathematischen Beschreibung von Oberflächenmodellen => Coons patches Überraschung 1974: (David E. Weisberg: The Engineering Design Revolution ) ab 1958 Citroën Bereits ab 1958 entwickelte Paul de Casteljau bei Citroën ein mathematisches Modell zur Oberflächendefinition Another major center of surface definition research activity was in France. As early as 1958, Paul de Casteljau, working at Citroën, developed a mathematical approach for defining surfaces. Due to a perceived competitive advantage, Citroën did not disclose his work until 1974 (Weisberg)

45 CAD-Geschichte 1982: AutoCAD für DOS August 1981 IBM PC: 8-Bit-Datenbus, 4,77 MHz CPU - sehr präzise, saubere Zeichnungen - Einfach zu editieren - Schnelles Herstellen von Planungsvarianten Zeichenorientierter Ansatz: Zweidimensionale Zeichnungen mit dem Computer erstellen Nachbilden von Linien und Kurven, von Texturen und Beschriftungen, die bislang von Hand gezeichnet wurden, mit dem Computer

46 CAD-Geschichte Gegenwart: Gebäudeproduktmodell (Building Information Modeling) - Änderungen am Modell führen automatisiert zu Änderungen an den Massen oder Stückzahlen und sind für alle Projektbeteiligten sofort sichtbar - Verbesserte Qualität der Daten, da sie alle auf eine gemeinsame Datenbasis zurückgehen und ständig synchronisiert werden - Unmittelbare und kontinuierliche Verfügbarkeit aller aktuellen und relevanten Daten für alle Beteiligten - Verbesserter Informationsaustausch zwischen Planungsbeteiligten Modellorientierter Ansatz: Entwurf wird als semantisches Modell wiedergegeben, indem die Geometrie mit Sachdaten und den physikalischen Eigenschaften verknüpft wird. Auf diese Weise können z. B. Bilanzen im Modell analysiert und Entwürfe frühzeitig optimiert werden

47 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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