3848

Выводы

1.В работе показаны результаты нескольких серий численных экспериментов, позволивших, во-первых, провести сравнение с результатами аналитического подхода (3) и, вовторых, оценить влияние рассогласованности движения людей на величину коэффициента динамичности.

2.Аналитический подход показал завышенные значения коэффициента динамичности, до 23 %. По-видимому, это связано с очень упрощенной моделью демпфирования, когда модальные коэффициенты затухания ξk в (3) полагались постоянными для любой собственной частоты.

3.Оказалось, что снижение коэффициента динамичности в основном определяется несинхронными, рассогласованными действиями людей, то есть наличием случайной фазы в (4). Рассогласованные движения могут серьезно снизить значения коэффициента динамичности — до 62—65 %. При этом пространственное расположение зрителей с разной массой почти не влияет на величину коэффициента динамичности.

4.Представленная работа может быть интересна для инженеров-проектировщиков в области прочностных расчетов спортивных сооружений. Приведенные результаты позволяют получить более ясное представление о коэффициентах динамичности и факторах, которые могут способствовать их снижению.

2.Болотин, В. В. Статистические методы в строительной механике / В. В. Болотин. — М.: Стройиздат, 1961. — 160 с.

3.Вибрации в технике: справочник: в 6 т. Т. 6. Защита от вибрации и ударов / под ред. К. В. Фролова. — М.: Машиностроение, 1981. — 456 с.

4.Гульванесян, Х. Руководство для проектировщиков к Еврокоду 1. Воздействия на сооружения. Разделы EN 1991-1-1 и с 1991-1-3 по 1991-1-7: пер. с англ. / Х. Гульванесян, П. Формичи, Ж. А. Калгаро. — М.: МГСУ, 2011. — 310 с.

5.Назаров, Ю. П. Динамика спортивных сооружений / Ю. П. Назаров. — М.: Наука, 2014. —

222 c.

6.Назаров, Ю. П. Экспертная оценка конструктивных решений Центрального стадиона и Большой ледовой арены для хоккея с шайбой в г. Сочи / Ю. П. Назаров, Ю. Н. Жук, В. Н. Симбиркин, А. В. Ананьев, В. В. Курнавин // Актуальные проблемы исследований по теории сооружений: сб. науч. ст.: в 2 ч. Ч. 2 / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. — М.: ЦПП, 2009. — С. 8—16.

7.Назаров, Ю. П. Анализ динамической реакции трибун спортивных сооружений на согласованные действия зрителей / Ю. П. Назаров, Е. В. Позняк // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2015 году: сб. науч. тр. РААСН. — М.: АСВ, 2016. — С. 543—547.

8.Назаров, Ю. П. Определение коэффициента динамичности в расчетах на сейсмостойкость [Электронный ресурс] / Ю. П. Назаров, Е. В. Позняк // Строительство: наука и образование. — 2015. — № 1. — Режим доступа: http://www.nso-journal.ru.

9.Назаров, Ю. П. Теория квазистатического расчета трибун спортивных сооружений на согласованные действия зрителей/ Ю. П. Назаров, Е. В. Позняк // Научный журнал строительства и архитектуры. — 2017. —

№1 (45), — С. 100—113.

10.Назаров, Ю. П. Колебания конструкций спортивноразвлекательных комплексов при воздей-

ствии людей / Ю. П. Назаров, В. Н. Симбиркин // Мир строительства и недвижимости. — 2009. — № 34. — С. 14—17.

11. Назаров, Ю. П. Анализ и ограничение колебаний конструкций при воздействии людей / Ю. П. Назаров, В. Н. Симбиркин // Вестник ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. Исследования по теории сооружений. — 2009. — № 1 (XXVI). — С. 10—18.

12. Сафронов, В. С. Анализ современного состояния развития теории динамического воздействия от танцующих групп людей на строительные конструкции зданий и сооружений / В. С. Сафронов, А. В. Антипов // Строительная механика и конструкции. — 2014. — Т. 1, № 9. — С. 5—15.

101

Научный журнал строительства и архитектуры

13.BS 6399-1:1996. Code of Practice for Dead and Imposed Loads. — London: British Standards Institution, 2002. — 16 р.

14.Ellis, B. R. Floor Vibration Induced by Dance Type Loads — Verification / B. R. Ellis, T. Ji // The Structural Engineer. — 1994. — № 72/3. — P. 45—50.

15.Ellis, B. P. Human-Structure Interaction in Vertical Vibrations / B. R. Ellis, T. Ji // Proc. Institution of Civil Engineer: Structures and Buildings. — 1997. — № 122 (1). — P. 1—9.

16.Ellis, B. P. Loads Generated by Jumping Crowds: Numerical Modeling / B. R. Ellis, T. Ji // Structural Engineer. — 2004. — № 82 (17). — P. 35—40.

17.IStructE/ODPM/DCMS Working Group. Dynamic Performance Requirements for Permanent Grandstands Subject to Crowd Actions. Interim Guidance on Assessment and Design. Publications and Reports. — London, UK, 2001. — 60 р.

18.Ji, T. Floor Vibration Induced by Dance Type Loads — Theory / T. Ji, B. R. Ellis // The Structural Engineer. — 1994. — № 72/3. — P. 37—44.

19.Ji, T. A Supplementary Condition for Calculating Periodical Vibration / T. Ji, D. Wang // J. Sound and Vibration. — 2001. — № 241/5. — P. 920—924.

20.Littler, J. D. Measured Phase Shifts in the Dynamic Response of a Large Permanent Cantilever Grand-

stand to Human Loading / J. D. Littler // 5th Euro. Conf. Structural Dynamics EURODYN’ 02 / Edited by H. Grundmann and G. I. Schueller. — Munich, Germany: Balkema, 2002. — Vol. 2. — P. 955—960.

21. Willford, M. An Investigation into Crowd-Induced Vertical Dynamic Loads Using Available Measurements / M. Willford // The Structural Engineer. — 2001. — № 79/12. — P. 21—25.

STATISTICAL MODELING OF A DYNAMIC RESPONSE

OF A STADIUM GRANDSTAND TO HUMAN LOAD

E. V. Poznyak 1, S. A. Monin 2

Moscow Power Engineering Institute National Research University 1, 2

Russia, Moscow

1PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. Of Robotics, Mechatronics, Dynamics and Machine Strength Named after V. V. Bolotin, tel.: +7-926-584-88-27, e-mail: PozniakYV@mpei.ru

2Master student of the Dept. Of Robotics, Mechatronics, Dynamics and Machine Strength Named after V. V. Bolotin, tel.: +7-929-627-24-52, e-mail: rfrnez@mail.ru

Statement of the problem. The aim of this paper is the estimation of the amplification factor of stadium grandstands in response to synchronous and non-synchronous activities of people. Human actions are modeled by concentrated half-sine force; nonsynchronous motions are caused by lag each person's actions and spatial distribution of people with different weights. The grandstand is modeled as a pivotally supported I-beam.

Results. Deflections of the model are determined by means of direct integration of dynamic equations. Estimating a random amplification factor and inconsistency factor are performed by means of the statistical modeling method. Resonant and non-resonant modes of the synchronous and nonsynchronous movements of people are considered.

Conclusions. The results showed that the values of the amplification factors obtained by using quasistatic approach by summing the response from each spectral component of the load, are higher than experimental values by 21—23 %, and nonsynchronous movements can significantly (up to 63 %) reduce the amplification factor.

Keywords: human-structure interaction, amplification factor, inconsistency factor, dynamic response, non-synchronous motions.

102

АРХИТЕКТУРА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. ТВОРЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ АРХИТЕКТУРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

УДК 72.012

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ГЕНЕРАТИВНОГО, ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО

И ИНФОРМАЦИОННОГО АРХИТЕКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Д. О. Федчун 1

Дальневосточный федеральный университет 1 Россия, г. Владивосток

1 Аспирант кафедры проектирования архитектурной среды и интерьера,

тел.: (423) 243-34-72, e-mail: fedchun.do@dvfu.ru, monfed@bk.ru

Постановка задачи. Сравниваются методы информационного, параметрического и генеративного способа проектирования в архитектуре с целью выявления возможности их использования в реальном проектирование.

Результаты. Рассмотрены современные методологии архитектурного проектирования. Проведено их сравнение и поиск перспективных векторов развития генеративной системы проектирования на основе информационной и параметрической моделей организации создания архитектурного проекта.

Выводы. Выявлены наиболее эффективные методы в информационном и параметрическом проектировании. Найдены методы внедрения полученных данных в методологию генеративного проектирования и точки ее будущего развития.

Ключевые слова: генеративное проектирование, информационное проектирование, building information model (BIM), методология архитектурного проектирования, параметрическая архитектура.

Введение. Основой процесса разработки архитектурного проекта является выбор технологии и метода проектирования. Этот выбор определяет не только то, каким способом будет создан проект, но также и его характеристики и саму возможность успешного завершения проекта. Каждый метод имеет свои особенности, сильные и слабые стороны. В данной работе описывается авторская разработка системы генеративного проектирования [15], приводится ее сравнение с существующими методами информационного и параметрического проектирования, рассматриваются дальнейшие пути развития данной системы на основе сравнения с существующими решениями. Цель данной работы — выявление перспектив и новых методов развития генеративного способа создания архитектурных проектов [9] и его сравнение с методами параметрического и информационного проектирования (на основе технологии Building Information Model (BIM) — информационной модели здания) [15,18].

1. Общая концепция создания генеративных систем. Понятие «генеративная архи-

тектура» столь же широко, сколь и популярно, однако правильное определение следует искать не в области стиля, а в области методологии проектирования, которую она предлагает

© Федчун Д. О., 2018

103

Научный журнал строительства и архитектуры

архитекторам. Эта методика меняет роль проектировщика с непосредственного участника проектирования на роль разработчика алгоритмических систем проектирования, которые на основе анализа исходных данных и работы генеративных алгоритмов автоматически разрабатывают архитектурные проекты.

Основа этого процесса — создание алгоритмов, которые формируют геометрию будущего здания при помощи математических или физических зависимостей элементов здания между собой, а также на основе анализа большого массива данных об участке строительства, климате и особенностях строительства в данной местности [1]. Это решение позволяет создавать множество различных проектов, меняя лишь исходные данные для проектирования. На основе этой концепции была создана авторская система генеративного проектирования для малоэтажных жилых зданий [15].

Алгоритм (рис. 1) включает в себя три основных стадии: сбор и анализ исходных данных для проектирования, создание архитектурного проекта на основе обработки этой информации и документирование полученного результата в виде набора чертежей.

Рис. 1. Алгоритм авторской генеративной системы проектирования для малоэтажных жилых зданий

Рассмотрим эти стадии более подробно.

1. Работа с исходными данными. Одна из особенностей работы генеративных систем — максимальная автоматизация получения данных, необходимых для начала проектирования, и их последующая сортировка алгоритмом. Для того чтобы максимально автоматизировать эту стадию, исходные данные ограничивают кадастровым номером участка и выбором основных помещений и их количества в будущем здании. Дополнительно возможно использовать топосъемку участка для более точного результата.

Кадастровый номер участка позволяет определить местоположение проектируемого объекта, автоматически получить данные о рельефе местности (при отсутствии топосъемки), информацию о климате и инсоляции, а также о располагающихся поблизости зданиях и сооружениях.

Выбор помещений ограничен количеством спален и набором дополнительных помещений (библиотека, гараж, сауна и т. д.). Комбинация выбранных помещений анализируется алгоритмом, и на основе этой информации создается список будущих помещений. В зависимости от числа выбранных комнат, размера участка и его рельефа формируется определен-

104

ный коэффициент площади здания, от него зависят проектируемые размеры комнат, наличие дополнительных помещений (гардеробных комнат на каждую спальню, санузлов и т. д.). К ним дополнительно создается набор определенных характеристик, включающих в себя следующие элементы: диапазон размеров, наличие или отсутствие окон, дверей и их тип, необходимые параметры внутреннего микроклимата и тип отделочных материалов.

2. Алгоритм разработки архитектурных решений. На этой стадии алгоритм создает функционально-планировочную схему между комнатами, объединяет их в одно общее планировочное решение, по которому далее создаются объемно-пространственные элементы здания. На механизм формирования плана и архитектуры прямо влияют собранные на первой стадии исходные данные. По предопределенным зависимостям и условиям создаются все части здания: фундаменты, внутренние и наружные стены, перекрытия, кровля и т. д.

Создание каждого элемента здания имеет свое рациональное обоснование. Например, каждый оконный проем, его положение и размеры определяются на основе характеристик комнаты, в которой он расположен, ее ориентации по сторонам света и инсоляционным требованиям к помещениям [4].

Рис. 2. Архитектурное решение, созданное генеративной системой проектирования

3. Документирование полученного результата. Последняя операция, которую проводит алгоритм, — это формирование проектной документации для созданных архитектурных решений. Можно выделить две основные операции на данном этапе работы алгоритма:

1)создание и перевод полученной информации в текстовый и графический вид, формирование шаблонов листов;

2)заполнение шаблонов листов информацией и ее сохранение в виде отдельныхфайлов. В рамках первой операции после завершения этапа создания объемно-

пространственного решения здания делаются определенные шаблоны листов. На текущем этапе развития проекта стадийность ограничена стадией «Эскизный проект», в рамках которой создается следующий набор листов: титульный лист, краткая пояснительная записка, планы этажей (количество зависит от этажности здания и меняется динамически), фасады здания, два разреза и общие видовые кадры здания (рис. 3).

При изменении любых исходных данных система заново формирует объемнопространственное решение и перезаписывает созданный архитектурный проект.

105

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 3. Альбом архитектурных чертежей, созданный алгоритмом

2. Сравнение работы с исходными данными при информационном, параметрическом и генеративном методах проектирования. Сбор и анализ исходных для проектирова-

ния данных является важным этапом разработки архитектурного проекта, так как именно на этом этапе создается основа для будущих проектных решений здания и от качества и полноты собранной информации зависит общее качество проекта. Разным методам проектирования свойственен разный приоритет в использование данных. Применение геоданных участка проектирования необходимо в любом способе проектирования, тогда как демографические или социологические данные в информационном проектирование (основанном на технологии BIM) часто имеют низкий приоритет и не используются.

При разработке проекта информационным методом используемые данные можно разделить на две категории: необходимые (данные об участке, техническое задание на проектирование и т. д.), без которых невозможно создать архитектурный проект, и дополнительные, которые могут быть использованы в зависимости от опыта и квалификации проектировщика, временных ограничений и необходимой степени проработки проектных решений (данные инсоляции, климатологии, анализа окружающей застройки, транспортной системы и т. д.). Причина неполного использования всей доступной информации заключается в том, что ручной сбор и анализ этих данных довольно времязатратный процесс.

Основа параметрического подхода к проектированию зданий — сбор и анализ максимального количества различной информации, которая в дальнейшем будет использована для создания проектных решений на ее основе. Процесс параметрического проектирования заключается в сборе и обработке большого количества информации о контексте здания и в ее индивидуальной интерпретации проектировщиком (рис. 4). Системы сбора и структурирова-

106

ния исходных данных включают в себя автоматические и ручные методы. В этот массив информации включаются следующие базы данных: экономические, социальные, демографические, политические, топографические, климатические, а также ряд других характеристик участка проектирования, инженерная и транспортная инфраструктура, морфология застрой-

ки [9, 11—12].

Рис. 4. Общая схема параметрического метода проектирования

Для правильной работы генеративного метода проектирования необходим большой объем исходной информации, используемой системой. Приоритет в этом способе отдается данным, способ получения и обработку которых можно максимально автоматизировать. Это дает возможность использовать в проектирование большой объем информации, что в результате позволяет получить проект, учитывающий максимальное число возможных факторов, которые сложно было бы использовать, применяя традиционные методы проектирования (рис. 5).

Преимущества этого метода проектирования — многократное сокращение сроков проектирования, повышение его детализации и качества за счет автоматического использования максимального возможного количества данных, которые сложно добавлять вручную.

Рис. 5. Общая схема генеративного метода проектирования

Используя системы генеративного проектирования, мы получаем новый подход к созданию и обоснованию предлагаемых проектных решений, исходящих из совокупности соци-

107

Научный журнал строительства и архитектуры

ально экономических, технических, технологических и иных факторов, привязки к местности и исторических характеристик. Это позволяет автоматизировать процесс проектирования и, как следствие, ускорить работу над созданием проектных решений [8, 9].

3. Сравнение методов формирования объемно-пространственных решений при информационном, генеративном и параметрическом проектировании. Информационное проектирование в настоящий момент один из наиболее часто применяемых методов в архитектурном проектирование. Его распространению способствовало то, что это единая система по разработке проекта — от эскиза до строительной документации для возведения здания, его оснащения, обеспечения эксплуатации и последующего переоснащения или демонтажа. Создаваемая информационная модель включает в себя все данные об архитектурных и конструктивных решениях, экономических или технологических аспектах здания, а также об их взаимосвязях и зависимостях (рис. 6). Здание в этой модели проектирования рассматривается и проектируется как единый объект, без разделения на архитектурные и конструктивные решения и инженерные системы [7].

Особенность этого метода проектирования — создание общей информационной базы данных, в которой каждый элемент здания имеет набор основных характеристик и дополнительных атрибутов. Изменение свойств или размеров одного элемента, связанного с другими, влечет автоматическую корректировку других элементов, изменение всех чертежей, а также спецификаций, визуализаций [12].

Недостаток метода информационного проектирования — прямая зависимость качества проектирования от квалификации и опыта архитекторов, использующих эту технологию. Для использования всех преимуществ информационной модели необходима длительная специальная подготовка. Это ограничение не позволяет полноценно использовать эту технологию при увеличении количества проектируемых объектов, так как начинает снижаться качество проектных решений, что в дальнейшем ведет к прямым убыткам и проблемам во время возведения зданий и его использования.

Рис. 6. Общая схема работы информационной модели

108

Параметрический метод проектирования использует другую модель организации проектирования: в его основе комбинирование различного программного обеспечения и создание нескольких сегментированных моделей, которые далее объединяются в один общий файл [16, 17]. Для внесения изменений в проект необходимо вернуться на уровень фрагмента модели. На различных этапах проектирования используются разные программы: для трехмерного моделирования, такие как Autodesk Maya или Autodesk 3DS Max, на этапе разработки параметрической модели проект переносится в Grasshopper или другие аналогичные программные продукты для визуального программирования, далее на этапе создания документации применяются уже стандартные программы — Autodesk Autocad или Revit.

Основная отличительная особенность метода параметрического проектирования от информационного состоит в том, что под каждую задачу используется ПО, максимально к ней приспособленное, и объедение в одну модель происходит только на завершающем этапе проектирования (см. рис. 4).

Генеративный способ проектирования включает в себя наиболее эффективные решения из информационного и параметрического метода проектирования. Основа процесса проектирования — создание общей алгоритмизированной информационной модели здания. В нее включены скрипты и алгоритмы, которые повторяют процесс проектирования здания архитектором, но делают это автоматически. Создание проекта идет по принципу от общего к частному: анализируется общая ситуация, местоположение здания и данные о его рельефе, далее создается общая планировочная структура, на основе которой делается объемнопространственное решение здания, и в результате формируется проектная документация.

Существует несколько способов создания планировочной структуры: эволюционный (математический) и физический [14, 15, 21]. В основе первого идет математическая модель, создающая популяцию решений и при помощи анализа отбирающая решения, максимально отвечающие заданным критериям [5]. Второй способ — это создание физической модели здания, которая формируется при помощи физических эффектов сталкивания, притяжения и отталкивания объектов, в результате чего получается общая структура здания. В данном примере используется второй метод [18—21].

Создание объемно-пространственного решения происходит в три основных этапа.

1. Анализ рельефа участка и подбор наиболее оптимального для размещения здания места. Для этого топоповерхность фрагментируется на сегменты по сторонам света. Далее алгоритм выбирает наиболее подходящий для строительства фрагмент участка (с учетом расстояния до объектов вокруг участка, подъездных путей и градостроительных ограничений) и дополнительно анализирует его рельеф. Результат анализа, проводимого алгоритмом, — точка размещения будущего здания на участке (рис. 7).

Рис. 7. Анализ рельефа участка и подбор наиболее оптимального для размещения здания места

2. Создание планировочного решения. Для этого используется точка, найденная на первом этапе. Алгоритм, формирующий планы здания, использует в своей работе две фазы: соз-

109

Научный журнал строительства и архитектуры

дание концептуальной структуры объемно-пространственного решения и создание детального плана. Первая фаза в своей работе оперирует абстрактными примитивами: линиями и параллелепипедами. Во второй создаются стены, перегородки, окна, двери и другие элементы плана.

Для первой фазы создается общая функциональная схема связей комнат, происходит создание их примитивов и объединение в одну общую структуру (рис. 8).

Рис. 8. Создание функциональных связей комнат и общей планировочной структуры

Вторая фаза — создание объемно-пространственного решения для полученной структуры по заранее заданным критериям и условиям (рис. 9).

Рис. 9. Создание объемно-планировочного решения по полученной структуре

3. Формирование архитектурно-конструктивных решений. На этом этапе создаются остальные элементы здания: кровля, фундаменты, инженерные системы и т. д. Каждый элемент на данном этапе моделируется по системе параметров и набору формул. Например, кровельная система формируется при помощи анализа планировочной структуры, климатических факторов и положения здания на участке (рис. 10).

110