Конспект лекций по курсу «Компьютерные методы проектирования (КМП)»
.pdfИзучение процесса проектирования показывает, что он имеет иерархический, итерационный характер.
Анализ работ по морфологии процесса проектирования показывает, что проектирование может рассматриваться как процесс принятия решений, как процесс обработки информации, процесс решения поочередных задач, процесс творческого мышления, исследовательский или управляющий процесс. Оно может проходить двумя путями: первый это последовательность: анализ, синтез и оценка, а второй - это синтез, анализ и оценка.
Известны несколько методов проектирования (фиксации проектного решения): графический, модельномакетный, макетнографический и метод с применением электронной и автоматизированной техники.
Графический метод проектирования заключается в том, что весь аналитический процесс изучения задания на проектирование, творческий процесс поисков идеи будущего сооружения и детальная техническая разработка проекта для передачи на строительство сопровождаются графическим изложением мыслей, образов, сравнений, технических решений и деталей с помощью эскизов, чертежей, графиков, таблиц, схем, текстов и т. д.
Модельно-макетный метод - компоновка объемов и объемных моделей и элементов сооружения непосредственно в пространстве, иначе - объемно-пространственное моделирование здания, сооружения, среды.
Модельно-макетный метод позволяет, имея набор условных, унифицированных модельных элементов и моделей конструкций и оборудования, рассмотреть большое число возможных компоновок и отобрать наиболее приемлемую (в пределах имеющейся в распоряжении проектировщика макетотеки). Особенно важно при решении архитектурных задач проектирования промышленных сооружений.
Макетно-графический метод. Сущность этого метода — в
рациональном сочетании художественно-графического мастерства и творческого композиционного мышления с масштабным моделированием объемов и элементов зданий и сооружений и их комплексов в пространстве.
Метод с применением электронной и автоматизированной техники основан на применении законов математики, математи-
11
ческой логики, средств электронной техники, организационной техники и машин для изготовления документации.
Сегодня разработкой различных проектов занимается не один проектировщик, а группа или целый проектный институт.
1.3. Использование средств автоматизации
Отличительными чертами новой технологии являются: изменение характера проектирования /пользователь должен
"видеть" и "действовать", а не "знать" и "помнить"; сквозная информационная поддержка на всех этапах прохож-
дения информации на основе интегрированной базы данных; интерактивный режим решения задач на языке, близком и по-
нятном проблемному специалисту; возможность коллективного исполнения документов;
изменение деления проектирования на операции и перераспределение работ между ними;
возможность перестройки формы и способов представления информации;
новые методы решения задач, которые базируются на использовании: математического моделирования; единстве модели объекта на всех этапах и операциях проектирования; использовании модели объекта проектирования в качестве единой информационной базы для автоматизированных процедур анализа и синтеза формирования ПСД; использовании различных комбинаций математических моделей для принятия проектных решений; учете множества факторов, которые влияют на процесс выбора решений; хорошо развитых информационных ресурсах, в том числе систем пространственного управления данными, которые выступают в форме информационных и математических моделей,
ППП, банков данных и организационно-методических материалов; обеспечении максимальной инвариантности организации информационных ресурсов, их слабой зависимости от конкретной области применения, простоте настройки на отраслевую и проблемную специфику; создании специальной информационносправочной системы и организации взаимодействия с нею как проектировщика, так и ППП проектирования и т.п.;
12
возможность проведения многоаспектного математического эксперимента над объектом проектирования путем имитации его поведения при различных сочетаниях условий строительства; инвариантность действий относительно различных режимов
работы системы проектирования и др.
Автоматизированное проектирование - это способ выпол-
нения проекта. Основная идея «новой» технологии состоит в том, чтобы рассматривать систему понятий предметной области и соответствие между ней и системой понятий формальной модели как исходную информацию для принятия решения. Укрупнено - технология автоматизированного проектирования включает:
1.Описание операций автоматизированного проектирования;
2.Установление требуемого состава программного обеспече-
ния;
3.Проверка наличия промежуточной информации от смежных программных систем;
4.Получение необходимых исходных данных /от заказчика, подрядной организации и т.д./ и их подготовка;
5.Выполнение расчетов и выпуск документации.
На данном этапе выполняются следующие проектные процедуры: структурный синтез, уточнение постановки задачи, анализ и определение альтернатив, составление математической модели, параметрическая оптимизация, документирование;
6.Контроль результатов автоматизированного проектирова-
ния;
7.Анализ полученных результатов, согласование и их корректировка;
8.Выдача заданий смежным подразделениям или организаци-
ям;
9.Доработка документации;
10.Комплектация организационно-технологической докумен-
тации.
Технология автоматизированного проектирования конкретизируется в зависимости от вида формируемого проектного документа и характера решаемой задачи.
13
1.4. Отечественный и зарубежный опыт. Этапы развития
Информационные технологии уже давно уверенно вошли в нашу повседневную жизнь и архитектурно-строительное проектирование в этом случае не является исключением. Несмотря на значительное отставание информатизации этого направления в нашей стране по сравнению с Западом, рынок программных средств САПР фактически сформировался и продолжает непрерывно развиваться.
Наиболее известные САПР представлены на российском рынке известной американской фирмой Autodesk - лидером САПР дефакто. Прежде всего, это САПР для архитектурно-строительного проектирования: AutoCAD, Autodesk Architectural Desktop, Autodesk Building Systems и Autodesk Architectural Studio.
В России и странах СНГ наиболее широко распространен программный пакет AutoCAD. Разработанный Autodesk более 20 лет назад, он долгое время отвечал самым взыскательным требованиям проектировщиков
ArchiCAD, разработанный в компании Graphisoft, - программный пакет, обеспечивающий разработку любых архитектурнодизайнерских решений. В ArchiCAD можно одновременно работать над созданием проекта и составлять сопутствующую строительную документацию, так как программа хранит всю информацию о проектируемом здании: планы, разрезы, перспективы, перечень необходимых стройматериалов, а также замечания архитектора, сделанные в процессе работы. На любом этапе работы можно увидеть проектируемое здание в трехмерном виде, в разрезе, в перспективе, сделать анимационный ролик.
Allplan немецкой фирмы Nemetschek является высокоэффективным решением для архитектурно-строительного проектирования. Это легкая в использовании, логически выстроенная САПР, которая предлагает комплексный подход к черчению и строительному проектированию в целом. Программа Allplan основана на объектно-ориентированной базе простых 3D-объектов; она создает и поддерживает взаимосвязь между 2D- и 3D-чертежами, разрезами, проекциями и т.д. Все эти виды - просто различные представления одних и тех же трехмерных объектноориентированных данных. Вы можете использовать для проекти-
14
рования тот вид или виды, которые больше всего подходят к особенностям вашего стиля. Allplan разработан специально для профессионалов в области именно строительного проектирования и предлагает свой оригинальный и эффективный подход к нему.
Для проектирования внутренних инженерных сетей фирма
Nemetschek предлагает программу Allklima. Allklima является комплексным программным решением задач в области проектирования внутренних инженерных сетей. Будучи мощной САПР, для ОВ/ВК, она создает новые перспективы и возможности в проектировании. Компетентная поддержка проектировщика и исполнителя обеспечивается на всех этапах жизненного цикла проекта.
Этапы развития
В архитектурной теории проблеме методологии проектирования особое внимание стало уделяться с эпохи Возрождения, о чем свидетельствуют работы Альберти и Витрувия. Однако методология как отдельная область науки начинается развиваться лишь в ХХ веке, когда появляются работы К. Айдукевича, Л.Б. Арчера, М. Асимова, В. Гаспарского, относящиеся к общей методологии проектирования; З. Клейфа и Т. Котарбинского по праксеологическому анализу проектирования; Л.Н. Авдотьина, Д. Брунера, Я. Дитриха, рассматривающие эвристические методы проектирования; Г.С. Альтшуллера, А. Гуральского, Дж. К. Джонса, Г. Надлера, Ф. Цвики, описывающие отдельные стратегии проектирования. Издаются также фундаментальные работы по методологии архитектурного проектирования, выполненные В.Л. Глазычевым, М.Г. Бархиным, Б.Г. Бархиным, А.В. Степановым, С.А. Малаховым, Н.Н. Нечаевым, О. Акином.
Развитие кибернетики, электроники и информатики обогатило арсенал проектных средств инструментом, не имеющим аналога во всей истории развития архитектурного проектирования – компьютером. Это вызвало необходимость проведения исследования роли и места компьютерной технологии в архитектурном проектировании. Этой проблеме были посвящены работы Л.Н. Авдотьина, С. Вроны, Дж. Джиро, Ч. Истмана, Н. Кросса, В.Митчеля, В.С. Нагинской, А. Шимского.
По мере развития методов компьютерной поддержки архитектурного проектирования появляются работы, посвященные инст-
15
рументальным аспектам использования компьютерных средств в процессе проектирования. Моделированию пространственных форм были посвящены работы Д. Гроссарда, Ж. Монедеро, З. Рихтера, И.Е. Шаттерланда, а автоматизированному производству моделей - работы Дж. Брина, В. Митчеля, А. Симондети, Ч. Хулла.
Творческому использованию компьютерной технологии уделялось значительно меньше внимания, несмотря на происходящее в то же самое время бурное развитие психологических теорий творческого процесса (Г. Валлас, Т. Вард, В. Гордон, С. Лем, Э Ненцка, Н.Н. Нечаев, С. Смиф, Р. Финке, Г.П. Щедровицкий). Только в настоящее время рассмотрению компьютера как партнера в творческом процессе начинает уделяться больше внимания (Г. Ахтен, Б. ван Беркель, Ф. Гери, Р. Гленвилле, М. Гросс, Е. Ду, А. Леушер, К. Терзидис). С 70-тых годов прошлого века появляются работы, в которых компьютер рассматривается не только как посредник в проектном процессе, а как генератор архитектурных форм (Ж. Дуарте, Р. Кравчик, В. Митчель, Ц. Содду, Г. Стины, Дж. Фрейзер).
В конце ХХ века были внедрены в практику принципы виртуальной реальности. В начале в военных тренажерах, затем в компьютерных играх, и, наконец, они стали областью заинтересованности архитекторов. Несмотря на то, что эта технология многими считается перспективной, этому мнению не отвечает комплексность научных исследований. Виртуальная реальность чаще рассматривается с технической точки зрения (Т. Дефанти, К. Ларсон, Д. Сандин), а не как пространство/среда творчества (Р.Г. Альварадо, Б. Ляурель, Т. Мейвер, Н. Негропонте). Количество работ по практическому внедрению технологии виртуальной реальности также небольшое (Д. Альяксеу, Г. Ахтен, Д. Донат, И. Клеркер), что объясняется чрезвычайно высокой стоимостью виртуальных лабораторий.
Вразвитии методологии проектирования особенно важным периодом являются 60-е и 70-е гг. ХХ века. Проектирование стало анализироваться с разных точек зрения: праксеологической, эвристической, или с точки зрения деятельностного подхода.
В60-х гг. ХХ века на основе принципов «жесткого системного подхода» были созданы проектные системы первого поколения,
главной задачей которых было решение функциональных задач.
16
Развитие программ CAD связано с повышением эффективности инструментов для черчения и автоматизации производства комплексной проектной документации, включающей технические чертежи, списки строительных материалов и фотореалистические визуализации.
1.5.Принципы автоматизации
Видеологическом плане концепция автоматизации проектирования, предполагает развитие интегрированных средств разработки ПСД.
Цель интеграции - создание универсальных систем, решающих после соответствующей настройки конкретную задачу пользователя.
Автоматизация базируется на совокупности определений, принципов и постулатов. Их условно можно разделить на несколько групп: 1. Общие методологические; 2. Конкретно методологические (2.1. Кибернетические; 2.2. Системологические); 3. Принципы теоретической системотехники (3.1. Системотехники строительства; 3.2. Общетеоретические (3.2.1. Технические; 3.2.2. Функциональные), а также постулаты.
К общетеоретическим принципам проектирования организации и технологии строительства относятся: структурнофункциональный, вероятностно-статистический, имитационномоделирующий, интерактивно-графический, инженерноэкономический, информационно-семантический, лингвистический, прогностический, моделирования, а также принципы: обобщения /абстракция - конкретизация, соответственно частное
-особенное - общее - особенное - частное/, разложения /декомпозиция - композиция, соответственно анализ - синтез/, упорядочивания /начало /старт/ - подцели /промежуточные финиши/ - цель /финиш// и другие.
Технические принципы относятся к обслуживающим, обеспечивающим и управляющим элементам системы, процессу и результатам проектирования.
Основная идея автоматизации заключается в формализованном описании объекта строительства и последующим "манипулировании" данными.
17
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В организационном плане подсистема представляется совокупностью проектирующей, управляющей, обслуживающей, обеспечивающей частей.
Структура подсистема является открытой как по количеству частей, так и по числу компонентов /модулей/. Основные части - это проектирующая, которая выполняет проектные операции, а также обеспечивающая часть, предназначенная для поддержания работоспособности проектирующих компонентов.
Главным элементом проектирующего компонента - проектного модуля являются группы задач.
Помимо объектных проектирующих компонентов, выполняющих проектные процедуры и операции, характер которых определяется объектом проектирования, в состав подсистем входят инвариантные элементы. Инвариантные - выполняют унифицированные проектные процедуры и операции. Это - документирование проектных решений, процедуры ввода и корректировки исходных данных и другие. Наиболее распространенными пакетами, реализующими унифицированные проектные процедуры и операции, являются: программы работ с текстом, "электронные" таблицы, ведение баз данных, инженерная графика и т.д.
Компонентами обеспечения служат: методическое, лингвистическое программное, техническое, информационное, организационное, математическое и другие.
Проектирование сложных объектов и решение основных задач проектирования невозможно сегодня без систем автоматизированного проектирования (САПР), систем управления базами
данных (СУБД) и систем управления данными о проекте
(РОМ).
Они включают в себя развитые средства накопления и использования знаний, проектирования в контексте, параллельного проектирования, разделения по стадиям, подсисте-
мам и ролям и т.д. Соблюдение методологий проектирования частично осуществляется стандартной функциональностью систем за счет реализации организационных мер, позволяющих не только поддерживать новые функции, но и методологические решения в целом. Для автоматизации этих возможностей тре-
18
буется соответствующая информационная поддержка со сто-
роны PDM, VPDM (Virtual Product Data Management), CPD (Collaborative Product Development), CPC (Collaborative Product Commerce) и т.п., а сегодня позиционируемых как системы cPDm (collaborative Product Definition management).
В определенной мере развитие САПР во всем мире направлено на интеграцию программных продуктов в единую программную платформу, а не на комбинацию различных систем. Именно поэтому все «тяжелые» системы (Unigraphics, Pro/Engineer, Catia)
предлагают интегрированные решения в рамках единой про-
граммной платформы.
На сегодняшний день не существует ни одной системы автоматизированного проектирования, позволяющей производить все необходимые инженерные расчеты без привлечения средств дополнительного программного обеспечения.
Качественное преобразование процесса проектирования в строительстве может быть осуществлено с привлечением Internetтехнологий, которые обеспечат комплексным системам автоматизированного проектирования в строительстве широкий спектр новых характеристик.
2.1. Базовые программные продукты для проектирования
Под базовыми программными продуктами понимаем программ-
ныепродукты: BricsCad Pro 7.0 RUSAutoCAD 2007 RUS и др.
С момента выпуска BricsCad V5 в 2004 году BricsCad установил новый стандарт на рынке альтернативных программ DWG. Являясь доступной альтернативой AutoCAD, BricsCad V7 использует DWG как родной формат черчения и может читать и записывать файлы AutoCAD формата DWG, начиная от версии
2.5 до 2006.
AutoCAD 2009. Данный ПК позволяет легко и эффективно разрабатывать проекты, визуализировать их и составлять проектную документацию. При создании AutoCAD 2009 главной целью Autodesk было повышение производительности труда инженера. Новые функции программы ускоряют выполнение задач, позволяют без труда находить нужную команду и быстрее осваивать приемы работы.
Из наиболее известных программ для строителей отметим ArchiCAD, SolidWorks. Из отечественных продуктов можно выделить программа дизайнера строителя Строитель, Гектор, Арбат и т.д.
19
РАЗДЕЛ 3. ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЛЬНОГО ПЛАНА, ТРАНСПОРТА.
ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
3.1. Состав, содержание, технология проведения инженерных изысканий
Инженерные изыскания выполняются на всех стадиях проектирования. На основе материалов инженерных изысканий осуществляется разработка проектной документации, необходимой для подготовки рабочей документации и строительства предприятий, зданий и сооружений, обоснования проектных решений.
Данные, полученные в ходе инженерных изысканий, входят в обязательный состав документации, необходимой для получения разрешения на строительство.
Инженерные изыскания включают следующие основные виды:
1.Инженерно геологические изыскания (грунты);
2.Инженерно – геодезические изыскания (ситуация, рельеф, геодезические работы);
3.Инженерно – гидрометеорологические (климат, вода);
4.Инженерно-экологические изыскания (экология участка, почва, растения, животные, риски (возможные загрязнения));
5.Изыскания грунтовых строительных материалов и источников водоснабжения на базе подземных вод (для проектирования и строительства водозаборов до 1000 куб. метров в сутки) (возможное использование грунта, карьеры, гидрогеология, фильтрация, водный горизонт), а также
6.Геотехнический контроль;
7.Обследование грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений;
8.Оценка опасностей и риска от природных и техноприродных процессов;
9.Обоснование мероприятий по инженерной защите террито-
рий;
10.Локальный мониторинг компонентов окружающей среды;
11.Геодезические, геологические, гидрогеологические, гидрологические, кадастровые и другие работы и исследования;
20