Лекция 7 Интегрированная информационная система решения геометрических задач

Лекция 7 Интегрированная информационная система решения геометрических задач архитектурного проектирования Содержание лекции • Основные положения системы. • Функциональная модель процесса решения задач. • Проектирующие подсистемы. • Информационное обеспечение системы. • Задача «Поиск параметров объектов» . • Информационно-поисковая системы «Объекты культурного наследия» .

7. 1. Основные положения системы Система включает в себя те архитектурные задачи поддающиесяся частичной или полной формализации, в состав которых входят комбинаторные (компоновочные, композиционные) операции и различные аспекты геометрического описания объекта проектирования (площадь, форма плана, длина и ширина, протяженность, взаимная ориентация, взаимное расположение). Комбинаторика – раздел математики, занимающийся решением задач выбора и расположения элементов некоторого (обычно конечного) множества в соответствии с заданными правилами. Основным признаком произведения архитектуры является наличие пространства, которое целесообразно организовано для выполнения определенной социально значимой цели, вмещает человека и воспринимается им зрительно.

Пространство организуется архитектурными формами. Способ упорядоченности архитектурных форм, учитывающий выполняемые ими функции и предъявляемые требования, является той основой, с помощью которой создается архитектурный объект. Постановка задачи для процесса формирования архитектурного пространства может быть представлена в следующем общем виде: определить набор и геометрию исходных элементов (архитектурных форм или их частей), а затем выбрать способ их комбинирования (моделирования). То есть, в общем виде, формирование архитектурного пространства представляет собой геометрическую комбинаторную задачу, учитывающую различные аспекты функционирования архитектурного объекта.

7. 2. Функциональная модель процесса решения задач

Анализ предпроектной ситуации представляет собой сбор входных данных для работы системы и построение графических схем, содержащих результаты природноклиматического, градостроительного, архитектурнохудожественного и социально-демографического анализа участка проектирования. Схемы в зависимости от назначения содержат рельеф территории, элементы застройки, дорожную сеть, зеленые насаждения, условные обозначения объектов социального обслуживания, транспортные остановки, материал зданий и др. Задача удобно решается на основе использования послойной организации чертежа, принятой в конструкторской графике, и графической библиотеки, содержащей уже обработанные участки городской территории, различные знаки и условные обозначения. В окончательном изображении содержится 18 автоматически организованных слоев.

Схемы озеленения и морфологического анализа при предпроектном анализе территории

Поиск параметров объекта – предназначен для поиска параметров вновь возводимых объектов в исторически сложившейся городской среде или для экспертизы предложенного проектного решения. Фактически последовательно решают две задачи: определение высоты объекта и определение его габаритов в плане. При поиске высотных параметров объекта считается, что модель существующей застройки может быть представлена в виде геометрического тела, ограниченного снизу поверхностью земли, а сверху – поверхностью, натянутой на экстремумные точки существующих зданий. Высотные габариты вновь возводимого объекта выбираются в пределах этой, так называемой «идеальной поверхности» с учетом композиционных ограничений. Построение «идеальной поверхности» осуществляется с помощью решения задачи размещения некоторой гладкой поверхности на произвольно расположенной системе заданных высот.

Идеальная поверхность при поиске высотных параметров объектов

Поиск планировочных параметров объекта сводится к определению некого планировочного «пятна» , в которое может вписываться проектируемый объект. Отведенная под строительство территория в общем случае представляет собой n-связанный многоугольник, где n=1, 2, … k; заданный отрезками прямых в порядке положительного обхода области. От границ многоугольника задаются допустимые расстояния Δdi ≥ 0, определяемые нормативными ограничениями. Таким образом, задача определения планировочного «пятна» сводится к поиску области решения множества из N линейных уравнений axi + byi + ci = 0, где i =1, 2, …, k при ограничениях Δdi ≥ 0.

Компоновка здания сводится к размещению помещений заданных площадей в ограниченной области (габариты здания) таким образом, чтобы при соблюдении различных ограничений целевая функция была бы минимальной. Критерий оптимальности - приведенные затраты на связи между помещениями, общую площадь здания и сооружение перегородок. Ограничения могут накладываться на сохранение необходимых расстояний между помещениями; обеспечение принадлежности помещений соответствующей зоне размещения; на дополнительные требования, например, размещение помещений у границы зоны. При автоматическом «раскрое» области здания на помещения перебираются все допустимые варианты габаритов помещений и, для каждого варианта, решается задача нахождения оптимальных параметров размещения объектов на основе метода «ветвей и границ» . Наилучший вариант по площади выбирается проектировщиком.

Результаты решения задачи компоновки 1 -го этажа жилого здания с общественной функцией

Разработка дизайна экстерьера объекта сводится к получению эскизных вариантов фасадов здания, имеющего заданную планировочную структуру, при учете градостроительной ситуации и композиции окружающей застройки, а также закономерностей архитектурного формообразования. Решение задачи состоит из выполнения трех этапов: анализ градостроительного контекста и окружающей застройки; подготовка к работе плана здания и выбор типа кровли с построением 3 -мерного изображения объекта; поиск художественного решения фасадов и визуализация объекта. При работе используется локальное информационное обеспечение задачи, позволяющее выбрать элементы фасадов (двери, окна, детали и варианты пластики стен) из многоуровневого меню, выполнить их графическое редактирование и размещение на плоскостях фасада. Решение задачи осуществляется под управлением диалогового графического сервиса.

Компоновка схемы генерального плана представляет собой размещение зданий и сооружений заданных габаритов на отведенной площадке генплана при соблюдении различных ограничений. Целевая функция имеет вид комплексного экономического критерия, состоящего из суммы затрат на компенсацию потерь от отчуждения земельных угодий, благоустройство территории и связи (коммуникации). При решении задачи должны выполняться ограничения на взаимное размещение объектов, размещение объектов относительно границ площадки, на размещение объектов относительно областей запрета. Задача оптимальной компоновки схемы генерального плана относится к классу нелинейных многокритериальных задач математического программирования, которая реализуется методом последовательно-одиночного размещения в сочетании с методом случайного поиска.

Пример результата автоматизированной компоновки схемы генерального плана жилой группы

Моделирование проектного рельефа – состоит из последовательного решения трех задач: поиск оптимальных отметок размещения объекта на рельефе, микропланировка в красных горизонталях, подсчет объемов земляных работ. Задача оптимизации проектных отметок формулируется следующим образом: на существующем рельефе территории, заданном координатами (X, Y, Z) поверхности земли и элементов застройки, с учетом внешних ограничений и принятой системы водоотвода определить оптимальные отметки (координаты Z) элементов генерального плана так, чтобы максимально сохранить существующий рельеф при соблюдении ограничений на допустимые уклоны дорог и территории. Целевая функция представляет собой сумму квадратов отклонений проектных отметок от их существующих значений. Для решения задачи используется модифицированный прямой опорный метод квадратичного программирования (модификация метода Билла).

Результаты моделирования проектного рельефа (поиск оптимальных проектных отметок элементов генерального плана, микропланировка в красных горизонталях, подсчет объемов земляных работ )

Микропланировка участка в красных горизонталях выполняется путем триангуляции проектной поверхности и расчета линий одинакового уровня, количественная оценка решения (определение объемов земляных работ) – расчетом по треугольникам традиционной картограммы земляных масс. Решение всего комплекса задач, включая подготовку топографического плана и формирование ограничений, выполняется под управлением диалогового графического сервиса. Поиск аналогов – графический поиск объектов в электронном архиве по заданным классификационным признакам (автор, время постройки, стиль, композиционные элементы, детали и пр. ).

7. 3. Информационное обеспечение системы Общесистемное информационное состоит из баз данных и знаний, обучающей компоненты, входящей в состав БЗ, и управляющего модуля.

Система баз данных по виду, организации и хранению информации состоит из двух достаточно самостоятельных частей: текстовой и графической. Текстовая информация сведена к трем группам: временная, переменная и постоянная. Временная - предназначена для решения конкретной задачи и включает в себя данные, зависящие от конкретных условий строительства, градостроительной ситуации, климата, грунтов, задания на проектирование, типологии объекта и пр. Переменная часть содержит результаты и используется в качестве входной информации для решения других задач. Постоянная часть содержит нормативную информацию. Постоянная часть, в свою очередь, разделяется на информацию о генеральном плане и информацию о зданиях; последняя разделяется также в зависимости от типологии объекта.

База знаний включает в себя неформальную информацию, необходимую для проектирования объектов. Она состоит из двух самостоятельных частей (генеральный план и здания), которые, делятся по функциональному назначению на три раздела (производственного, общественного и жилого назначения), каждый из которых, в свою очередь, состоит из трех подразделов: определения и классификации; основные принципы и методы проектирования; приемы и способы проектирования. Обучающая компонента в составе базы знаний реализует возможность использования системы в процессе обучения студентов архитектурно-строительных специальностей и состоит из сценария обучения, комплектов контрольных заданий и вопросов, а также электронного учебника по архитектурному проектированию промышленных и гражданских объектов.

Локальное информационное обеспечение также состоит из переменной и постоянной информации. Переменная – представляет собой временные файлы необходимые для работы проектирующих подсистем. Данные в них заносятся автоматически и состоят из информации, специфичной для конкретного участка проектирования. Постоянная – содержит графические библиотеки для поддержки решения отдельных задач

7. 4. Информационное обеспечение подсистемы «Поиск параметров объектов» Подсистема реализована в виде объектно-ориентированной САПР «ОБРАЗЪ» , функционирует в графической среде Auto. CAD, состоит из проектирующей и информационной подсистем (ИС), локальной БД, диалогового графического сервиса, управляющего работой подсистемы и сопровождающего проектный процесс. Функционирование системы представляет собой процесс последовательного прохождения трех проектных этапов: анализ существующей ситуации; поиск силуэтного решения объекта; поиск вариантов планового решения. Входная информация: цифровая модель рельефа (ЦМР), цифровая модель застройки (ЦМЗ), природно-климатические характеристики.

Подсистема реализована в виде объектноориентированной САПР «ОБРАЗЪ» , функционирует в графической среде Auto. CAD, состоит из проектирующей и информационной подсистем (ИС), локальной БД, диалогового графического сервиса, управляющего работой подсистемы и сопровождающего проектный процесс. ЦМР имеет формат. dxf и представляет собой матрицу, содержащую X, Y, Z регулярной сети отметок территории. Для его создания пользуются пакетом Gold. Surfer (фирма Golden Software), позволяющим создать такой файл автоматически на основании задания хаотического разброса координат точек геодезических реперов. Файл ЦМЗ (с тем же форматом) строят в системе Auto. CAD, он содержит характерные точки зданий. Каждая новая площадка заносится в постоянную часть БД.

Функционирование системы представляет собой процесс последовательного прохождения трех проектных этапов: анализ существующей ситуации; поиск силуэтного решения объекта; поиск вариантов планового решения. Для указания природно-климатических характеристик используют формы диалогового графического сервиса, с помощью которого осуществляется обращение в БД и автоматически строится роза ветров и выдаются рекомендации по ориентации, положению и конфигурации проектируемого здания.

Поиск силуэтного решения объекта представляет собой расчетный этап, а поиск вариантов планового решения представляет собой интерактивную процедуру получения рекомендаций, которая осуществляется под управлением диалогового графического сервиса. Например, выбор типа окружающей застройки выбирается из иконографического меню.

При выборе формы объекта для сужения вариантов поиска используют локальные графические библиотеки, построенные по иерархическому принципу.

Выбор формы планажилого дома осуществляется на основании диалогового графа. 1 – выбор функционального назначения объекта 6 – безлифтовые жилые дома; 8 – дома-вставки; ; 11 – выбор типа вставки; 12, 13 – угловой или рядовой; 14, 16 – на красной линии; 17, 15 – и отступом; 22 – определение вставки объекта точки

7. 5. Информационно-поисковая системы «Объекты культурного наследия» . Цель создания ИПС – накопление информации о памятниках истории и архитектуры, поиск графических (рисунков, фотографий и чертежей) и текстовых данных по заданным классификационным признакам и поисковым образам, внесение необходимых корректив, манипуляции с данными в соответствии с требованиями профессионального использования, получение ответов на запросы в виде, привычном для определенной группы пользователей, расширение созданной структуры.

ИПС в соответствии с необходимыми видами хранимой информации имеет следующую структуру: • база данных, содержащая символьную и цифровую информацию; • визуальные базы данных (отдельно для растровых и векторных изображений; • СУБД; • управляющая программа и поисковые модули (отдельно для поиска атрибутивной и графической информации). Для хранения атрибутивной реляционная модель данных. информации принята Графические материалы хранятся в виде jpg и dwg-файлов.

Основная сущность, содержащаяся в БД, - сам объект культурного наследия. Ключевым атрибутом является составной код, состоящий из кода региона (например, для Ростовской области – 61), кода района или населенного пункта, номера объекта в реестре объектов культурного наследия этого района или города, номера объекта в ансамбле. Для поиска информации об объекте можно сформировать простой или сложный запрос. При простом запросе ключевой атрибут вводится с клавиатуры. Предусмотрено 3 варианта формирования сложного запроса. 1 – ключевой атрибут формируется автоматически выбором соответствующих параметров из специальных меню.

2 – географический поиск в сочетании со справочниками. Для этого предусматривается следующая иерархическая организация территории: регион, область, город, район, ансамбль. После выбора одного из уровней иерархии предоставляется список адресов и для уточнения – ряд справочников по типологии объекта, году возведения, автору, стилю.

Третий вид поиска позволяет сформировать графический запрос указанием элементов и фрагментов фасада здания, которые должны присутствовать в искомом архитектурном объекте (объектах). Таким образом, кроме графических библиотек, содержащих файлы изображений и чертежей памятников, в БД содержатся специальные библиотеки изображений для организации географического поиска объекта и графических моделей фасадов зданий (для графического поиска по элементам и фрагментам фасада). Для управления процессом накопления, хранения и поиска информации ИПС использует СУБД PARADOX. Работу всей ИПС контролирует программная оболочка (управляющий модуль), действующая в нескольких режимах: пользовательском и режиме заполнения.

Основную часть объектов культурного наследия Ростовской области составляют здания периода эклектики. Для поиска этих объектов по элементам их фасадов создана подсистема графического поиска, основанная на структурировании составляющих их компонентов. При структурировании фасады представлены состоящими из отдельных слоев. Таким образом для каждого здания составлена его графическая модель.

Для структурирования фасад рассматривался в виде системы, состоящей из трех разноуровневых групп. Нижний уровень - ЭЛЕМЕНТЫ (малые структурные единицы фасада – барельефы, ленточные орнаменты, круглые скульптуры, а также кронштейны, модульоны, замковые камни и русты); средний – ФРАГМЕНТЫ (укрупненные элементы декора – обрамления проемов, заполнения подоконных парапетов, ордерные композиции и протяженные профили); верхний – ФАСАДНЫЕ ПЛОСКОСТИ (рядовая плоскость, плоскости центральных и боковых ризалитов). Дополнительной информацией, необходимой для идентификации расположения элемента или фрагмента на плоскости фасада, является принадлежность его горизонтальным ярусам – этажам.

Структура фасадов зданий периода эклектики

Для создания поисковых файлов осуществлено условное кодирование компонентов фасадов, на основании которого составляется общий код фасада объекта, содержащий основной код каждого ЭЛЕМЕНТА фасада с дополнительными кодами (в случае наличия в нем скульптурно-пластических форм); основной код каждого ФРАГМЕНТА, дополненного кодировками его характерных составляющих и кодировками ЭЛЕМЕНТОВ, в случае их присутствия; составной код, описывающий принадлежность к «ячейкам» фасада, как ЭЛЕМЕНТОВ, так и ФРАГМЕНТОВ. Кодировка информации об объекте происходит автоматически с помощью специального модуля, предоставляющего выбирать графические образы каждого компонента фасада с помощью кнопок с условными обозначениями.