СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АРХИТЕКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Лектор Иевлева Ольга

СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АРХИТЕКТУРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Лектор: Иевлева Ольга Тихоновна, профессор, доктор технических наук по специальности «Инженерная геометрия и компьютерная графика» Цель дисциплины: Знакомство с современными направлениями компьютерных технологий архитектурного проектирования и представлением результатов исследований

Основная литература • Талапов В. В. Основы BIM: введение в информационное моделирование зданий. – М. : ДМ/К Пресс, 2011. – 392 с. • Вильям Хаксхолд. Введение в городские географические информационные системы. Пер. с англ. : Ун-т Висконси – Милуоки, 2001. – 317 с. • Коновалова Н. В. , Капралов Е. Г. Введение в ГИС. Учебное пособие. –М. : Библион, 1997. – 160 с.

1. Введение в BIM-технологии Вторая половина XX века характеризуется широким внедрением во все сферы архитектурно-строительной деятельности САПР. Сначала компьютеры применялись в основном для расчета строительных конструкций, затем для решения оптимизационных в том же конструировании и различных градостроительных (в основном транспортных и задач обслуживания) задач, а позже, с появлением пакетов конструкторской графики и плоттеров, начали развиваться графические САПР. Одним из первых в этом направлении стала фирма Autodesk, предложившая в 1982 г. первую версию Auto. CAD. Основными преимуществами графических САПР стали сокращение временных затрат на выполнение чертежей и др. проектной документации, облегчилась возможность их корректировки, тиражирования и повторного использования, повысилась производительность труда и его интеллектуальная составляющая

Проектирование вышло из плоскости чертежа, оно получило возможности 3 -мерного моделирования. Следующим витком развития было появление большого количества специализированных САПР для узких специалистов (архитекторов, конструкторов, специалистов по отоплению и вентиляции, электротехников, генпланистов и др. ). Эти пакеты содержали большое количество параметрических библиотечных элементов, которые могли вставляться в определенное место чертежа, а затем производились соответствующие расчеты с автоматическим заполнением спецификаций. Именно на таком принципе построены Archi. CAD, Autodesk Architectural Desktop и др. CAD системы перестают быть просто программами автоматизирующими черчение, используя для работы со спецификациями базы данных.

На следующем этапе развития CAD-программ стали осваиваться средства и методики коллективной работы над общим проектом. Появились даже, так называемые «Электронные кульманы» , которые позволяли разным исполнителям осуществлять доступ к общему проекту при сохранении единого руководства. Дальнейшее совершенствование пошло по пути усиления возможностей визуализации и анимации, использования многочисленных наработок, накопленных в других программах. Однако при всех неоспоримых успехах стал очевидным ряд серьезных проблем: 1. Необходимость широкомасштабной реконструкции ранее построенных объектов 2. Высокая насыщенность новых и реконструируемых зданий, а также их инфраструктуры инженерными коммуникациями и оборудованием, высокая плотность строительства.

3. Возрастающая важность юридического обеспечения проекта и увеличение сопутствующей документации 4. Необходимость учета концепции устойчивого развития, энергетически рационального и экологического проектирования с учетом «зеленых» рейтингов 5. Необходимость расчета при проектировании объекта его эксплуатационных характеристик 6. Необходимость исполнения при проектировании нового объекта практически параллельно архитектурных, конструкторских и технологических разделов 7. Потребность работы с проектом здания в период его эксплуатации, ремонта, оптимизация текущих расходов и достижение коммерческой эффективности проекта 8. Необходимость массового исследования и пересмотра в сторону усиления конструкций, устройств и коммуникаций уже существующих зданий и пр. проблемы Все поставленные вопросы призваны решить BIM технологии.

Краткая история терминологии Понятие Информационной модели здания было впервые предложено профессором Технологического института Джорджии Чаком Истманом (Chuck Eastman) в 1975 году в журнале Американского Института Архитекторов (AIA) под рабочим названием «Building Description System» (Система описания здания). В конце 1970 х – начале 1980 х эта концепция развивалось параллельно в Старом и Новом Свете, причем в США чаще всего употреблялся термин «Building Product Model» , а в Европе (особенно в Финляндии) – «Product Information Model» . Параллельно в разработке подходов к информационному моделированию зданий европейцами в середине 1980 х применялись немецкий термин «Bauinformatik» и голландский «Gebouwmodel» , которые в переводе также соответствовали английскому «Building Model» или «Building Information Model» .

В 1986 г. англичанин Роберт Эйш (Robert Aish), в то время – создатель программы RUCAPS, затем в течение длительного периода – сотрудник Bentley Systemes, позже перешедший в Autodesk, в своей статье впервые использовал термин «Building Modeling» в его нынешнем понимании как информационное моделирование зданий. Он впервые сформулировал основные принципы этого информационного подхода в проектировании: трехмерное моделирование; автоматическое получение чертежей; интеллектуальная параметризация объектов; соответствующие объектам базы данных; распределение процесса строительства по временным этапам и т. д. С 2002 года концепцию «Building Information Model» ввели в употребление и ведущие разработчики программного обеспечения, сделав это понятие одним из ключевых в своей терминологии. Однако некоторые разработчики пользуются своей собственной терминологией, например, компания Graphisoft, ввела понятие VB (Virtual Building) – виртуальное здание Иногда можно встретить сходное по значению словосочетание электронное строительство (e-construction).

Информационная модель здания (BIM) (Building Information Model) – это: • • • хорошо скоординированная, согласованная и взаимосвязанная, поддающаяся расчетам и анализу, имеющая геометрическую привязку, пригодная к компьютерному использованию, допускающая необходимые обновления числовая информация о проектируемом или уже существующем объекте, которая может использоваться для: • • • принятия конкретных проектных решений, создания высококачественной проектной документации, предсказания эксплуатационных качеств объекта, составления смет и строительных планов, заказа и изготовления материалов и оборудования, управления возведением здания, управления и эксплуатации самого здания и средств технического оснащения в течение всего жизненного цикла, управления зданием как объектом коммерческой деятельности, проектирования и управления реконструкцией или ремонтом здания, сноса и утилизации здания, иных связанных со зданием целей.

Основная информация, проходящая через BIM и имеющая к BIM непосредственное отношение.

Т. о. BIM - это вся имеющая числовое описание и нужным образом организованная информация об объекте, используемая как на стадии проектирования и строительства здания, так и в период его эксплуатации и даже сноса. Аббревиатура BIM может использоваться как для обозначения непосредственно самой информационной модели здания, так и для процесса информационного моделирования, . Весьма близка к BIM сформулированная компанией Dassault Systemes в 1998 году концепция PLM (Product Lifecycle Management) – управление жизненным циклом изделия, которой сегодня активно пользуется практически вся индустрия машиностроительного САПР. При этом в качестве изделий могут рассматриваться всевозможные технически сложные объекты: самолеты и корабли, автомобили и ракеты, здания и их системы, компьютерные сети и т. п. Концепция PLM предполагает, что создается единая информационная база, описывающая три основных компоненты создания чего-либо нового по схеме Продукт - Процессы – Ресурсы, а также связи между этими компонентами.

Применение информационной модели здания существенно облегчает работу с объектом и имеет массу преимуществ перед прежними формами проектирования. BIM позволяет в виртуальном режиме собрать воедино, подобрать по предназначению, рассчитать, состыковать и согласовать создаваемые разными специалистами и организациями компоненты и системы будущего сооружения, заранее проверить их жизнеспособность, функциональную пригодность и эксплуатационные качества, а также избежать внутренних нестыковок различных разделов проекта. В отличие от традиционных систем компьютерного проектирования, создающих геометрические образы, результатом информационного моделирования здания обычно является объектно-ориентированная цифровая модель как всего объекта, так и процесса его строительства. Однако, существует несколько подходов к созданию информационной модели здания. Эти подходы не отличаются кардинально, но вызывают некоторые не стыковки в понимании BIM технологий архитекторами и инженерами.

Проект нового здания высшей музыкальной школы New World Symphony в Майами (США) архитектора Фрэнка Гери, разработанный по технологии BIM (начало проектирования в 2006). Отдельно показаны компоненты единой модели: внешняя оболочка здания, несущий каркас, комплекс инженерного оборудования и внутренняя организация помещений.

С точки зрения инженеров-строителей работа по созданию информационной модели объекта ведется в два этапа. Сначала разрабатываются некие блоки (семейства) – первичные элементы проектирования, соответствующие как строительным изделиям (окна, двери, плиты перекрытий и т. п. ), так и элементам оснащения (отопительные и осветительные приборы, лифты и т. п. ) и многому другому, что имеет непосредственное отношение к зданию, но производится вне рамок стройплощадки и при возведении объекта не делится на части. Второй этап – моделирование того, что создается на стройплощадке. Это фундаменты, стены, крыши, навесные фасады и многое другое. При этом предполагается широкое использование заранее созданных элементов, например, крепежных или обрамляющих деталей при формировании навесных стен здания. Построенная информационная модель объекта затем становится основой для создания рабочей документации всех видов, разработки и изготовления строительных конструкций и деталей, комплектации объекта, заказа и монтажа технологического оборудования, экономических расчетов, организации возведения самого здания, а также решения технических и организационно-хозяйственных вопросов последующей эксплуатации.

Информационная модель концертного зала им. Уолта Диснея в Лос. Анджелесе. Вверху — моделирование формы здания, внизу — несущие конструкции и инженерное оборудование. Программа Digital Project.

BIM-технология В основе технологии BIM лежит концепция объектноориентированного параметрического проектирования (моделирования) зданий. И это отличает BIM-программы от всех остальных CAD-систем проектирования. Попытки использования параметрических методов в проектировании начались еще в 1980 -х годах, в первую очередь в области технического моделирования, особенно в машиностроении. И к настоящему времени достигли в своем развитии значительных высот. Первые шаги в этом направлении были сделаны в 1990 году группой энтузиастов под руководством американского архитектора Фрэнка Гери, которые приступили к реализации необычной идеи - установить весьма необычную по форме и размерам скульптуру рыбы у береговой линии Олимпийской деревни Игр-92 в Барселоне

В поисках механизма реализации проекта в 1990 году был проведен сравнительный анализ существовавшего тогда программного обеспечения, наиболее пригодного для решения поставленной задачи. Выбор архитекторов остановился на программе CATIA фирмы Dassault Systemes в качестве основной, поскольку она была способна задавать всякую поверхность, используя математические формулы (параметрический подход), которые могли бы быть использованы литейщиками для изготовления элементов скульптуры

Сначала в среде выбранной программы была построена параметрическая модель, затем бал создан для проверки картонный макет, изготовленный с помощью трехмерного лазерного резака, управляемого с помощью модели, а после проверки точности макета модель была передана на завод, где изготовлением деталей управляли с компьютера Скульптура рыбы у береговой линии Олимпийской деревни в Барселоне. Архитектор Фрэнк Гери. 1992

Таким образом, широко распространенная в машиностроении технология впервые была использована в архитектуре, хотя тогда это была еще не BIM.

В 2002 году с участием Фрэнка Гери появилась новая, ныне всемирно известная, компания Gehry Technologies, в задачу которой входило создание, освоение и применение в архитектурностроительном проектировании самых современных компьютерных методик и изобретений. «Танцующий дом» в Праге (арх. Фрэнк Гери. 1996) полностью выполнен по компьютерной модели, уже без первоначального картонного макета – трехмерное эскизирование сразу осуществлялось на компьютере

Конструкции в BIM Национальный центр водных видов спорта на Олимпиаде 2008 в Пекине

В основу идеи «Водного куба» положен принцип обычной садовой теплицы – стальной каркас, покрытый пленкой, а внутренние помещения нагреваются под воздействием солнечных лучей. Для возведения каркаса использовано примерно 90 километров стали (общий вес 6500 тонн), сформированной в 22000 балок-лучей, ни одна из которых не имеет прямолинейной формы. По этим характеристикам здание «Водного куба» вполне сравнимо с Эйфелевой башней. Окончательно вся конструкция объединялась в единое целое с помощью 12000 узлов. Технология BIM при разработке «Водного куба» использовалась в концептуальном дизайне, оптимизации конструкций, быстром прототипировании, обеспечении взаимосвязи между различными участниками проекта, а также изготовлении чертежной и печатной документации. Основным компьютерным средством для параметрического моделирования здания стала программа Micro. Station компании Bentley Systems.

Геометрическая модель создавалась еще на стадии конкурсных предложений. Первоначальный каркас был составлен из одинаковых ячеек, а затем программными средствами Micro. Station все они получили индивидуальные размеры и форму, соответствующие пузырьковой структуре мыльной пены.

Как утверждают специалисты фирмы Arup, для создания модели внутренних стальных конструкций здания им понадобилось всего 25 минут. Еще на стадии подготовки к конкурсу фирмой Arup каркасная модель здания в формате DXF была экспортирована из Micro. Station в программу Strand 7. 0 для выполнения первоначальных расчетов конструкций. Благодаря этому, на каждом шаге обсуждения проекта его авторы представляли заказчику не только «концептуальную идею» с необычными формами, но и строгий расчет. Оптимизированная модель и результаты расчетов затем экспортировалась в чертежи для Auto. CAD (формат DWG), чертежи для Micro. Station Tri. Forma (формат DGN), а также в электронные таблицы Microsoft Excel (формат XLS) для хранения данных. Создание рабочей документации и оформление другой относящейся к проекту информации выполнялось с помощью программы Bentley Structure, содержащей обширные библиотеки по стальным конструкциям. Программа давала возможность быстро переделывать модель водного стадиона, внося в нее постоянно возникающие по результатам расчетов или другим причинам изменения, уточнения и коррективы.

Затем, модель из Micro. Station в формат SDNF передали в специализированную программу Tekla Structures, которая выполнила подготовку для последующего изготовления всех деталей на станках с ЧПУ.