Некоторые задачи автоматизации проектирования в строительстве

НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

SOME PROBLEMS OF DESIGN AUTOMATION IN CONSTRUCTION

A.A. Волков, A.B. Беляев, A.E. Давыдов, C.B. Юдин

A.A. Volkov, A.V. Belyaev, A.E. Davydov, S.V. Yudin

МГСУ

В статье рассмотрены некоторые задачи автоматизации проектирования в строительстве, в том числе - новый взгляд на парадигму построения систем автоматизации проектирования зданий и сооружений.

The article discusses some of the problem of CAD-systems in construction, including a new perspective on the paradigm of CAD-systems of buildings and structures.

Системы автоматизации проектирования, применяемые в строительной отрасли, следуют различным принципам и подходам к решению проектных задач. Изначально, автоматизация выполнения графической части проекта сводилась к созданию электронных (компьютерных) аналогов привычных проектировщику чертежных инструментов, а также к созданию специализированных библиотек, содержащих предопи-санные графические элементы - чертежи узлов и деталей конструкций, условные обозначения материалов, типовые составы конструкций и пр. Первой CAD (Computer Aided Design) системой принято считать программу Sketchpad, созданную Айваном Сазерлендом в 1963 году для компьютера TX-2, однако работы в этом направлении велись и до него. Его основной задачей, являющейся несомненной заслугой перед обществом, реализованной в этом проекте, было облегчение взаимодействия Человек-Компьютер, которое показало, что общение и управление компьютерными технологиями доступно не только узконаправленным специалистам и программистам, но и простым пользователям. В дальнейшем Айван Сазерленд продолжил развитие своих идей в области виртуальной реальности. Первые CAD системы использовали простые алгоритмы, чтобы отображать узоры из линий - прежде всего в 2D и лишь затем в 3D. Первые работы в этом направлении были сделаны профессором Чарльзом Истманом из Университета Карнеги-Меллон. Его Building Description System (Система Описания Здания) представляла из себя библиотеку из нескольких сотен тысяч архитектурных элементов, которые могли быть вызваны и начерчены на экране в законченную дизайнерскую концепцию.

Одновременно с этим велась разработка приложений для автоматизации конструкторских и инженерных расчетов. Можно утверждать, что первым представителем систем автоматизированных расчетов являлся компьютер Z1, созданный немецким инженером-строителем Конрадом Цузе в 1938 году для решения расчетных задач проектирования мостов.

На сегодняшний день графические приложения можно разделить на три класса: I. 2Б-приложения.

II. 3Б-приложения.

III. Объектно-ориентированные 2D/3D приложения.

2В-приложения - все еще остаются наиболее распространенными, т.к. позволяют проектировщику сразу начать чертить требуемый чертеж, так, как если бы он делал это на листе бумаги с использованием инструментов ручного черчения - карандаша, циркуля, линейки, лекал и пр. Вместе с тем, их использование в процессе комплексного проектирования оказывается тем более неэффективным и подверженным ошибкам, чем больше специалистов вовлечено в проект и чем больше разделов требуется запроектировать. Обусловлено это тем, что фактически все чертежи состоят из 2D примитивов - линий, кривых, штриховок и пр. и лишь отображают проекции элементов здания и деталей узлов, не связанные между собой. Таким образом, любое изменение в одной проекции или чертеже требует контроля, проверки и исправления другого документа, в котором содержится полная или частичная графическая информация об измененном объекте. Кроме того, здесь исключается возможность автоматизированного расчета объемов строительства и потребности в ресурсах, а также контроль коллизий между объектами.

SD-приложения - оперируют трехмерными (объемными) геометрическими телами и дают возможность воссоздать объемную модель всего проектируемого сооружения или его части. Наличие дополнительных функций моделирования и редактирования позволяют деформировать тела и совершать над ними булевы операции, в частности вычитать одно тело из другого. В тоже время, отсутствие аналогов инструментам ручного черчения делает их неприспособленными к созданию рабочих чертежей. Также как и в приложениях первой группы, здесь отсутствует возможность автоматизации количественных расчетов и анализа коллизий.

Объектно-ориентированные 2D/SD приложения - работают с объектами, имеющими как минимум два типа представления: 2D (плоское) - для плана и 3D (объемное) - для пространства. Результирующая информационная модель здания (Building Information Model, BIM) содержит в себе дополнительную атрибутивную информацию, в силу своей ориентированности на использование объектов - строительных изделий, конструкций и технологий. Например, объекты могут содержать в себе такую информацию как - тип материала, вид работ, артикул, стоимость и пр. Кроме того, в них заложены законы взаимодействия или приоритеты, которые определяют влияние объектов друг на друга - например, вычитание объема из стены при вставке в него проема или колонны с более высоким приоритетом (пример - железобетонная несущая колонна внутри кирпичной стены). В объектно-ориентированных приложениях проекции элементов автоматически генерируются из исходной модели, а разрезы/сечения и планы автоматически отображают условное изображение материалов конструкций. Бла-

годаря взаимосвязи между проекциями и моделью, изменения, вносимые в модель в процессе проектирования, автоматически учитываются во всех связанных с ней проекциях и наоборот - изменение в какой-либо проекции влияет на модель. Еще одним преимуществом является возможность автоматизированного расчета объемов и получение различных ведомостей и спецификаций.

В последнее время появились приложения, оперирующие дополнительными параметрами, такими как Время и Стоимость, что дало начало объектно-ориентированным системам 4Б и 5Б проектирования, соответственно.

Все больше и больше руководителей проектных и строительных предприятий приходят к заключению о необходимости организации взаимосвязей между проектными предприятиями, строительными организациями и поставщиками/разработчиками строительных технологий и материалов. Особенно это становится актуальным в условиях создания профессиональных ассоциаций и объединений. Очевидно, что развитие взаимоотношений в этом направлении должно также привести к смене существующей парадигмы систем автоматизации проектирования (САПР), так как традиционный подход к организации автоматизированного проектирования уже не способен удовлетворить развивающиеся потребности в автоматизации взаимодействия компаний вовлеченных в совместные проекты. Новая парадигма содержит в себе следующие положения, которым должна удовлетворять САПР в строительстве:

1. Интегрированная среда проектирования - организация работы специалистов разных разделов в единой информационной среде и обеспечение беспрепятственного движения информационных потоков между подсистемами САПР: архитектурной, конструкторской, расчетной, инженерной и пр.

2. Ориентация на объектно-технологическое проектирование - наличие каталогов строительных изделий и материалов привязанных к конкретным производителям и поставщикам; содержание актуальной информации по составу работ, расценкам, сроку службы и прочим параметрам используемых материалов и конструкций, а также учет технологических особенностей монтажа конструкций и условий эксплуатации строительного объекта.

3. Открытость для интеграции с внешними системами - обеспечение приема данных необходимых для начала проектирования, а также передачи данных в автоматизированные системы управления (АСУ) производственных предприятий, системы бухгалтерского учета и календарного планирования, а также системы эксплуатации и управления зданиями.

Современные тенденции развития САПР складываются на основе потребностей диктуемых рынком проектных работ и необходимым взаимодействием между компаниями вовлеченными в жизненный цикл здания. Ориентация САПР на объектно-технологическое проектирование позволяет закладывать в проект конкретные материалы и технологии, разрабатываемые и выпускаемые конкретными производителями и поставщиками, использовать актуальные цены и ориентироваться на фактические сроки поставок, а также учитывать условия эксплуатации и срок службы материалов, конструкций и оборудования. Перечисленная информация закладывается в элементы и конструкции, используемые в здании, что дает возможность проводить экономический

и технический анализ целесообразности применения того или иного материала или конструкции и находить наиболее оптимальное решение на ранних этапах проектирования.

Использование объектно-ориентированных приложений ускоряет и процесс выполнения чертежей, так как:

— планы формируются автоматически с созданием объемной модели;

— проекции и разрезы/сечения генерируются автоматически из модели;

— исходная модель и полученные из нее проекции взаимно влияют друг на друга.

В условиях многократного внесения изменений и поправок, в ходе проектирования, возможность автоматического контроля и изменения связных документов существенно сокращает сроки проектирования и повышает качество документации. Использование единой информационной среды описывающей объект строительства также повышает скорость и качество проектных процессов, т.к. проектировщики оперируют взаимосвязанными данными и имеют преимущество в возможности заимствования ранее разработанных разделов проекта для проектирования последующих. Кроме того, это способствует и улучшению взаимосвязей проектных предприятий с заказчиками, производственными предприятиями и строительными организациями.

Образование в начале XXI века году проекта buildingSmart было связано с развитием технологий в области реализации совместных проектов, проводимых с вовлечением в них разработчиков программных средств и производителей строительных материалов и конструкций, а также компаний-подрядчиков по строительным работам. Начало этим разработкам было положено IAI (International Alliance for Interoperability -Международный Альянс по Интероперабельности, образованный в 1994 году в области строительства) и связанной с ним программой STEP (Standard for Exchange of Product data - Стандарт для Обмена Данными Продукта, начатой в середине 80-х годов в авиационной, автомобильной, судостроительной и других отраслях промышленности), которые идут уже на протяжении 20 лет.

Сегодня, управление проектами и объектами, как и качество услуг и работ, в строительной отрасли опираются на возможность получения и управления информацией и ее емкость. Скорость строительства и предсказуемость конечного результата были значительно развиты благодаря принятием и внедрением философии Информационной Модели Здания (Building Information Models - сокр. BIM) и распространением ее данных через открытый протокол IFC (Industry Foundation Classes или Information for Construction).

Государственные структуры быстро оценили преимущества использования BIM, что было обусловлено рядом открывшихся возможностей, а именно:

— использование для поддержки систем автоматического считывания штрих кодов;

— уверенность, что строительство соответствует санитарно-техническим нормам, нормам охраны окружающей среды и потреблению электроэнергии;

— точная информация об основных фондах и инженерно-технических системах здания доступна для всех государственных служб - эксплуатации, технического обслуживания, финансовых и стратегического планирования.

Ведущие разработчики программного обеспечения в строительстве, такие как Nemetschek (Allplan), Graphisoft (ArchiCAD), Bentley (Microstation Triforma), Autodesk (ADT, а в последствии и Revit) увидели свои преимущества в поддержке BIM и в настоящий момент имеют сертификат соответствия стандарту IFC, что в свою очередь открывает возможность обмена данными между различными государственными и частными проектными и управляющими структурами. Множество других специализированных приложений таких как, например, конструкторских, сметных, расчетных, управления недвижимостью и географические информационные системы (ГИС), могут служить дополнением к вышеперечисленным САПР.

Основной задачей проекта является решение вопроса унификации данных, созданных в различных приложениях. Стандартизация классов элементов, используемых в структуре здания, позволяет беспрепятственно передавать объектную информацию -тип элемента, материал, наименование элемента и пр. Переходя от приложения к приложению цифровая модель строительного объекта постепенно наполняется информацией, сохраняя при этом данные внесенные на предыдущих этапах.

Уже летом 2005 года, в Осло, для демонстрации возможностей IFC, связанных с передачей данных, 15 разработчиков программных средств в строительстве объединили свои компьютеры в единую сеть и продемонстрировали на практике движение виртуальной модели по разделам проекта, от проектных задач к эксплуатационным доказав жизнеспособность и практическую значимость проекта buildingSmart [1-5].

Литература

1. Давыдов А.Е. Организационное проектирование информационно-функциональных потоков проектного предприятия - дисс. канд. техн. наук. - М.: МГСУ. - 2006.

2. Волков A.A. Удаленный доступ к проектной документации на основе современных телекоммуникационных технологий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2000. - № 4. - с. 23.

3. Волков A.A. Информационное обеспечение в рамках концепции интеллектуального жилища // Жилищное строительство. - 2001. - №8. - с. 4-5.

4. Volkov, A., 2010. General information models of intelligent building control systems. In Computing in Civil and Building Engineering, Proceedings of the International Conference, W. TIZANI (Editor), 30 June-2 July, Nottingham, UK, Nottingham University Press, Paper 43, p. 85, ISBN 978-1-907284-60-1.

5. Перспективные постановки задач строительных систем автоматизации проектирования / A.A. Волков, В.П. Игнатов, Е.В. Игнатова, Р.Ф. Вагапов // Сборник докладов XIX польско-российско-словацкого семинара "Теоретические основы строительства". - Москва: АСВ, 2010. -с. 397-402.

Literature

1. Davydov A.E. Organizational design information and functional in the current design of the enterprise - Diss. Cand. Tekhn. Science. - M.: MSUCE. - 2006.

2. Volkov A.A. Remote access to project documents on the basis of the modern ones-lekommunikatsionnyh Technology / Building Materials, Equipment, Technologies of the XXI century. - 2000. - № 4. - S. 23.

3. Volkov A.A. Information provision in the concept of intellectual Ms-lischa / Housing. - 2001. -№ 8. - S. 4-5.

4. Volkov A., 2010. General information models of intelligent building control systems. In Computing in Civil and Building Engineering, Proceedings of the International Conference, W. TIZANI (Editor), 30 June-2 July, Nottingham, UK, Nottingham University Press, Paper 43, p. 1985, ISBN 978-1-907284-60-1.

5. Prospective tasking of building automation systems designing the transformation / A.A. Volkov, V.P. Ignatov, E.V. Ignatova, R.F. Vagapov // Proceedings of the XIX Paul velocity of the Russian-Slovak Seminar "Theoretical Foundations of construction" - London: ASV, 2010. - S. 397402.

Ключевые слова: САПР, строительство, система, проектирование, моделирование, информационная модель, программное обеспечение.

Keywords: CAD, construction, system design, modeling, information model, software.

E-mail автора: volkov@mgsu.ru

Рецензент: д.т.н., проф. Григорьев Э.П.