Информационное обеспечение системы архитектурно-строительного проектирования на основе эллипсоидных оболочек
Введение
Свою преддипломную практику я проходил в
Нижегородском Архитектурно-Строительном университете. Это многопрофильное
учебное заведение, которое готовит специалистов высшего звена в области
архитектуры и строительства, экономики и права, а также информационных
технологий и менеджмента. Оно является государственным образовательным
учреждением высшего профессионального образования, реализующим основные
профессиональные образовательные программы высшего образования в соответствии с
лицензией на право ведения образовательной деятельности.
Кафедра «Информационных систем и технологий»
поставила передо мной задачу: создание библиотечного элемента для графического
программного пакета ArchiCAD, необходимого для проектирования зданий, на основе
разбивки поверхности эллипсоида вращения, при использовании данного САПР.
Разработка проекта будет проводиться с
использованием встроенного в САПР параметрического языка программирования -
GDL-script.
1. Общие
сведения
Цилиндрический свод-оболочка - безраспорная конструкция,
работающая на поперечный изгиб как балка пространственной формы, свод -
распорная конструкция, работающая преимущественно на осевые усилия. Для
обеспечения последнего условия кривая свода принимается пологой, в то время как
для повышения жесткости свода - оболочки целесообразна большая кривизна формы,
наконец, продольная ось длинного цилиндрического свода-оболочки размещается
параллельно перекрываемому пролету, а продольная ось свода - перпендикулярно
ему. Стабильность формы цилиндрической оболочки обеспечивается торцовыми
диафрагмами жесткости. Статическая работа, геометрическая форма и размещение в
пространстве цилиндрического свода-оболочки существенно отличаются от работы
свода.
Оболочки представляют собой тонкостенные жесткие
конструкции с криволинейной поверхностью. Толщина оболочек весьма мала по
сравнению с другими ее размерами. Тонкостенность конструкции исключает
возможность работы оболочки на поперечный изгиб и обеспечивает ее работу на
осевые усилия.
Геометрические и статические свойства оболочек
зависят от их кривизны и ее непрерывности. Знак кривизны зависит от
расположения центров радиусов кривизны по отношению к поверхности. При
расположении центров по одну ее сторону имеет положительное значение, по обе
стороны - отрицательное (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - Оболочки положительной,
отрицательной и двоякой кривизны
Для перекрытия круглых в плане помещений наряду
с гладкими оболочками применяются ребристые, складчатые или волнистые своды и
купола.
К оболочкам положительной гауссовой кривизны
относятся все купольные оболочки (сфероид или эллипсоид вращения и т.п.),
оболочки переноса (бочарные своды) и т.п. Характерным примером поверхности
отрицательной кривизны является гиперболический параболоид, формируемый
перемещением параболы с ветвями вверх по параболе ветвями вниз
Если поверхность оболочки в одном из направлений
имеет конечную величину кривизны, а в перпендикулярном ему - нулевую, то ее
называют оболочкой одинарной кривизны (цилиндрическая и коническая оболочка -
коноид).
Оболочки являются пространственными
конструкциями как по форме, так и по существу статической работы. Их большая по
сравнению с плоскостными конструкциями несущая способность определяется не
дополнительным расходом материалов, а только изменением формы конструкции,
способствующей повышению её жесткости.
Рисунок 1.2 - Тонкостенные оболочки двоякой
кривизны
1.1 Многоволновые оболочки
Волнистые своды и купола представляют собой
варианты оболочек, гладкая поверхность которых заменена волнистой. Применение
волнистой поверхности может быть вызвано статическими (устройство
светопрозрачных включений по боковой поверхности волн или в их торцах) или
композиционными требованиями. Наибольший пролет (206 м) перекрытия такими
конструкциями достигнут в здании Дворца выставок в Париже (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 - Здание Дворца выставок в Париже
Оригинальные многоволновые оболочки предложены в
Нижегородском архитектурно-строительном институте студентами-дипломниками
Коровиным и Дёминым М.В. в 2007 году под руководством профессора, д.т.н.
Павлова Г.Н. (рисунки 1.4 и 1.5).
Рисунок 1.4 - Многоволновая оболочка положительной
кривизны
Рисунок 1.5 - Многоволновая оболочка двоякой
кривизны
1.2 Геодезические оболочки
Во второй половине ХХ века и в XXI столетии
большое распространение получили сферические геодезические оболочки, геометрической
основой которых являются параметры правильных многогранников, в основном
додекаэдра и икосаэдра. Равносторонние грани многогранников проецировались на
сферу и затем получившиеся равносторонние сферические треугольники расчленялись
на мелкие треугольники. Из этих треугольников путём группировки составлялись
трёхгранные или шестигранные пирамиды, в результате чего поверхность купола
получала характерный многогранный вид (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6
1.3 Жилые дома на основе
малопролётных оболочек
В настоящее время интерес представляют попытки
инженеров и архитекторов применять для строительства зданий малопролётные
оболочки. Так в США есть много примеров проектирования и строительства жилых
домов на основе малоролётных геодезических куполов (рис. 1.7).
Рисунок 1.7 - Американский опыт строительства
куполов малого пролёта
Интересными являются попытки ряда архитекторов и
инженеров применять сферические или иные оболочки в виде монолитных конструкций
(рисунок 1.8).
а) б)
Рисунок 1.8 - а) Дома японской фирмы
International Dome House, б) Проект жилого дома, предложенного архитектором В.
Гребневым
В куполах малого пролёта оболочка является
САМОНЕСУЩЕЙ конструкцией, позволяющей достигать высочайшей прочности при
довольно малых затратах материалов и вспомогательных средств. Количество
строительных операций минимальное.
Гармоничная форма пространства, прекрасная
акустика, более выгодные принципы распространения света - требуется меньше
источников освещения; пассивное солнечное отопление, естественная конвекция
воздуха создают ощущение комфорта и обеспечивают как высокую работоспособность,
так и располагают к душевному отдыху.
Особенности интерьера купольной конструкции
позволят несравненно большую свободу планировки, соборные потолки, напоминающие
храмовые, равномерность распределения света, тепла и звука. Купола отличаются
превосходными световыми характеристиками, так как сферические формы имеют
свойство рассеивать свет, в то время как прямоугольные поглощают его. Внутри
купола всегда светлее, чем на улице, даже без внутреннего освещения.
Акустические преимущества включают равномерное распределение звука, отсутствие
резонирующего звука и на 30% меньше проникновение внешних шумов.
Дома на основе монолитных куполов уже несколько
лет строятся в Японии.
2. ArchiCAD
- графический программный пакет САПР для
архитекторов, созданный фирмой Graphisoft. Предназначен для проектирования
архитектурно-строительных конструкций и решений, а также элементов ландшафта,
мебели и т. п.
При работе в пакете используется концепция
виртуального здания. Суть её состоит в том, что проект ArchiCAD представляет
собой выполненную в натуральную величину объёмную модель реального здания,
существующую в памяти компьютера. Для её выполнения проектировщик на начальных
этапах работы с проектом фактически «строит» здание, используя при этом
инструменты, имеющие свои полные аналоги в реальности: стены, перекрытия, окна,
лестницы, разнообразные объекты и т. д. После завершения работ над «виртуальным
зданием», проектировщик получает возможность извлекать разнообразную информацию
о спроектированном объекте: поэтажные планы, фасады, разрезы, экспликации,
спецификации, презентационные материалы и пр. Поддерживает взаимодействие с
различными инженерными программами через формат IFC.
2.1 Библиотечные элементы
Объекты
Параметрические элементы общего назначения.
Различные железобетонные и металлические изделия, мебель, элементы визуализации
(фигуры людей, деревья, автомобили и мн. др.). Особняком стоят объекты, не
имеющие 3D-представления и используемые в основном при оформлении чертежей -
стандартные таблицы, штампы и пр.
Источники света
Элементы дополнительного (помимо солнца)
освещения. Параметры источников света в основном идентичны параметрам объектов.
Отличие заключается в наличии ряда уникальных управляющих элементов
(параметров): выключателя, регулятора цвета светового потока и его яркости.
Окна и двери
Специализированные параметрические элементы для
вставки в стены соответственно окон и дверей. Стандартная библиотека ArchiCAD
включает в себя прямоугольные, треугольные, многоугольные, арочные окна и
двери, а также пустые проёмы разнообразных форм. Возможно устройство окон с
четвертями различного вида. Окна могут быть угловыми. Ниши в стенах и пилястры
в ArchiCAD тоже относятся к этому классу объектов. Особенностью окон и дверей
является их зависимость от стен. Окно или дверь не может существовать вне стены
(в виде отдельного оконного переплета, например).
Световые люки
В основном аналогичны окнам, но размещаются не в
стенах, а в крышах. При установке автоматически привязываются к поверхности
крыши, воспринимают её уклон и создают проём в крыше.
Концы стен
Специальные параметрические объекты. Представляют
собой разнообразные утолщения, скосы и скругления торцов стен.
Лестницы
Объекты, представляющие собой аналог реальных
лестниц. Параметры полностью аналогичны параметрам объектов, однако в связи с
особой важностью данных элементов выделены в отдельный инструмент. Возможно
создание новых типов лестниц в программе StairMAKER, поставляемой с ArchiCAD и
интегрированной в программу. Доступны прямолинейные, криволинейные, винтовые
лестницы, а также пандусы.
Достоинства и недостатки
Основным преимуществом программы является
естественная взаимосвязь между всеми частями проекта. Технология «виртуального
здания» (BIM, ЦМО) позволяет работать не с отдельными, физически никак не
связанными между собой чертежами, а со всем проектом в целом. Любые изменения
сделанные, например, на плане здания, автоматически отобразятся (перестроятся,
перерассчитаются) на разрезах, видах, в спецификациях, экспликациях и пр. Такой
подход обеспечивает значительное сокращение времени проектирования. Кроме того,
при правильной работе с виртуальным зданием, гарантировано обнаружение и
устранения большинства проблем, которые обязательно проявились бы на более
поздних этапах проектирования или, что ещё хуже, уже на строительной площадке.
Благодаря большому количеству настроек
стандартных инструментов, объекты настраиваются в соответствии с пожеланиями
пользователя.позволяет работать над одним проектом группе архитекторов.
Развитая система групповой работы (teamwork) также сокращает время
проектирования и способствует недопущению несоответствий в частях проекта,
разрабатываемых разными архитекторами. В 13-й версии программы была
представлена революционная технология Teamwork 2.0, обеспечивающая
непревзойдённую гибкость и целостность командной работы.
Недостатком программы можно считать ограниченные
возможности по созданию объектов со сложной, нестандартной геометрией
(например, поверхности NURBS, скульптурное моделирование), что зачастую не
позволяет проектировщику стандартными средствами реализовать все свои идеи в
полной мере.
2.2 GDL-script
- это параметрический язык программирования,
подобный языку BASIC. С его помощью описываются объемные 3D-тела, например,
двери, окна, мебель, и 2D-символы, представляющие эти объекты на плане этажа.
Эти объекты называются библиотечными элементами.
Любой написанный на языке GDL библиотечный
элемент имеет скрипты, которые представляют собой перечень команд GDL, с
помощью который строятся 3D-фигуры и 2D-символы. Библиотечные элементы также
имеют описательную информацию для проведения количественных расчетов в
ArchiCAD.
Выполнение команд основного скрипта предшествует
выполнению любого из скриптов.
D-скрипт - содержит параметрическое описание
2D-чертежа. Получить доступ к бинарным 2D-данным библиотечного элемента
(содержимое окна 2D-символа) можно с помощью команды FRAGMENT2. Если 2D-скрипт
отсутствует, то бинарные 2D-данные используются для воспроизведения
библиотечного элемента на плане этажа.
D-скрипт - содержит параметрическое описание
3D-модели. Работа с бинарными 3D-данными (которые генерируются при выполнении
операций импорта или экспорта) возможна посредством использования команды
BINARY.
Скрипт спецификаций - содержит компоненты и
описания, используемые в сметах элементов, компонент и зон. Описание бинарных
данных спецификаций приводится в разделах Компоненты и Дескрипторы общего
описания библиотечного элемента, а обращение к ним производится по команде
BINARYPROP. Если скрипт спецификаций и основной скрипт отсутствуют, то в
процессе построения списка смет используются бинарные данные спецификаций.
Скрипт интерфейса пользователя - позволяет
пользователям определять страницы, посредством которых можно будет вводить и
редактировать значения параметров библиотечного элемента вместо использования
обычного списка параметров.
В скрипте параметров - для любого из параметров
библиотечного элемента можно определить список возможных значений. Параметр,
установленный в разделе параметров, используется в качестве значения по
умолчанию при размещении библиотечного элемента на плане этажа.
Рисунок образца - воспроизводится в диалоговом
окне установки параметров библиотечного элемента при просмотре активной
библиотеки. Обращение к этому образцу производится из 2D- и 3D-скриптов по
командам PICTURE и PICTURE2. В разделе комментариев библиотечного элемента
может храниться относящаяся к нему произвольная текстовая информация. ArchiCAD
и ArchiFM имеют свою среду написания GDL-скриптов, которая позволяет создавать
скрипты, проверять их синтаксис и осуществлять визуализация описываемых
объектов.
2.3 Простые фигуры
Простые фигуры GDL являются теми геометрическими
элементами, на основе которых строятся сложные библиотечные объекты. Они
являются основными строительными кирпичиками GDL.