Параметрическое проектирование

 

В 1978 году была впервые создана система, позволяющая определять геометрические соотношения между координатами точек формы[234]. В 1981 году Д. Госсард, Р. Ляйт, и В. Лин[235][236] создали основу для вариационного проектирования. Дальнейшее развитие предполагало интерактивность этих систем. Эта проблема рассматривалась многими исследователями. Итоги этим исследованиям подвел Д. Роллер[237], назвав два направления моделирования[238].

Методы первого стали составной частью большинства программ CAD[239].

Второе направление появилось во второй половине 80-х годов XX века. Изучением этих направлений посвящены работы Б. Брудерлин[240], Б. Альдефельд[241] и А. Вероуст[242]. Впервые было предложено рассматривать модель как форму, описанную рядом аргументов, относящихся к геометрическим объектам, и соотношениям между ними. Для этого они использовали логические утверждения и соответствующие им правила формообразования[243].

Параллельно развивался метод параметрического проектирования, основанный на моделировании свойств формы. Свойства формы определяются в зависимости от контекста[244]. Эти свойства могут принадлежать к двум семействам: геометрическому [245] или процедурному [246].

Такой подход к параметрическому моделированию позволяет проектировщику создать основную модель путем точного описания вида ее компонентов и определения параметров формы, т.е. определения соотношений между отдельными ее свойствами. В результате получаем модель, которая является не просто множеством точек в пространстве, а объемной формой, вполне соответствующей проектной идее автора. В отличие от традиционной компьютерной модели, которая является только отображением конструкции, параметрическая модель – это полное моделирование реальной формы[247].

Программы параметрического моделирования разрешают моделировать формы очень сложного очертания. Это не было возможным не только в случае традиционного «ручного», но и объемного компьютерного моделирования, описанного в предыдущем разделе. Параметрическое моделирование, предлагая новый способ работы с проектом, является неоценимым средством проектирования[248].

Универсальным вариантом для данного этапа АП, предлагаемым компанией Autodesk – является Revit. Данный продукт объединяет в себе возможности архитектурного проектирования, проектирования инженерных систем и строительства конструкций, а также моделирования строительства[249].

Дополнительным ПО могут быть: BOCAD, Microstation, CATIA Digital Project, Digital Project, ArchiCAD, VectorWorks, Allplan, Tekla BIMsight, VICO Office. Они также дублируют Revit и на этапах: генплана, конструкций, инженерных сетей и экономической части проекта.

 

2.2.4 Генплан, инфраструктура, благоустройство территории

 

Универсальным вариантом для данного этапа АП, предлагаемым компанией Autodesk – является AutoCAD Civil 3D[250], AutoCAD Map 3D[251], AutoCAD Utility Design[252], InfaWorks[253].

Хотя данный этап может начинаться еще в Autodesk Revit. С помощью инструментов «топоповерхность». Также возможен экспорт и импорт файлов в вышеперечисленные программы и доработка.

 

 

Конструкции

 

Универсальным вариантом для данного этапа АП, предлагаемым компанией Autodesk – является Revit. Возможно построение аналитической модели структуры здания и конструкций, управление данной моделью; производство расчетов строительных конструкций; работа с армированием конструкций; настройка материалов и прочее.

 

Инженерные сети, оборудование

 

Универсальным вариантом для данного этапа АП, предлагаемым компанией Autodesk – является Revit. Возможна работа с инженерными системами, с компонентами трубопроводных и электрических систем, с воздуховодами и прочим оборудованием.

 

Экономика архитектурного проектирования

 

Универсальным вариантом для данного этапа АП, предлагаемым компанией Autodesk – является экономический блок в Revit. Связь с Microsoft Excel. Возможно ведение спецификаций, экспликаций; ведется учет нагрузок, разнообразия материалов; производится постоянное обновление документов параллельно с внесением изменений в информационную модель объекта.

 

Визуализация, рендеринг

Один из важнейших этапов АП – создание рендерингов объекта в среде для представления клиенту будущего здания. В процессе моделирования и рендеринга на основе подготовленной модели автоматически создаются перспективные изображения объекта. Проектировщик определяет наилучшие точки восприятия, настраивает освещение и окружение. Важным аспектом технологии визуализации, является то, что ее можно применять на любой стадии проектирования и создавать эскизные перспективы и анимации, что позволяет проверять возникающие по ходу проектирования варианты.

Фотореалистические визуализации и анимации. В процессе проектирования архитектор применяет два типа изображений: символические [254] и иконические [255].

Компьютерные архитектурные визуализации являются реализацией проекта в виртуальном (цифровом) мире. С их помощью можно увидеть проектируемый объект с любой точки восприятия, соответствующей реальной точке в реальном мире.

В настоящее время представление проектируемого здания в виде фотореалистической статической картины или анимации стало классическим способом его визуализации. Большинство современных компьютерных программ CAD предоставляют такую возможность. В них чаще всего применяются четыре метода создания картин, отображающих проектируемый объект:

· Wireframe rendering[256] (рис.)

· Volume rendering[257] (рис.)

· Depth-buffered rendering[258] (рис.)

· Ray-trace rendering[259] (рис.)

Все эти методы отличаются друг от друга степенью реальности представления. Первый метод дает условные и простые изображения, а последний ‑ фотореалистические, с полным моделированием естественного или искусственного освещения.

Развитие технологии компьютерных визуализаций было направлено на достижение максимальной реальности компьютерных изображений. В результате компьютерные пространственные визуализации позволяют увидеть, как будут выглядеть варианты проекта в зависимости от цвета и фактуры поверхностей, как изменение освещения повлияет на восприятие формы, как разместить объект в пространстве, чтобы получить наибольшую выразительность формы. Не менее важной является возможность проверки визуального воздействия объекта на его окружение. Все это позволяет произвести корректировку проектных решений, принятых в процессе проектирования, и проекта в целом, до его утверждения. Важным аспектом применения компьютерных визуализаций в рыночной экономической системе является то, что они помогают убедить заказчика в правильности принятых проектных решений.

Создание изображений включает следующие этапы:

· Подготовка каркасной геометрической модели[260].

· Выбор соответствующих материалов (цвета и текстуры) для отдельных элементов объекта.

· Определение освещения таким образом, чтобы получить максимальное сходство с реальными условиями.

· Последним этапом является доработка изображения в графических редакторах.

Не фотореалистические визуализации. Подготовка визуализации основывается не на простом оптическом отображении представляемого предмета, а на представлении его качеств, создании эквивалента того, что было в нем замечено. Визуализация, основанная на принципе оптической проекции реальных предметов, далеко не всегда позволяет лучше понять представляемые формы. То как будет выглядеть, и что будет напоминать образ предмета, зависит от критериев, принятых архитектором, и от назначения картины, так как восприятие основывается не на представлении подлинной картины действительности, а на улавливании общих структурных характеристик[261].

Вышесказанное обусловливает новую тенденцию в области архитектурных визуализаций, которая основывается на, так называемых, «не фотореалистических рендерингах». Эту тенденцию уже в 1987 году уместно заметил Д. Борстин. Он писал, что мы живем в мире, где иллюзии более реальны, чем реальность. Он описывал, как обманчивое и неаутентичное вытесняет натуральное, правдивое и спонтанное. В результате, реальность и жизнь становятся формой искусства или спектакля подобно телевидению, фильму или радио. Возникает вопрос о связи между реальностью и ее представлением[262].

Согласно Ж. Бодрийяру – «чистая» реальность, если вообще она существует, является вопросом без ответа[263]. Это является поводом для утверждения о невозможности достигнуть реализма в компьютерных изображениях. Если так, то следует поставить вопрос – нужна ли «чистая реальность» архитектурных представлений? Вероятным кажется тезис, что нет, так как мы никогда не видим «чистой реальности». Мы интерпретируем ее и добавляем свои эмоции. Так называемые, фотореалистические изображения не в состоянии передать ее.

В проектной практике нескольких последних лет наблюдается отказ от фотореалистических изображений. Это направление получает поддержку со стороны многих фирм, производящих компьютерные программы для визуализаций. Большинство современных программ содержит пакеты для «не фотореалистического рендеринга (визуализации)» (NPR – Non-Photorealistic Rendering). Они делают возможным создание более экспрессивных образов и являются альтернативой реалистических изображений[264].

Все время архитекторы и художники ведут поиск разнородных способов повышения выразительности при одновременном сохранении коммуникационных способностей изображения. Это привело к повышению интереса к «не фотореалистическим рендерингам (визуализациям)», основанным на подражании традиционным способам и инструментам (карандаш, акварель, гравюра, масло и др.).

Все чаще архитекторы пытаются объединять выразительность традиционных средств с эластичностью компьютерной графики. Одним из полезных эффектов такого способа работы является то, что возникают экспрессивные изображения, позволяющие художнику передать настроение и эмоции. Кроме того, многие считают, что не фотореалистические изображения могут передать зрительную информацию намного эффективнее, чем их фотореалистические эквиваленты[265].

В настоящее время существуют два метода создания не фотореалистических изображений. Первый[266] – это метод, основанный на модификации реалистического изображения, а второй[267] – на создании пространственной модели, а затем ее вычислении с помощью алгоритма нахождения границ формы[268].

Универсальным вариантом для данного этапа АП, предлагаемым компанией Autodesk – является программы рендеринга mental ray[269], iray[270] и Showcase[271], в связке с программой постобработки Adobe Photoshop.

Дополнительным ПО могут быть программы рендеринга: V-ray[272], RenderMan[273], finalRender[274], Brazil R/S[275], Turtle, Maxwell Render[276], Fryrender[277], Indigo Renderer[278], LuxRender[279], Kerkythea[280], YafaRay[281].

 

Мультимедиа, анимация

 

В конце XX века Б. Дзеви говорил, что реальность предмета не исчерпывается его тремя измерениями, которые определяются перспективой. Для того чтобы воспринять объект, нужно бесконечное множество перспектив с бесконечного множества точек зрения. Следовательно, помимо традиционных трех измерений имеется еще какой-то элемент. Этим элементом очевидно является последовательность во времени очередных образов. Время является четвертым архитектурным измерением. Человек, перемещаясь в пространстве и изучая его с разных точек зрения, реализует это измерение и придает пространству его целостную реальность.

Фотография или перспектива фиксирует пространство статически и исключает динамическую, почти музыкальную, последовательность точек зрения, с которых воспринимает здание наблюдатель, когда обходит его снаружи и изнутри[282].

Необходимость динамического анализа архитектурной формы определяется тем, что традиционные визуализации не всегда соответствуют потребностям, так как представляют пространство статически. Применение анимации как средства представления делает возможным анализ городского ландшафта не только с заданных точек восприятия, но и в движении.

Другой аспект полезности анимационной техники в представлении заказчику проекта содержится в высказывании О'Маллея, основателя Kinetic Design, фирмы, в которой была создана известная программа для компьютерного моделирования – 3D Studio Мах: «Не каждый может прочитать план здания, но все умеют смотреть телевидение»[283].

Восприятие объекта становится динамичным в случае применения техники компьютерной анимации. Проект может быть представлен в виде интерактивной мультимедийной презентации, то есть технологии, позволяющей с помощью компьютера интегрировать, обрабатывать и синхронно воспроизводить различные типы изображений и звука, различные среды, средства и способы обмена информацией[284].

Эффективность обработки информации человеком определяется способом ее восприятия. Исследования показывают, что люди сохраняют только 20% того, что они слышат, 40% того, что видят и слышат, и 75% того, что они видят, слышат и делают[285]. В связи с этим уже в начале 70-х годов прошлого века наблюдается возникновение методов, нацеленных на повышение степени усвоения информации человеком – особенно в учебном процессе. Создаются пакеты, содержащие разнородные источники информации, такие как учебники, руководства преподавателей, диафильмы, магнитные ленты и слайды. Проблемой являлось то, что эти составные элементы не были интегрированы и скорее могли рассматриваться как множество средств (many media), чем комплексная система информации. Их объединение оказалось нерешаемой задачей.

Лишь в 90-х годах интеграция средств презентации становится возможной и получает серьезную поддержку со стороны компьютерных технологий. Мультимедиа рассматриваются как класс компьютерных интерактивных систем коммуникации, которые создают, хранят, передают текстовые, графические, аудио информации. Входящие в состав этого определения элементы: компьютер, графические символы и сети, обеспечивают развитие новой и мощной технологии[286].

Важным событием на пути развития мультимедиа была проходившая в 1995 году в Палермо конференция «Multimedia and Architectural Disciplines».

Участники конференции обратили внимание на три, разного типа сложности, средства передачи информации:

· Медиа: рисунки, фотографии, тексты, слайды, видео, компьютерная графика и анимации, аудио (музыка и разговорная речь), и т.д.

· Мультимедиа: объединение широкого диапазона отдельных носителей информации в одну цифровую среду.

· Гиперсреда (hyper-media): интегрированное представление, основанное на интерактивном объединении мультимедиа[287].

На конференции было представлено большое количество докладов, охватывающих практически все области применения мультимедийной технологии в архитектурном проектировании. Главные области использования мультимедиа это: презентация архитектурных проектов, градостроительное проектирование и геоинформационные системы, объяснение технических проблем, виртуальные музеи и презентация наследия в виде виртуальных моделей, коллективное проектирование с использованием Интернета, управление и контроль городской среды.

Главные элементы системы мультимедиа это:

· Текст – основа большинства систем. Он выполняет структурирующую и пояснительную роль. Можно использовать текст разного стиля, шрифта и цвета для акцентирования определенных аспектов информации.

· Изображения – графические отображения информации (эскизы, чертежи, фотографии, визуализации) это главный элемент системы, так как наблюдение изображения воздействует больше, чем чтение о нем.

· Фильмы – позволяют передать информацию, которая обычно находится вне возможностей реального восприятия. Это чаще всего видео фильмы, представляющие место строительства или нахождения данного объекта.

· Анимации и виртуальные модели – создают возможность динамического восприятия объекта и среды.

· Звук – включает звуковые эффекты или окружающий звук. В зависимости от вида, он используется для того, чтобы подчеркнуть особо важные элементы или для усиления реальности восприятия.

· Инструменты управления – включают как структуру базы данных, так и интерфейс пользователя.

Все перечисленные выше элементы объединены в целостную систему. Внедрение мультимедиа позволило совершить переход к новой информационной технологии создания, сбора, хранения и использования архитектурной информации. Роль мультимедиа в этом процессе следует рассматривать в двух аспектах: воздействие и доступ. Воздействие связано с видом информационных материалов (начиная с традиционных эскизов и физических моделей и кончая высококачественными визуализациями, анимациями и виртуальными мирами).

Доступ – относится, во-первых, к способу хранения информации, а во-вторых, к процессу ее презентации пользователю. Доступ определяет эффективность работы с мультимедийной информационной базой[288].

В традиционном процессе презентации проектного решения проектировщик собирает все рисунки и затем проводит заказчика через здание, используя для этого отдельные рисунки или их части. Презентация имеет детерминированный линейный характер, и сценарий рассказа не подлежит изменениям. Сообщение передается одностороннее и пользователь не может оценивать информацию на своей собственной скорости.

Использование мультимедиа позволяет отойти от линейности презентации, так как пользователь нуждается в свободе управления последовательностью, в которой он знакомится с информацией. Для реализации этой цели проектировщик собирает проектную информацию, которую он хочет представить. В результате возникает своего рода база данных. Она должна иметь логическую структуру. Следующим шагом является разработка механизма работы с этой базой ‑ интерфейса пользователя, обеспечивающего правильное понятие проекта. Навигация в мультимедийной системе должна быть максимально проста и натуральна. Пользователь не должен напрасно тратить время и усилия на пути к требуемой информации. Программа должна быть оперативно прозрачной.

В результате сценарий презентации практически не существует, так как невозможно предвидеть очередность рассмотрения отдельных элементов. Пользователь может сам управлять потоком данных и следовать уникально «личным» путем через информацию. Это динамическое взаимодействие позволяет пользователю чувствовать, что информация передается с собственной скоростью и с учетом обратной связи.

В настоящее время технология мультимедиа является чрезвычайно популярной, так как быстрое развитие компьютерной техники позволяет относительно эффективно и дешево разрабатывать презентации проекта, охватывающие все его аспекты, как эстетические, так технические. Мультимедиа даёт возможность моделировать среду, разрешая пользователю чувствовать, что он находится внутри нее. Действия пользователя вычисляются в реальном времени и позволяют воспринимать среду аналогично естественной.

Универсальным вариантом для данного этапа АП, предлагаемым компанией Autodesk – является 3ds Max Design и Revit. В программах присутствуют возможности анимации объекта, как целиком так и с отдельными его частями.

 

Интерактивная модель

 

В архитектурном проектировании значение имеют не только объективные свойства физического пространства, но и закономерности его отражения нашим сознанием. Архитектурное пространство целеустремленно приспосабливается не только к человеческим потребностям, но и к свойствам восприятия, как бы соединяя физическое пространство с его моделью в сознании. Для восприятия проектируемого пространства необходим «посредник» – проект, на основе которого это пространство возникнет.

Архитектурный проект описывает будущий объект точно и ясно.

«Проектное решение – это передача идеи. Это путь, по которому идея передается. Акт коммуникации, его натура, стиль и все проблемы, сопутствующие этому акту, тесно связаны с проектом. Проектное решение принимается архитектором соответственно свойственному только ему творческому акту коммуникации. Искусство коммуникации неотделимо от проектирования»[289].

В реальном мире люди получают и распространяют информацию в трехмерном пространстве. Коммуникация, основанная на разговорном общении или жестах в трехмерном пространстве, поставляет большое количество информации. В то время как традиционные графические методы коммуникации основываются на искусстве иллюстрации, виртуальный мир позволяет пользователю получать информацию от имитации трехмерного пространства, которое будет существовать в реальном мире после завершения этапа строительства.

Со временем появилась необходимость обеспечить реальное восприятие проектируемых объектов. В связи с этим возникла потребность разработки метода, который позволит моделировать реальное пространство внутри компьютерного мира. Для этого был создан язык конструирования виртуальной реальности – Virtual Reality Modeling Language (VRML).

Язык VRML позволяет представлять статические и анимированные объекты и трёхмерные сцены и на их основе создавать интерактивные пространства анимации для путешествия в виртуальных мирах. VRML был задуман весной 1994 года на первой конференции WWW в Женеве. Во время сессии, посвященной проблеме интерфейса для виртуальных пространств, было представлено несколько проектов средств построения трехмерной графической визуализации для «хождения» по Интернету. Участники дискуссии решили разработать общий язык для описания пространственных сцен и прикрепления к ним гиперссылок, подобно языку HTML, описывающему двумерное цифровое пространство.

О потребности создания аналога HTML для виртуального мира свидетельствует то, что когда после конференции в Интернете было объявлено приглашение всем заинтересованным лицам принять участие в работе над стандартом, то в течение недели список насчитывал более тысячи исследователей. В результате в мае 1995 года при участии фирмы Silicon Graphics была создана первая версия VRML. Летом 1996 г. был принят стандарт VRML 2.0. В настоящее время основные усилия консорциума Veb3D, называвшегося до 1999 г. консорциумом VRML, сосредоточены на разработке следующего поколения языков для трёхмерных изображений – X3D.

Как упоминалось выше, VRML – это язык для описания мультиучаствующих интерактивных моделей – виртуальных миров, доступных через Интернет. С его помощью могут быть определены все аспекты виртуального мира, включая разнородного вида взаимодействия и межсетевые связи. VRML является попыткой активного включения человека в цифровой мир Интернета. Т. Бернерс-Лее, «отец» Интернета, пишет, что VRML – будущее Интернета, потому что для нас более естественно быть «погруженными» в трехмерное пространство, чем перемещаться по нему, щелкая мышью на гиперссылки[290]. Навигация в виртуальной модели архитектурного пространства аналогична реальному методу перемещения и восприятия. Находясь в этом пространстве, мы можем быстро анализировать такие его аспекты, как цвет и текстуры поверхностей, скорость движения, местоположение источников света.

Так как многие из этих процессов проходят подсознательно, можно вести посетителя через пространство и управлять его вниманием, не вынуждая его делать явные выборы. Точно так же, как в реальном мире, посетитель находится в положении главного лица и полностью управляет своим движением, решая, как близко подойдет к объекту, и с какой перспективы будет его рассматривать. Когда мы идем через город, мы озираемся и строим умственную карту места. Если кто-то говорит нам, что мы должны повернуть направо на следующем перекрестке, мы можем визуализировать это и добраться туда, где мы хотим пройти. Все время мы ощущаем непрерывность, и можем видеть, как быстро мы следуем к нашей цели. Иногда мы теряемся, но это – часть нашего опыта – и часто именно так мы обнаруживаем новые места или встречаем новых людей. Наше познание мира основано на принципе проб и ошибок. Посетитель мира VRML свободно выбирает перспективу восприятия, и даже может перемещаться без ограничений через трехмерные сцены, содержание которых ограничено только воображением их создателя.

Построение миров VRML – не дорогостоящее, размер виртуального мира ничем не ограничивается, а объекты, в нем размещаемые, могут игнорировать закон гравитации. Если посетитель проходит через такой мир, он может выбрать любой объект для детального рассмотрения со всех сторон, а в более совершенных системах он может создавать и модифицировать пространственные объекты. В конечном счете, пространства VRML могут стать пространствами проектирования.

Универсальным вариантом для данного этапа АП автор данной работы рассматривает программу Unity 3D[291]. В виду возможности импортировать в программу всех наработок по АП объекта и дальнейшей работой с ним.

 

Системы анализа

 

На практике процесс проектирования всегда должен начинаться с предпроектного анализа. Проведение анализа объекта определяет возникновение основной идеи проекта и влияет на этап эскиза, и ведет к получению необходимых и достаточных материалов для разработки экономически целесообразных и технически обоснованных решений для дальнейшего этапа проектирования объекта. Но так как большая часть анализов проводится в ИС с помощью ИТ уже на основе чертежей, форм объектов и их параметрических моделей, то блок ИС анализов автор диссертации рассматривает последовательно после блока ИС и ИТ графического ввода/вывода информации.

Нужно отметить тот факт, что в системы анализа входят группы ИС, которые помимо первоначального этапа на протяжение всего АП сопровождают процессы АП объекта. Для этого используются программы, которые создают и работают с базами данных в аналитических процедурах, проводимых с помощью ИТ и дополнительной специализированной техники.

Вначале АП проводится анализ рассматриваемого объекта, здания или сооружения. Исследуется ситуация, изучаются природные условия района, территория, пространство, площадка, участок, инфраструктура, в том числе, сети и трассы проектируемого объекта; выявляются закономерности, правила, особенности, характерные для рассматриваемого случая; учитываются процессы, связи, структуры, потоки, массы, имеющие отношения к объекту; в идеале прогнозируются изменения природной среды под воздействием проектируемого объекта и его эксплуатации.

Объединяя различные виды инженерных изысканий, архитектор-проектировщик проводит разносторонний и своевременный анализ, на основе которого и выстраивает все свои дальнейшие действия.