Место информационных систем и технологий в архитектурном проектировании

 

Использование ИС в проектировании началось с автоматизации инженерных расчетов, которые до этого времени выполнялись вручную. Со временем образовался отдельный блок ИС ‑ системы автоматизированного проектирования (САПР), реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования [148], представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности[149][150].

Для перевода САПР на английский язык зачастую используется аббревиатура CAD (англ. computer-aided design)[151][152], подразумевающая использование компьютерных технологий в проектировании. Однако в ГОСТ 15971-90[153] это словосочетание приводится как стандартизированный англоязычный эквивалент термина «автоматизированное проектирование». Понятие CAD не является полным эквивалентом САПР, как организационно-технической системы. Термин САПР на английский язык может также переводиться как CAD system[154][155], automated design system[156], CAE system[157].

В ряде зарубежных источников устанавливается определённая соподчиненность понятий CAD, CAE, CAM[158][159][160][161]. Термин CAE определяется как наиболее общее понятие, включающее любое использование компьютерных технологий в инженерной деятельности, включая CAD и CAM.

Для обозначений всего спектра различных технологий автоматизации с помощью компьютера, в том числе средств САПР, используется термин CAx (англ. computer-aided technologies)[162].

Основная цель создания САПР ‑ повышение эффективности труда инженеров[163].

Разработчики ИС и ИТ постарались удовлетворить потребности инженеров возможностями программного обеспечения при помощи: автоматизации оформления документации; информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений; своевременной выдачей проектной документации; обеспечения высокого технического и эстетического качества проектных решений, отвечающих всем требованиям оптимального функционирования объектов; учета всех имеющихся ресурсов строительства для достижения наилучших результатов проектирования; использования технологий параллельного проектирования; унификации проектных решений и процессов проектирования; повторного использования проектных решений, данных и наработок; стратегического проектирования; замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием; повышения качества управления проектированием; применения методов вариантного проектирования и оптимизации[164].

Таким образом, применение САПР в проектном процессе охватывает: хранение информации[165], расчеты[166], разработку проектной документации[167].

Если проанализировать процесс АП с точки зрения выполняемых в нем процедур и операций, можно определить требуемые свойства для системы автоматизированного проектирования. ИС должны обладать возможностями[168]: сопоставления различных вариантов проектных решений для определения оптимального варианта; детального анализа задания, проводимого на этапе выработки основной концепции проекта; полного учета разнородных требований (социальных, экономических, природных, функциональных, конструктивных и эстетических) к организации проектируемого пространства; совместной работы архитекторов и специалистов смежных дисциплин; максимального сокращения времени принятия решений при условии комплексного рассмотрения всех факторов; предоставления проектировщикам требуемой ими информации в форме, удобной для ее усвоения; фиксации принимаемых проектных решений в виде проектной документации.

Перечисленные выше требования к системам автоматизированного проектирования можно разделить на три группы[169].

Первая группа принадлежит к анализам разного типа, проведение которых определяет возникновение основной концепции проекта[170].

Вторая группа связана, с созданием функции графического ввода/вывода информации [171].

Третья группа связана с организацией информационного обеспечения проектного процесса [172].

Информационные технологии в архитектурно-строительном проектировании стали применяться с конца 50-х годов XX века. Компьютеры могли обрабатывать незначительное количество информации и применялись для решения задач расчетного характера. По мере развития и роста числа ИС и ИТ стала возможной разработка и постановка задач, для решения которых было необходимо осуществлять перебор значительного числа вариантов. В 60-х и начале 70-х годов было разработано много программ, затрагивающих различные стадии проектирования. Несмотря на множество данных программ, их внедрение в проектную практику не совершилось. Одним из основных поводов являлось отсутствие новой технологии проектирования, которая позволила бы органично включать автоматизированные фрагменты проектного процесса в его общую процедуру. Это вызвало стремление к интеграции имеющихся в распоряжении проектировщиков информационных систем и технологий и к созданию автоматизированных систем проектирования[173]. Начали разрабатываться комплексные программы, охватывающие весь проектный процесс[174]. Нужно отметить, что именно эти программы и станут в последствие прообразом современных пакетов программного обеспечения АП.

Наиболее известной и весьма развитой системой проектирования была разработанная в 1966 г. на территории СССР автоматизированная система проектирования объектов строительства (АСПОС). Разработка АСПОС осуществлялась под руководством В. И. Ретинского, Л. Н. Авдотьина, Л. Д. Брокера и Д. Н. Яблонского. Она строилась на принципе комплексной автоматизации проектных процессов, а не на «штучном применении» компьютеров для решения, пусть даже сложных, но отдельных частных задач[175].

Структурно АСПОС представляла собой систему, состоящую из ряда подсистем[176], которые находились в иерархической зависимости.

Как следствие были разработаны принципы единой межотраслевой системы автоматизации проектно-конструкторских работ. На основе данных принципов была создана российская «Система автоматизированного проектирования объектов строительства» (САПР).

Следующий аспект развития систем автоматизированного проектирования был связан с необходимостью тесной и гибкой взаимосвязи проектировщика и ЭВМ на протяжении всего процесса проектирования, в котором технические средства поддерживают проектные действия человека[177].

Компьютерная техника 60-х, 70-х и первой половины 80-х годов XX века не смогла эффективно обеспечить выполнения данных требований. Работы в области применения компьютерной техники в архитектурном проектировании начали концентрироваться на проблеме интерфейса, как средства активного взаимодействия человека и ЭВМ. Это совпало с появлением персональных компьютеров, заменивших большие ЭВМ. В результате возникла масса программ для моделирования, а в последствии и графического представления проектной информации[178].

Возрастающее количество информации требовало разработки нового интерфейса [179]. Правильное представление информации, соответствующее естественной познавательной способности человека – пользователя компьютера, становится условием его работы и эффективного функционирования[180].

Анализ конструкции, правил функционирования и эволюции методов общения человек – компьютер показывает интересную закономерность. После первого этапа развития компьютерных средств архитектурного проектирования совершился переход от программирования к вводу текстовой информации.

Используя клавиатуру, человек применял естественный текстовый метод общения с машиной. Интерфейс имел мануально-знаковый характер, автор работы имеет ввиду текстовый интерфейс пользователя [181] и его частные варианты: интерфейс командной строки [182]. Данный виды интерфейсов играют и по сегодняшний день важную роль в работе с программами САПР, в частности AutoCAD; в работе с текстовыми редакторами; в работе с операционными системами и при создании пользовательских приложений.

По мере возрастающей сложности программ и операционных систем этот способ коммуникации оказывался недостаточным. В результате был создан графического интерфейса пользователя [183] (ГИП) (англ. Graphical User Interface, GUI; сленг. ГУИ или Гуй). Его возникновение определялось необходимостью упрощения чрезмерно долгих и сложных фраз команд, ввод которых становился слишком сложным. Предложения были заменены пиктограммами, рисунками. Графическое представление управляющих компьютером команд, данных и основных операций, совершалось путем разделения поверхности дисплея на отдельные окна и определения связей между ними. Интерфейс становился более эргономичным. Сокращенный и однозначный вид графического представления данных облегчал их модифицирование. Пиктографическая коммуникация человек – компьютер выходит за пределы области языковых и логических операций, так как в действительности создается смыслово-понятийное пространство общения.

Главная идея разработки графического интерфейса пользователяоснована на максимальной визуализации информации и данных. Это в значительной степени облегчает процесс управления.

В 60-х и 70-х годах XX века применение компьютерной техники ограничивалось смежными дисциплинами (конструкционными расчетами, проектированием разнородных сетей). Успешные примеры компьютерной поддержки архитектурного проектирования встречались довольно редко.

Лишь в 80-х годах XX века начался первый этап компьютеризации проектных организаций, нацеленный на широкое применение компьютерной техники для разработки чисто архитектурной проектной документации. Это было связано с появлением персональных компьютеров и соответственного программного обеспечения, обучение которому не требовало от проектировщика знания языков программирования. Программы стали удобны для пользователя («user friendly software»). Их «дружелюбность» означает, что эффективная работа с ними не требует специализированных знаний и что это не ограничивает возможностей и не несет с собой снижения качества выполняемых работ.

Следующим шагом в развитие автоматизированного проектирования и, как следствие, следующим классом ИС стали программы информационного моделирования зданий (англ. Building Information Modeling, BIM) ‑ процесс генерации и управления данными о здании (или иной строительной конструкции) на протяжении его (ее) жизненного цикла. BIM состоит в использовании средств архитектурно-строительного проектирования для создания единой информационной модели здания, над которой могут работать все команды, участвующие в разработке строительного проекта. Информационная модель здания содержит информацию о его геометрии, пространственных отношениях, географическом расположении, свойствах материалов и т.п.[184]

Понятие информационной модели здания была впервые предложено профессором Технологического института Джорджии Чарльзом Истманом в сентябре 1974 г. в журнале Американского Института Архитекторов (AIA) под названием «An Outline of the Building Description System» (Система описания здания)[185][186].

Архитектор и стратег Autodesk в области приложений, специализирующихся на строительстве, Фил Бернштейн (Phil Bernstein)[187] первым использовал термин в его современном форме: «Building information modeling».

Ранее, в 1986 г., англичанин Роберт Эйш (Robert Aish), в то время – создатель программы RUCAPS, затем в течение длительного периода – сотрудник Bentley Systems[188], недавно перешедший в Autodesk[189], в своей статье впервые использовал термин «Building Modeling» в его нынешнем понимании как информационного моделирования зданий. Тогда же 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.[190]

Исторически сложилось, что некоторые разработчики компьютерных программ, относящихся к информационному моделированию зданий, кроме общепринятой, пользуются еще и своей собственной терминологией. Например, компания Graphisoft[191], создатель широко распространенного пакета ArchiCAD[192], ввела понятие VB (Virtual Building) – виртуальное здание, которое в сущности перекликается с BIM. Иногда можно встретить сходное по значению словосочетание электронное строительство (e-construction). Но на сегодняшний день термин BIM, уже получивший в мире всеобщее признание и самое широкое распространение, считается доминирующим в этой области[193].

В 1989 г. в журнале «Architecture» была проведена дискуссия, целью которой был выбор наилучшей программы для архитектурного проектирования. Для оценки было выбрано семь самых популярных в те времена в США программ: Arris, AutoCAD, Cadvance, Datacad, Drawbase, Point Line, Versacad. В 1997 г. А. Асановичем был проведен анализ тех же самых программ и требований к ним, провозглашаемых их пользователями. Намеченный в 1997 г. прогноз развития компьютерных программ для архитектурного проектирования был повторно проведен в 2005 г. Проверка проводилась на основе десяти программ. К проанализированным выше программам были добавлены еще три новые: ArchiCAD, Architecture for MicroStation TriForma и Autodesk Revit. Через шестнадцать лет после проведения первого обзора А. Асанович отмечает, что развитие программ CAD связано с повышением эффективности инструментов для черчения и автоматизации производства комплексной проектной документации, включающей технические чертежи, списки строительных материалов и фотореалистические визуализации[194].

Однако эта цель может быть достигнута двумя способами:

Первый способ. Традиционный – берет свое начало в традиционном процессе разработки проектной документации. Практически все программы способны автоматизировать разработку сложных элементов рисунка, как, например, лестницы и крыши. Во всех из них графические элементы чертежа соединяются с текстовой базой данных. Модуль для пространственного моделирования присутствует также во всех программах, кроме Versacad. Однако он характеризуется небольшими техническими возможностями. Итак, в Arris, Autocad, Cadvance, можно вычерчивать трехмерные рисунки, но эти программы неспособны генерировать высококачественные фотореалистические рендеринги.

Второй способ повышения эффективности работы с системами поддержки архитектурного проектирования связан с совсем новой философией работы проектировщика. Она основывается на принципе конструирования «виртуальной модели» объекта. К группе программ, в которых проектировщик разрабатывает пространственную модель объекта, а лишь потом на ее основе получает планы, разрезы, фасады и презентационные изображения, принадлежат: Datacad, Point Line, Autodesk Revit, ArchiCAD и Architecture for MicroStation TriForma.

Наиболее известными являются три последние программы. Они создают платформу для «строительного информационного моделирования» («building information modeling»), то есть для комплексного архитектурного проектирования, охватывающего все этапы процесса проектирования и соответствующие им виды документации. Главным отличием этих программ от традиционных, рассмотренных выше, является то, что в них проектировщик работает с настоящей пространственной архитектурной моделью. Результатом является параметрическая модель объекта, в которой можно быстро производить модификации, а всем введенным графическим изменениям автоматически сопутствуют изменения связанных с ними данных. К главным принципам такого метода работы можно отнести: технологию «виртуального объекта»[195]; «интеллектуальные» объекты (Intelligent Objects)[196]; работу в «реальном» трехмерном пространстве[197]; быстроту визуализации[198]; автоматическое производство проектной документации[199]; эластичную компоновку чертежей[200]; простоту коммуникации[201].

Подводя итоги вышесказанному А. Асановичем можно отметить, что ведущим направлением на сегодняшний день является разработка интеллектуальных программ, разрешающих моделирование процесса строительства в цифровом пространстве[202].

Автор диссертации проводит исследования, основываясь на детальном рассмотрении именно класса интеллектуальных программ и технологии связанных с ними. Так как эти ИС и ИТ, обеспечивающие их работу, могут дополнить недостающее звено АП4 (методологической надстройки), заявленное в исследовательской работе В. Л. Глазычева, в систему организации АП России.

На сегодняшний день продолжается разработка и усовершенствование программного обеспечения (ПО)[203], специализирующегося на том или ином этапе архитектурного проектирования и учитывающего характерные особенности этого этапа. Программное обеспечение постоянно обновляется.

В рамках проводимого исследования автором работы были изучены новые подходы к концепции автоматизированного проектирования[204]:

· PLM (Product/ Project Lifecycle Management) – управление жизненным циклом проекта или продукта

· BIM (Building Information Modeling) – информационная модель здания

· ISM (Integrated Structural Modeling) – интегрированное моделирование конструкции

· FIM (Fabrication Information Modeling) – информационная модель производства

· BLM (Building Lifecycle Management) – управление жизненным циклом здания

· 4D BIM – 3D + расписание (время возведения)

· 5D BIM – 3D + расписание (время возведения) + стоимость связанных с ним затрат в течение долгого времени

· 6D BIM – 3D + расписание (время возведения) + стоимость связанных с ним затрат в течение долгого времени + средства управления объектами в эксплуатации и техническом обслуживании объекта на протяжении его жизненного цикла

Были исследованы системы автоматизированного проектирования основанные на технологии информационного проектирования (BIM), предлагаемые компаниями производителями на современном рынке программного обеспечения[205]:

1) Revit, AutoCAD Civil 3D (Autodesk, USA)[206]

2) BOCAD (Aveva, United Kingdom)[207]

3) Microstation (Bentley System, USA)[208]

4) CATIA Digital Project (Dassault Systems, France)[209]

5) Digital Project (Gehry Technologies)[210]

6) ArchiCAD (Graphisoft, Hungary)[211]

7) VectorWorks, Allplan (Nemetschek, Germany)[212]

8) Tekla BIMsight (Tekla Corporation, Finland)[213]

9) VICO Office (Vico Software, USA)[214]

В итоге за основу выстраиваемой структуры были выбраны варианты программного обеспечение предлагаемого компанией Autodesk. Причиной такого выбора является широкий спектр программ, который затрагивает большинство этапов АП. Немаловажную роль в исследовании сыграл факт доступности программного обеспечения Autodesk для студентов и преподаватель ВУЗов.

Набор программного обеспечения Autodesk рассматриваемый в исследовании:

· 3ds Max Design

· AutoCAD

· AutoCAD Electrical

· AutoCAD Civil 3D

· AutoCAD Map 3D

· AutoCAD Raster Design

· AutoCAD Plant 3D

· AutoCAD P&ID

· AutoCAD Utility Design

· Ecotect Analysis

· InfraWorks

· Navisworks Simulate

· ReCap

· Revit

· Robot Structural Analysis Professional

· Showcase

· веб-служба Green Building Studio

Выстраиваемая структура программного обеспечения также будет включать различные программы и плагины других компаний, дополняющие недостающие звенья или предлагающие более удобные варианты в обеспечении этапов АП.

Связь программ де-факто осуществляется за счет конвертирования, экспорта, импорта и прочих вариаций работы с базами данных.