Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ объектов архитектурного проектирования и методов их автоматизированного решения 11
1.1. Обзор и классификация видов архитектурной деятельности 11
1.2. Анализ объектов проектирования 14
1.3. Анализ существующих подходов к автоматизированному решению задач архитектурного проектирования 32
1.4. Выводы по 1 главе 46
2 Моделирование процесса решения геометрических задач архитектурного проектирования 50
2.1. Исследование структуры традиционного процесса решения задач архитектурного проектирования 50
2.2. Морфологическое исследование множества геометрических задач архитектурного проектирования 59
2.3. Разработка структуры и принципов создания обслуживающей подсистемы 69
2.4. Выводы по главе 2 74
3. Моделирование геометрических задач архитектурного проектирования 77
3.1. Компоновка этажей здания 77
3.2. Компоновка схемы генерального плана 81
3.3. Моделирование поверхности территории 88
3.4. Выбор параметров здания 98
3.5. Анализ предпроектной ситуации 107
3.6. Разработка дизайна экстерьера объекта 115
3.7. Выводы по главе 3 199
4 Моделирование информационного обеспечения системы 123
4.1. Разработка концептуальной модели базы данных 123
4.2. Разработка концептуальной модели базы знаний 135
4.3. Обучающая компонента информационного обеспечения 141
4.4. Разработка локального информационного обеспечения проектных задач 146
4.5. Выводы по главе 4 156
5. Экспериментальное автоматизированное решение геометрических задач архитектурного проектирования на основе разработанной системы 159
5.1. Автоматизированная разработка эскизного решения промышленного объекта на спокойном рельефе 160
5.2. Автоматизированное проектирование комплекса гражданских объектов в существующей городской среде 175
5.3. Выводы по главе 5 199
Заключение 204
Библиография 210
Приложение
- Анализ существующих подходов к автоматизированному решению задач архитектурного проектирования
- Морфологическое исследование множества геометрических задач архитектурного проектирования
- Моделирование поверхности территории
- Разработка локального информационного обеспечения проектных задач
Введение к работе
Архитектура всегда была и остается одной из самых обширных областей деятельности человека. Она включает большой круг задач, связанных с организацией среды для жизнедеятельности человека. Это эстетические и социальные, инженерно-технические и функциональные, экологические и эргономические, технологические и целый ряд других проблем, которые решаются в процессе архитектурно-художественного проектирования и реализации объекта.
Основным признаком произведения архитектуры является наличие пространства, которое целесообразно организовано для выполнения определенной социально значимой цели, вмещает человека и воспринимается им зрительно. При этом пространство может быть не только «внутренним», ограниченным со всех сторон (как в интерьере), но и «внешним», организованным объемами зданий и сооружений, благоустройством земной поверхности и зелеными насаждениями, то есть архитектурными формами. Именно архитектурная форма объекта выражает способ его организации и способ существования во внешней среде и культуре вообще. Понятие архитектурной формы отличается от обычного употребления этого слова, поскольку она является не только характеристикой элементарных геометрических свойств объекта, его очертания как некого тела в пространстве (или даже проекции этого тела на плоскость), но и выразителем, например, идейно-художественных функций произведений зодчества. Тем не менее, именно способ упорядоченности архитектурных форм, учитывающий выполняемые ими функции и предъявляемые требования, является той основой, с помощью которой создается архитектурный объект.
Поскольку решением задач выбора и расположения элементов некоторого, обычно конечного, множества в соответствии с заданными правилами занимается раздел математики - комбинаторика (комбинаторный анализ), то можно предположить, что основные ее положения могут быть применены в качестве формальной основы для произведений архитектуры. Действительно, несмотря на то, что произведения архитектуры бесконечно разнообразны, их пространственная структура определяется относительно небольшим числом типов материальных элементов и ограниченным набором правил их сочетания (если принимать во внимание основные топологические закономерности формы). Особенно устойчивы типы элементов архитектурной формы - стена, вертикальная опора, дверь, окно, горизонтальное перекрытие и пр. Принципиальные преобразования элементов редки и связаны со сложным комплексом изменений в целях и средствах архитектуры. Достаточно прочны и правила сочетания материальных элементов в пространственную структуру (новые типы зданий появляются не часто).
Таким образом, процесс формирования архитектурного пространства можно представить в следующем общем виде: определить набор и геометрию исходных элементов (архитектурных форм или их частей), а затем выбрать способ их комбинирования (моделирования). То есть, в общем виде формирование архитектурного пространства представляет собой геометрическую комбинаторную задачу, учитывающую различные аспекты функционирования архитектурного объекта..
Исследованием закономерностей моделирования архитектурного объекта, его эстетических качеств, функциональных и объемно-планировочных основ проектирования, закономерностей композиционных построений и других вопросов создания архитектурных форм занимался целый ряд зодчих, ученых и практиков, начиная от Витрувия и Палладио и, заканчивая такими известными теоретиками в области архитектуры как Ле Корбюзье, В. Гроппиус, В.А.Иконников, А.В.Бархин и многие другие.
На современном этапе развития человеческого общества в процессе архитектурного проектирования, как и практически во всех видах человеческой деятельности, успешно применяются средства и методы информационных технологий проектирования.
Исследованию и созданию систем автоматизированного проектирования архитектурно-строительных объектов посвящены работы: Л.Н.Авдотьина, И.С.Блюмберга, Л.Д.Бронера, Г.А.Геммерлннга, А.А.Гусакова, Э.П.Григорьева, М.Е.Демкива, Д.Г.Дмитриева, С.В.Жака, В.П.Игнатова, Е.П.Костогаровой, Г.И.Лаврика, В.Н.Мастаченко, В.С.Нагинской, Л.И.Павловой, И.И.Рафаловича, Ю.К.Родендорфа, К.А.Сазонова, Ю.К.Стояна, В.С.Тимощука, Г.Я.Эпельцвейга, Г.Д.Яблонского, Л.А.Яковлева и других. Широко занимались этим направлением исследований и за рубежом: К.Александер, А.Биджл, Д.Р.Вайнрайт, М.Винарски, З.Гродски, В.Гутридж, Д.Е.Дэвид, Д.Джексон, Ж.3ейтун, С.Е.Истмэн, Т.Коул, Н.Негропонте, С.К.Нейл, М.Пелтекова, Д.Л.Росс, Р.Синг, В.Уайтхэд и другие. Эти ученые исследовали процесс проектирования с целью выявления его формализуемых аспектов и предлагали их реализацию на основании решения расчетных и оптимизационных задач.
Появившиеся и получившие широкое использование в архитектурном проектировании системы компьютерной графики заняли еще одну формализуемую в настоящее время нишу - визуализацию проектных решений.
Однако сложность решения архитектурных задач заключается в том, что они (по крайней мере сегодня) в подавляющем большинстве являются не формализуемыми или трудно формализуемыми задачами, в которых наряду с другими большое значение имеют эстетические критерии. Именно поэтому, у большей части архитектурной общественности укоренилось мнение о том, что информационные технологии вообще и возможности компьютерной графики, в I частности, следует использовать в деятельности архитектора только лишь как современный чертежно-копировально-множетельный инструмент и как архиватор результатов проектной деятельности.
Использованию же информационных технологий проектирования и компьютерной графики, базирующихся на общем геометрическом подходе к моделированию архитектурных объектов и использовании диалогового графического сервиса при автоматизированном решении комплекса архитектурных задач, как интеллектуального помощника в творческой деятельности, до сих пор уделяется мало внимания. В то время как именно здесь и скрывается значительный потенциал для интенсификации и повышения эффективности творческого процесса рождения архитектурного объекта. Таким образом, в сложившейся ситуации актуальным является выработка концепции и создание методологии, позволяющей на основе использования средств и методов информационных технологий создать прикладную интегрированную информационную систему, решающую взаимосвязанный комплекс геометрических задач архитектурного проектирования.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является обоснование, разработка и экспериментальная апробация методологических и организационно-технических основ использования геометрических подходов при решении архитектурно-градостроительных задач. Для достижения указанной цели ставились следующие основные задачи:
• Разработка классификации архитектурных задач с целью выявления их геометрической составляющей.
• Исследование объекта проектирования.
• Исследование существующих подходов к автоматизированному решению задач архитектурного проектирования.
• Исследование существующих подходов к моделированию процесса архитектурного проектирования.
• Обоснование и разработка концептуальной модели процесса решения архитектурных задач с использованием геометрических подходов.
• Выбор состава и разработка геометрических моделей и алгоритмов автоматизированного решения наиболее распространенных архитектурных задач.
• Разработка структуры интегрированной информационной системы для решения архитектурных задач.
• Экспериментальная апробация разработанной системы в процессе автоматизированного проектирования.
Объектом исследования являются архитектурно-градостроительные задачи и совокупность геометрических подходов для их решения.
Методологическая основа работы базируется на принципах системного подхода при определении геометрических основ и функциональных факторов решения архитектурно-градостроительных задач, в границах которого используются следующие частные методы: системный, морфологический, типологический и технико-экономический анализы, математическое моделирование и алгоритмизация процессов, математическое программирование и компьютерный эксперимент.
Научная новизна работы состоит в формулировке концепции и разработке методологии автоматизированного архитектурного проектирования, основанной на комплексном подходе к решению геометро-графических задач архитектурного проектирования. В результате выполненных исследований впервые предложены: обобщенная функциональная модель процесса решения геометрических задач архитектурного проектирования; принципы формирования методологии автоматизированного архитектурного проектирования; структурная модель прикладной интегрированной информационной системы, концептуальные модели отдельных задач, а также их численно-ориентированные модели, алгоритмы и программная реализация, структура и реализация информационного обеспечения.
Практическая ценность. Диссертационная работа носит теоретико-прикладной характер с основным акцентом на содержание, технологию, методы решения и организационно-технические вопросы автоматизированного архитектурного проектирования на основе геометро-графических подходов к решению задач. Предложенная концепция и методология, а также разработанная на их базе интегрированная информационная система могут быть использованы в качестве среды при разработке новых геометрических задач автоматизированного архитектурного проектирования, а методические, программные и информационные компоненты при автоматизированном архитектурном проектировании реальных объектов и обучении студентов архитектурно-строительных специальностей.
Внедрение результатов работы. В период выполнения исследований отдельные результаты в виде методик, программно-методических комплексов, пакетов прикладных программ использовались в процессе решения архитектурно-градостроительных задач объектов промышленности и гражданского строительства в проектных институтах ПромстройНИИпроект (г. Ростов-на-Дону), ЮжНИИгипрогазпром (Украина, г. Донецк), проектный отдел Новотрубного завода (г. Первоуральск); в работе градостроительного Совета Комитета по архитектуре и градостроительству г. Ростова-на-Дону; в учебном процессе Уральской государственной архитектурно-художественной академии и др. Весь комплекс задач совместно с информационным обеспечением, входящие в интегрированную информационную систему, используются при обучении студентов архитекторов и дизайнеров в Ростовском государственном архитектурном институте. Некоторые положения и частные результаты исследований использованы при выполнении научно-исследовательских программ республиканского (Программа САПР Минвуза СССР, Межотраслевая комплексная программа «Наукоемкие технологии образования», программа «Архитектура и строительство», Единый наряд-заказ Минвуза РФ), регионального (Ростовская областная программа «Наука») и институтского уровней.
Апробация работы. Основные идеи и результаты исследований по диссертации докладывались и получили одобрение на более 50 научных конгрессах, конференциях и семинарах различного уровня, в том числе и международных (X и XI Интернациональные конференции по применению математики в инженерно-строительном проектировании в 1984 и 1987 гг. г. Веймар - X, XI IKM, Weimar, 1984, 1997; Международные конференции по компьютерной графике и визуализации GraphiCon 94, 95, 96, 97; Третьем международном симпозиуме «Реконструкция С-Петербург-2005», С-Петербург, 1995 г.; Международной научно-практической конференции «Архитектурно-художественное образование: проблемы и перспективы», Новосибирск, 1995 г.; Международной научно-практической конференции по проблемам архитектуры и градостроительства, Ростов-на-Дону, 1997 г. и ряд других).
По теме диссертации опубликовано 79 научных и 12 научно-методических работ; основное содержание работы изложено в 35 работах (из них 2 учебника для вузов) общим объемом 28,8 печатных листов, из них 16,9 без соавторства.
Структура и объем работы. Работа состоит из: введения, пяти глав, заключения (209 стр. текста, в том числе 55 рис. и 34 таблицы), списка использованной литературы (234 наименования на 22 стр.) и приложений.
На защиту выносится:
• концепция использования геометро-графических подходов для автоматизированного решения архитектурно-градостроительных задач;
• методология автоматизированного решения геометрических задач архитектурного проектирования;
• структура и функциональная модель интегрированной информационной системы решения геометрических задач архитектурного проектирования;
• концептуальные модели архитектурных задач;
• численно-ориентированные модели и алгоритмы решения задач;
• принципы организации и структура информационного обеспечения.
Диссертационная работа выполнена автором на кафедре графики и информационных технологий архитектурного проектирования Ростовского государственного архитектурного института. Результаты получены автором самостоятельно или в ходе научных исследований, вьтолняемых при непосредственном участии или под научным руководством автора в период с 1984 по 1999 гг. В исследованиях принимал участие коллектив архитекторов, инженеров и преподавателей кафедры и научно-исследовательской лаборатории систем автоматизированного проектирования объектов строительства.
Анализ существующих подходов к автоматизированному решению задач архитектурного проектирования
С целью выявления существующих подходов к автоматизированному решению выявленных типов задач проведен ретроспективный обзор развития САПР архитектурных решений, который показал, что различные пакеты прикладных программ, технологические линии проектирования и САПР, решающие архитектурно-строительные задачи, разрабатываются уже более 25 лет. Сначала в основном разрабатывались методы, позволяющие решать расчетные и оптимизационные архитектурно-строительные задачи. Это было связано с вычислительными возможностями, мощностью и элементной базой ЭВМ 3-го поколения, отсутствием развитой компьютерной графики и периферийных устройств. В СССР подходы к автоматизиррэанному решению архитектурно-строительных задач разрабатыва лись в ЦНИИпроект (бьшший ЦНИПИАСС), ЦНИИПградостроительства, ЦНИИ-ЭПжилища, ЦНИЙпромзданий, МАРХИ, МИСИ (г, Москва), ЗНИИЭП, (г. Киев), НИОХИМ (г. Харьков), ЛГСПИ (г. Ленинград), РИСИ и РГУ (г. Ростов-на-Дону) и других научных и проектных организациях.
За рубежом аналогичные работы велись в США (Университет в г. Беркли, АРЕС, Массачусетский технологический институт, Корнельский и Иллинойский университеты, Университет Карнеги-Меллон, фирмы «COMPUTEC», «PERRY, DIN & STUART», «IBM», «FORD», «COM», «NOK», «GraphiSoft» и другие), Великобритании (Бюро графств WEST SUSSEX, Эдинбургский университет, Ливерпульский университет, университет WARVICK COVENTRY, инженерно-строительный институт COVENTRY, фирмы AUTODESK LTD, Quest Automation и другие), в ФРГ (Фирмы GEODAT, ARCHITECTEN UND INGENIURE, Дюссельдорфский университет, университет в г. Карлсруэ, фирма Zigler Informatics и другие), Франции ( фирма «BatiSon»), Бельгии (университет г. Льеж), Швеции (Технологический институт г. Лунд, Шведское НИИ по строительству), Нидерландах (НИИархитектуры), ГДР (Берлинский университет, Высшая школа архитектуры и строительства г. Веймар), Венгрии (Технический университет г. Будапешт), Болгарии (КНИПИОИУС, НПК "ТиТ", г. София), Чехословакии (Институт типизации г. Прага, г. Братислава) и ряде других стран.
Для выявления назначения существующих систем автоматизированного проектирования, целей и путей их реализации проанализировано более 50 систем, созданных, начиная с 57-х гг. до настоящего времени (см. табл. 1.3). Рассмотрим более подробно некоторые из них.
«СОКРАД-75» (ЦНИПИАСС) - предназначена для оценки компоновочных решений промьшгленных предприятий и основана на стоимостной оценке вариантов решений генерируемых проектировщиком.
«ТЛП-КПД» (КиевЗНИИЭП) - технологическая линия проектирования крупнопанельных жилых домов - представляет собой формирование архитектурно-планировочного решения, основанного на «ручной» комбинаторике элементов различных уровней (конструктивно-планировочная ячейка, квартира, этаж блок-секции, блок-секция, дом), находящихся в библиотеке системы. «ФОРПРОЕКТ» (ЦНИПИАСС) - технологическая линия проектирования, предназначенная для автоматизированного комплексного проектирования промышленных зданий (планировочное решение, конструктивное решение, строительно-технологическое решение) - содержит формирование решений каждого уровня вьшолняется человеком, оцифровьшается, выводится на экран графического дисплея и оценивается ЭВМ по многим критериям (более 30). «СОДА» (НИОХИМ г. Харьков) - система, предназначенная для оптимизации (на основании комплексного стоимостного критерия) компоновочных решений генерального плана и зданий предприятий химической отрасли промышленности. «ПРОМЗДАНИЕ» (МИСИ г. Москва) - САПР, предназначенная для компоновки аритектурно-планировочных решений производственных зданий, имеющих одинаковую этажность.
САПР ПРОМОС (РИСИ, РГУ, г. Ростов-на-Дону) - система автоматизированного проектирования промьппленных объектов строительства на эскизной стадии проектирования - состоит из семи оптимизационных подсистем: выбор количества отдельно стоящих зданий на генеральном плане предприятия, выбор этажности производственных зданий, компоновка одноэтажных и многоэтажных производственных зданий, компоновка схемы генерального плана промышленного предприятия, трассировка коммуникаций, вертикальная планировка. Система включает задачи сортировки, компоновки, трассировки (сетевая задача), моделирования поверхности, объединена общей информационной подсистемой и позволяет решать как отдельные задачи, так и осуществлять комплексное их решение.
Техническое обеспечение всех рассмотренных выше работ основано на использовании ЭВМ типа ЕС, а последние три - имеют выход на графопостроитель и используют диалоговый режим работы.
Система «CRAFT» (Калифорнийский университет, США) - одна из наиболее ранних (начало 60-х годов) работ по решению компоновочных задач при проектировании промьппленных объектов - предназначена для оптимизации заданного проектировщиком варианта компоновки на основе минимизации грузопотоков. Система «IMAGE» (Массачусетский технологический институт г. Бостон, США) - позволяет решать задачи компоновки зданий на генеральном плане промышленного предприятия и помещений в производственном здании на основе оптимизации связей между размещаемыми элементами при автоматизированной их генерации.
Система «GSP» (университет Карнеги-Меллон, США) - предназначена для компоновки гражданских зданий при «ручной» или автоматизированной генерации решений с подсчетом весомости связей между помещениями в автоматическом или диалоговом режимах. Система «IGES» (разработана лабораторией систем гражданского строительства отделения гражданского строительства при Массачусетском технологическом институте г. Бостон, США и усовершенствована фирмами IBM и FORD) - предна значена для генерации проектировщиком архитектурно-строительных решений с оценкой их и выдачей документации в виде архитектурно-строительной документации ЭВМ. Открытая, машинно независимая система, позволяющая решать задачи архитектурно-строительного проектирования с помощью проблемно-ориентированных подсистем и разрабатывать новые приложения с помощью специального языка строительного проектирования.
Система «АРЕС - CARDS» (фирма «АРЕС», США) - предназначена для проектирования жилых и общественных зданий и состоит из ППП ориентированных на выполнение архитектурно-планировочной, расчетно-конструктивной и инженерно-технической частей проекта. Генерация вариантов проектных решений выполняется проектировщиком, а ЭВМ в диалоговом режиме обсчитывает смету, спецификации и выдает чертежи.
Система «ARC-2» (фирмы «COMPUTEC», «PERRY, DIN & STUART», США) - предназначена для проектирования объектов гражданского строительства, содержит развитую базу данных (БД) типовых решений и конструктивных элементов , выбор которых осуществляется проектировщиком с помощью информационно-поисковой системы. Управление работой системы осуществляется многоуровневым меню, для визуализации решений используются графический и текстовый мониторы.
Морфологическое исследование множества геометрических задач архитектурного проектирования
Построение логической структуры процесса решения архитектурных задач выполнено на основании использования положений морфологического исследования систем, предложенного Ф. Цвикки в 1942 г. («морфологического ящика»), а затем расширенного и сформулированного для анализа различных, сложных систем Одриным В.М. и Картавовым С.С. [106].
Метод морфологического исследования состоит из двух этапов: морфологического анализа и морфологического синтеза. Морфологический анализ (построение морфологических таблиц (МТ), классифицирование) представляет собой построение модели функциональной системы - абстрактной модели, построенной на основе выделения классификационных признаков функциональных систем морфологического множества и разбиения его на подмножества по набору выделенных признаков. Морфологический синтез заключается в выборе из МТ рационального варианта системы и оценке его в соответствии с требованиями системы. Используемый в морфологическом исследовании термин «функциональная система» означает совокупность объектов или операций, объединенных одной функцией, которая выделяет эту совокупность из взаимосвязанной с ней окружающей среды и определяет на ней множество функционально-значимых отношений. То есть в основе морфологического исследования лежит всестороннее изучение процессов функционирования системы и взаимосвязи ее с окружающей средой.
Морфологический метод предполагает четкость формулировок всех используемых в исследовании понятий, то есть предмета исследования, цели исследования и действия, производимого изучаемой системой.
результатом морфологического анализа является модель обобщенной функциональной системы, например, в виде блок-схемы или таблицы, каждый элемент которой несет определенную функциональную нагрузку, соответствующую одной из подфункций, а также полный набор возможных решений каждой подсистемы (набор значений функционально-значимых отношений).
В работе [106] описаны основные этапы морфологического анализа. Поскольку для настоящего исследования необходимо построение имитационной модели процесса решения архитектурных задач, то для ее реализации необходимо описание логической структуры процесса близкой к традиционной форме. Этой цели отвечает разработка обобщенной функциональной системы процесса, которая может быть получена на этапе выполнения морфологического анализа.
В качестве аппарата исследования использованы элементы морфологического анализа в составе следующих этапов: формулирование цели морфологического анализа (ЦМА); построение структуры цели МА; выбор системовыделяющей функции (СФ); построение модели обобщенной функциональной системы (ОФС). Модель обобщенной функциональной системы и нахождение признаков этой системы строится на основе детального изучения множества, входящих в нее систем с учетом цели исследования и уточненных определений.
Цель морфологического анализа процесса решения архитектурных задач заключается в получении обобщенной формализованной структуры этого процесса. Сформулируем определение формализованной структуры процесса решения архитектурных задач на основе лексического анализа понятий «формальный», «структура», «процесс», «элементарная система», «сложная система» [107, 135]: формализованная структура процесса решения архитектурных задач представляет собой упорядоченную совокупность этапов последовательных действий (с возможными итерациями), характерных для ряда задач, обладающих общими признаками, определенными связями и направленных на получение требуемого результа-та. На основании сформулированного определения цель морфологического анализа может быть представлена состоящей из двух подцелей: определение последовательности решения архитектурных задач в системе (этапов проектирования); выявление общих признаков для всех этапов проектирования.
В свою очередь, цель морфологического анализа является подцелью более общей цели (исходной цели), которой является совершенствование системы архитектурного проектирования, а именно: сокращение сроков решения задач, уменьшение их трудоемкости, повышение качества решений (рис. 2.5). Система проектирования включает комплекс технических средств и методов проектирования, поэтому исходная цель распадается на две подцели: совершенствование методологии проектирования и совершенствование технических средств. Совершенствование технических средств является самостоятельной целью и выходит за рамки настоящего исследования. Совершенствование методологии проектирования включает также две подцели: совершенствование методологии традиционного проектирования и совершенствование методологии автоматизированного проектирования. Последняя может быть рассмотрена с двух позиций: совершенствование сложившейся методологии автоматизированного проектирования (расширение баз данных, совершенствование средств визуализации) и разработка альтернативной методологии автоматизированного решения архитектурных задач, основанной на геометро-графическом подходе к формализации как процесса проектирования, так и решения отдельных подзадач.
Для определения системобразующей функции (СФ) рассмотрены основные функции рассматриваемых задач архитектурного проектирования. Этими функциями являются: организующая (организация пространства), синтезирующая (увязка элементов при размещении на основании учета различных связей - композиционных, технологических, транспортных, футпшиональных и т.п..), оптимизационная (обеспечение оптимальной организации функции), информационная (передача содержания и структуры задачи). Поскольку архитектурное проектирование - это организация пространства, то СФ для рассматриваемых задач следует считать организующую, видовым отличием которой является представление пространства в виде геометрических тел или проекций этих тел на плоскости.
Архитектурная деятельность по организации пространства делится на эстетическую и функциональную.
Эстетическая организация пространства заключается в расположении композиционных элементов с учетом закономерностей построения архитектурной композиции на основании эстетических критериев.
Функциональная организация пространства заключается в расположении некоторых элементов архитектурного объекта и установлении связей между ними.
Определение морфологии системы предполагает задание свойств подсистем и взаимодействия (то есть отношений) между ними. Множество функционально-значимых отношений между элементами каждой подсистемы определяется согласно методике морфологического анализа при анализе изменений, происходящих с системой в процессе ее функционирования, и изменений, происходящих при взаимодействии ее со средой.
Моделирование поверхности территории
Задача моделирования поверхности территории решается на различных стадиях проектирования и рассматривает вопросы: инженерной подготовки территории под строительство с целью приспособления свободных от застройки участков к дальнейшему освоению. В этом случае осуществляется организация отвода поверхностных вод, замена (при необходимости) растительного слоя грунта или торфяных слоев, засьшка/срезка локальных участков, создающих неудобство при дальнейшей планировке территории, укрепление или выравнивание участков с уклонами, превьппающими нормативные и прочие работы; вертикальной планировки территории - расположение на существующем рельефе (высотное решение территории) зданий, сооружений, наземных транспортных коммуникаций с учетом организации поверхностного водоотвода, инженерных особенностей прокладки коммуникаций, строительных и функциональных требований к расположению зданий и пр.
Таким образом, в общем случае, моделирование поверхности территории является комплексной задачей, требующей в качестве исходной информации данные о существующей поверхности, расположении на ней элементов генерального плана, задание схемы организации водоотвода и ограничений на допустимые уклоны, рассматривающей вопросы инженерной подготовки и вертикальной планировки территории.
На основании анализа существующих подходов к автоматизированному моделированию поверхности территории (см. главу 1) выявлено, что в наибольшей степени отвечает требованиям вертикальной планировки критерий максимального сохранения существующего рельефа, а учет ограничений (как при наличии планировочной ситуации, так и без нее) наиболее просто осуществляется при каркасном представлении поверхности в виде характерных точек и ребер (связей) между ними. Такая постановка задачи предложена в работе [214]. Полученные выводы, а также результаты многолетней апробации пакета [218 ] при инженерной подготовке и вертикальной планировке генеральньїх планов различного функционального назначения позволяют предложить следующую укрупненную модель процесса автоматизированного решения задачи (см. рис.3.3).
Для решения основной задачи - вертикальной планировки (ВЕРТПЛАН) -необходимо выполнить вспомогательные этапы: создать топографический план (ТОПОПЛАН) и компоновку схемы генерального плана (ГЕНПЛАН). Фактически эти два этапа являются подготовкой входной информации для решения основных задач.
Создание топографического плана представляет собой подготовку чертежа существующего рельефа для дальнейшего использования его при вертикальной планировке. Этот этап предполагает иопользование две[ альтернативных варианте! работы: создание топографического плана; выбор уже подготовленного топографического плана участка из базы данных кадастрового типа.
Создание топографического плана представляет собой ввод хаотического разброса высотных значений реперов, автоматический расчет на основании интерполяции этих значений высот регулярной квадратной сети, расчет и графическое построение «черных» горизонталей - линий одинакового уровня с заданным шагом по высоте, приведение цифрового описания рельефа в соответствие с расположением границ участка моделируемой территории. Результатами является чертеж с изображением «черных» горизонталей и цифровое описание рельефа (ЦМР).
Подготовка компоновочной схемы генерального плана также имеет возможность выбора из двух альтернативных вариантов: графический ввод схемы генплана; автоматизированная компоновка схемы генплана (на основании выше описанной методики и приведения ее результатов в соответствие с требованиями задачи моделирования рельефа).
При графическом вводе схемы генплана используются стандартные возможности конструкторской графики: организация чертежа по слоям (границы площадки, здания и автодороги изображаются на отдельных слоях) и использование различных типов линий (сплошных для изображения границ площадки, зданий и бордюров автодорог, штрих-пунктирных - для осей автодорог). Результатами является чертеж схемы генплана и его цифровое описание.
При использовании автоматизированной компоновки схемы генерального плана файл результатов компоновки автоматически анализируется, элементы генерального плана разносятся по соответствующим слоям и полученное изображение выдается на дисплей. В случае необходимости пользователь с помощью диалогового графического сервиса, включающего стандартные команды редактирования графического редактора, может осуществить корректировку.
Затем осуществляется отрисовка дорог, для чего используется сервисная графическая подпрограмма, позволяющая в диалоговом режиме провести оси автодорог, задать типы поперечных сечений, ширину и радиусы закруглений. При этом от пользователя требуется только указывать характерные точки автодорог и выбирать из соответствующих меню ширину и типы поперечных сечений, а также радиусы закруглений и поворотов. Остальные построения осуществляются автоматически. Результаты этих построений заносятся в специальный файл, используемый при оптимизации и осуществлении микропланировки.
Основной этап - вертикальная планировка представляет собой решение трех взаимосвязанных задач: оптимизация проектных отметок, микропланировка проектной поверхности в «красных» (проектных) горизонталях, расчет картограммы земляных работ (количественная оценка результатов).
Причем предусмотрено два варианта использования методики: для инженерной подготовки территории и для окончательной вертикальной планировки, которые отличаются отсутствием в первом варианге планировочной ситуации. Моделирование проектной поверхности выполняется по характерным точкам.
Характерными являются точки элементов генерального плана и свободной от застройки территории, необходимые для моделирования, а именно, это точки: зданий, сооружений, площадок - углы, точки входа (въезда), подключения коммуникаций и т. п.; дорог и проездов - пересечения осей (перекрестки), перелома продольного профиля, концы осей (тупики), пересечения с отмосткой здания, сооружения или границами планируемой территории; границы площадки - углы ограждения, точки перелома профиля по линии ограждения, пересечения осей въездов/выездов с ограждением, пересечения границы с инженерными коммуникациями; другие точки, влияющие на принятие решения.
Высотные соотношения между элементами генерального плана и ограничения выражаются связями между характерными точками. Оптимальный вариант проектного решения может быть получен перемещением точек по вертикали в заданных (допустимых) связями пределах при выбранном критерии максимального сохранения существующего рельефа (минимум суммы отклонений проектных отметок характерных точек от их существующих отметок).
Формирование ограничений и их визуализация осуществляются в диалоговом графическом режиме, позволяющем указьшать графическим курсором на экране характерные точки по отрезкам (первая точка должна при организации водоотвода быть выше, а вторая - ниже), и выбирать из меню соответствующие диапазоны допустимых уклонов. Для контроля указанных действий обработанные отрезки с обозначенным стрелкой направлением уклона для визуализации отрисовываются контрастным цветом на специальном слое. В случае неправильного задания ограничения, его можно откорректировать, для чего выбрать отрезок, а затем из меню выбрать вид корректировки: изменение направления или изменение диапазона допустимого уклона. Результаты формирования ограничений и их корректировка записываются в специальный временный файл, используемый при оптимизации проектных отметок.
Разработка локального информационного обеспечения проектных задач
СОогласно выбранному подходу к созданию и разработке информационного обеспечения, если для решения отдельной задачи требуются данные, которые не являются общими для всех задач и используются для процедур визуализации проектного решения, то обслуживание этих процедур осуществляется локальным информационным обеспечением (ИО).
Так, например, задача «Выбор параметров здания» использует общесистемное информационное обеспечение для выбора и обработки ЦМР и ЦМЗ, построения «розы ветров», получения рекомендаций по ориентации и расположению объекта по отношению к направлению рельефа, однако при выборе формы плана используется локальное ИО.
фокальное ИО по аналогии с общесистемным ИО состоит из переменной и постоянной частей. Переменной частью являются временные файлы, которые создаются и используются на последующих этапах в процессе решения задачи. Они, как правило, представляют собой входные данные, специфические для конкретного участка проектирования, и могут быть набраны с клавиатуры, выбраны из меню подсистемы, считаны из файлов, создаваемых в результате обращения к БД и БЗ, или указаны графическим способом прямо на экране с помощью устройства указания.
Информация, связанная с элементами создаваемого изображения заносится во временные файлы автоматически. Система их получает в ходе работы отдель-ных программ путем считывания файла рисунка и анализа данных. Основными данными являются само изображение и цифровые файлы, полученные после обработки его элементов.
Постоянная информация представляет собой библиотеки слайдов и графических изображений. Она содержит типовые блоки плановых проектных решений объектов проектирования, элементов озеленения и благоустройства.
Для разработки концептуальной информационной модели системы был проведен анализ информации, необходимой для решения задачи. В результате анализа выявлено, что в процессе проектирования необходим учет природно-климатических данных и градостроительной ситуации (временные данные), а также нормативно-справочной информации.
Градостроительная ситуация задается в виде файлов ЦМР и ЦМЗ, которые вызьшаются из графической части общесистемной БД, подключаемой при вызове пункта «Просмотр подосновы» меню задачи. Характеристики ветрового режима, нормативные минимально допустимые расстояния, связаттные с пожарной безопасностью, требованиями озеленения и благоустройства, автомобильными проездами и пешеходными путями выбираются из текстовой части БД, а рекомендации по ориентации объектов в зависимости от инсоляции и положения по отношению к рельефу, по конфигурации плана и параметрах объекта - из БЗ. Вся выбранная из БД и БЗ информация заносится в соответствующие временные файлы, анализируется и обрабатывается для дальнейшего использования при решении задачи. Постоянная часть информационного обеспечения задачи представляет собой специально организованные графические библиотеки. Структура таких библиотек представляет собой графическую базу данных иерархической (древовидной) структуры. В основу структурирования положен принцип разделения объектов проектирования по функциональному признаку на три категории: жилого, общественного и промышленного назначения. Общественные здания и сооружения делятся по типологическим признакам на 14 групп организаций, учреждений и предприятий общественного обслуживания: - учреждения здравоохранения, физической культуры и социального обес печения; - учреждения просвещения; - учреждения культуры; - учреждения и предприятия искусства; - организации и учреждения науки и научного обслуживания; - учреждения финансирования, кредитования и государственного страхования; - организации и учреждения управления; - общественные организации; - учреждения коммунального хозяйства; - предприятия бытового обслуживания населения; - предприятия торговли и общественного питания; - предприятия связи; - предприятия транспорта; - организации и учреждения строительства. Каждая из перечисленных групп состоит из отдельных видов организаций, имеющих общие приемы проектирования, каждому из которых свойственны свои пространственные схемы и направления главного движения. Жилые здания имеют следующую классификацию: - безлифтовые квартирные дома; - многоэтажные жилые дома; - здания особого типа. К безлифтовым квартирным домам относятся дома усадебного типа; дома-вставки; дома блокированного, галерейного и секционного типов. К многоэтажным жилым домам относятся дома галерейного и коридорного типов, точечные (башенные) и многосекционные. К зданиям особого типа относятся жилые дома, проектируемые для районов Крайнего Севера; шумозащитные дома-экраны; жилые дома на сложном рельефе. При выборе формы жилых зданий главным критерием классификации была принята пространственная протяженность и точечность (пространственная стабильность). Пространственно протяженные жилые здания, в свою очередь, делятся на линейные и лучевые здания, где линейные - это здания пространственно протяженные по одному направлению, а лучевые - пространственно протяженные по нескольким направлениям.
