Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МАКЕТИРОВАНИЯ В АРХИТЕКТУРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 9
1.1. Эволюционный анализ макетного метода архитектурного проектирования ' 9
1.1.1. История макетирования 9
1.1.2. Функции макетирования 15
1.2. Комплексный анализ профессиональной деятельности архитектора 17
1.2.1. Анализ архитектурного проектирования с позиции теории творчества 17
1.2.1.1. Общая характеристика архитектурного творчества 20
1.2.1.2. Образная природа целеполагания 24
1.2.1.3. Проблема легкости восприятия в архитектурном проектировании 28
1.2.2. Информационные аспекты архитектурного проектирования 35
1.2.3. Анализ использования методов моделирования при проектировании 56
1.2.4. Трансформация моделей в процессе архитектурного проектирования 47
1.3. Прогнозирование возможности автоматизации архитектурного макетирования 51
1.3.1. Основные направления автоматизации архитектурного проектирования 51
1.3.2. Современное состояние и перспективы развития макетного метода проектирования 54
1.4. Постановка задач исследования 60
Выводы по первой главе 61
Глава II. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ И СРЕДСТВ АРХИТЕКТУРНОГО МАКЕТИРОВАНИЯ 6
2.1. Морфологический анализ архитектурных объектов 63
2.1.1. Классификация свойств архитектурной формы ,...63
2.1.2. Сложность конфигурации архитектурных объектов и методика ее исследования 66
2.2. Общая характеристика архитектурных макетов 75
2.2.1. Структура процесса архитектурного проектирования 75
2.2.2. Классификация объектов архитектурного проектирования W
2.2.3. Виды архитектурных макетов 90
2.3. Предварительный анализ формообразования архитектурных объектов ?&
2.4. Анализ современных способов макетирования 100
2.4.1. Эксплуатационные требования и материалы макетов юо
2.4.2. Технология изготовления макетов 104
Выводы по второй главе 112.
Глава III. АНАЛИЗ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МАКЕТИРОВАНИЯ АРХИТЕКТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ 114
3.1. Общая методика исследования 114
3.2. Предварительный анализ эффективности автоматизированного макетирования 114
3.2.1. Анализ эффективности автоматизированного производства объектов сложной формы 114
3.2.2. Анализ технико-экономических характеристик проектных макетирования
3.2.3. Локализация области эффективного применения автоматизированного макетирования 125
3.3. Анализ области эффективного применения автоматизированного макетирования в современной архитектурной практике 150
3.3.1. Исследование сложности конфигурации объектов макетирования 150
3.3.1.1. Прикладная функционально-морфологическая типология объектов архитектурного проектирования 150
3.3.1.2. Определение типичной степени сложности архитектурных объектов .155
3.3.2. Оценка целесообразности применения автоматизированного макетирования объектов на стадиях архитектурного проектирования 155
Выводы по третьей главе 177
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 17?
Литература 181
Приложение 1
- Эволюционный анализ макетного метода архитектурного проектирования
- Морфологический анализ архитектурных объектов
- Общая методика исследования
Введение к работе
Постоянно возрастающая сложность и многоплановость задач, решаемых в практике современного архитектурного проектирования, изменение социально-экономических условий самой работы архитектора требуют дальнейшего совершенствования проектного дела, широкого применения прогрессивных методов, лриемов и технических средств в архитектурном творчестве. С каждым годом расширяется объем внедрения вычислительной техники в архитектурно-строительное проектирование. Сегодня ЭВМ - привычный инструмент в учебных, научно-исследовательских и проектных институтах. Компьютеры используются на всех этапах создания объектов архитектуры: исследования, проектирования, возведения и эксплуатации. В связи с этим все более актуальной становится задача эффективного использования столь мощного инструмента интенсификации творческой деятельности, каким является современная ЭВМ.
Одним из перспективных направлений интенсификации профессиональной деятельности архитектора является использование систем автоматизированного проектирования (САПР). Наибольшими возможностями при этом обладают технические средства и программные продукты, обеспечивающие органичное взаимодействие архитектора и компьютера в традиционной для проектировщика форме представления результатов творческого труда, т.е. в виде графических или объемных моделей. Если в области автоматизации графического моделирования ведется активная разработка проблем, связанных с широким внедрением этого процесса в проектную практику, то в области объемного моделирования (макетирования) автоматизация делает только первые шаги, и изготовление макетов до сих пор требует значительных затрат высококвалифицированного ручного труда.
В теории архитектуры содержание и специфика проектной деятельности с использованием автоматизированного макетирования мало изучены. С другой стороны, поиск эффективных автоматизированных технологий привел в конце 80-х годов к появлению в ведущих индустриальных странах принципиально нового класса промышленного оборудования - производственных систем быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), позволяющих в автоматизированном ре-
жиме изготавливать изделия сложной объемной формы. Уже известен опыт эффективного применения подобного оборудования в некоторых областях проектного творчества, например, в автомобильном дизайне.
Исследования возможности повышения эффективности процесса архитектурного проектирования с помощью автоматизированных технических средств макетирования находятся на начальной стадии. Решение подобных задач требует расширения и углубления теоретико-методических исследований профессиональной деятельности архитектора, специфики используемых в архитектурной практике методов и средств проектного моделирования с целью определения возможности эффективного включения в нее элементов автоматизированного макетирования. Эти актуальные задачи и составляют проблематику данного диссертационного исследования.
В качестве рабочей гипотезы принято предположение о возможности эффективного применения автоматизированного макетирования в профессиональном архитектурном проектировании.
Цель исследования заключается в определении области и пути эффективного применения автоматизированного макетирования на разных стадиях архитектурного проектирования для физического представления результатов трехмерного компьютерного моделирования равно как результатов "ручного" проектирования.
В соответствии с этой целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
Выполнение анализа методик проектного моделирования и выявление основные требования к средствам проектирования.
Определение современных условий для автоматизированного макетирования в архитектурном проектировании.
Установление объективныХгеометрическй^характеристик^ формы ар- V хитектурных объектов и их макетов.
Формулирование критерия и разработка методики оценки сложности геометрической формы архитектурного объекта и его макета.
Синтезирование комплексного критерия оценки эффективности макетного метода, учитывающего морфологию объекта и технико-экономические показатели процесса проектирования.
Разработка методики сравнительного анализа методов макетирования архитектурных объектов.
Определение области рационального применения автоматизированного макетирования и разработка рекомендаций по макетированию архитектурных объектов.
Объектом исследования является процесс профессионального архитектурного проектирования в условиях его комплексной автоматизации. В качестве предмета исследования выбран процесс объемного проектного моделирования при использовании автоматизированного технологического оборудования.
Методика исследования основана на системном подходе, применении методов функционального и структурного анализа, теории моделирования, теории выбора и принятия решения, экспертного анализа и теории прогнозирования. Основные теоретические результаты сопоставлялись с собранным фактическим материалом.
В работе впервые исследованы место и роль автоматизированного макетирования в системе современных средств профессионального архитектурного проектирования. Предложена и обоснована методика определения области эффективного применения систем автоматизированного макетирования в архитектурном проектировании и анализа возможности повышения эффективности профессиональной деятельности архитектора с помощью этих средств.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
предложен и обоснован подход к совершенствованию профессионального архитектурного проектирования, связанный с применением автоматизированного макетирования;
определена область рационального использования автоматизированного макетирования в практике архитектурного проектирования;
разработаны рекомендации по применению систем автоматизированного макетирования в рамках поставленных задач.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения
Во введении определено направление перспективного развития средств автоматизации архитектурного проектирования и поставлена цель исследования.
В первой главе "Состояние проблемы макетирования в архитектурной деятельности" определены место и роль макетирования в архитектурном проектировании. Проведен анализ развития и современного состояния практики архитектурного макетирования. Показана необходимость его автоматизации.
Во второй главе "Системный анализ объектов и средств архитектурного макетирования" рассматриваются виды архитектурных макетов с точки зрения их функций в организационной структуре процесса проектирования и характера архитектурного объекта. На основе исследования понятия "форма" в теории архитектурного проектирования разработана методика морфологического анализа объектов макетирования и принцип оценки сложности их конфигурации. Рассматриваются современные технологические способы изготовления объектов сложной пространственной формы.
В третьей главе "Анализ целесообразности применения автоматического макетирования архитектурных объектов" предлагается методика сравнительного анализа эффективности применения автоматизированного макетирования в архитектурном проектировании при решении задачи выбора оптимального по критериям эффективности способа макетирования ряда конкретных архитектурных объектов. Сделан анализ эффективности использования автоматизированного и ручного методов проектного макетирования. Приводятся предложения по применению автоматизированного макетирования в профессиональном архитектурном проектировании.
В заключении обобщены основные результаты диссертационного исследования и указаны пути дальнейшего развития данного научного направления.
?
Эволюционный анализ макетного метода архитектурного проектирования
Макетирование как объемное моделирование имеет длительную историю. Многие историки архитектуры считают, что модели первых архитектурных сооружений создавались из камней, кусков глины и дерева, влажного песка или ила. Проверить эти предположения невозможно, но вполне вероятно, что первые идеи возведения гигантских каменных культовых сооружений появились в результате "игры" с камнями. Игровая, а затем и ритуальная перестановка камней, результат которой зависел от выбора наиболее выразительных по форме и величине каменных элементов, стали первым актом сознательного объемного моделирования, в результате которого появились гигантские менгиры и кромлехи [100].
Во время археологических раскопок на Украине и в Румынии были найдены глиняные модели домов так называемой Трипольской культуры, возникшей около 3000г. и угасшей не позже 2000г. до н.э. "Это очень тщательно вылепленные модели - в них не только схематически отображен тип дома: вылеплен очаг, алтарь семейного божества, горшки на полках и даже фигурка хозяйки, занятой перемалыванием зерна на каменной ручной мельнице" [46]. Подобные скульптурные произведения, так же как и вавилонские модели .кораблей, колоколов, кроватей, столов [83] нельзя еще назвать архитектурными макетами, они скорее представляют собой архаичные сувениры - предметы культурно-бытового назначения. Однако несомненна их органическая связь с будущими средствами пространственного моделирования.
Собственно макеты появились в древнем Египте, где, например, модель храма хранилась в специальном помещении, так называемом "доме жизни" и служила для производства реставрационных работ, разрушающегося со временем культового здания [124, 193].
Древнегреческие архитекторы составляли проекты и в чертежах, и в моделях. В "Своде механики" Филона Византийского (Ив. до н.э.) модели в этом смысле упоминаются как предмет общеизвестный и не требующий пояснений [121, 118]. Демократический строй греков обязывал показывать наглядно архитектурные замыслы. Известно, что Перикл защищал на народных собраниях проекты зданий на Акрополе. Едва ли они представлялись только в чертежах, вероятнее думать , что проекты были представлены и в виде моделей [126]. Греческий автор римского времени Плутарх (Ив. н.э.) писал: "Города, обнародовав решения о постройке храмов или водружении колоссов, выслушивают мастеров, соревнующихся друг с другом ради получения заказа и приносящих проект и модели, и затем выбирают того, кто это же самое сделал дешевле, лучше и скорее" [16, 126]. Подобные макеты можно назвать демонстрационными, т.к. они выполняют социально-коммуникативную функцию.
Применение в античном мире рабочих макетов, выполняющих познавательно-эвристические функции, носило эпизодический характер. Известно лишь использование специальных моделей рельефа местности (ситуационных, говоря современным языком) римскими архитекторами при прокладке знаменитых водопроводов [125].
В средние века макеты становятся одним из основных средств архитектурного проектирования. Они изображались на ручных иконах в виде рельефов и фресок в армянских и грузинских храмах [114, 126, 131]. Модели зданий, как, например, в древнерусском деревянном зодчестве, служили "образцом" для строительного выполнения, который сопровождался описанием в размерах и деталях. Материалом для моделей обычно служило дерево. Однако возможно, что объемные эскизы зданий могли выполняться из глины или воска [126].
Архитектурные макеты были широко распространены в средневековой Европе. Художественные детали фасадов зданий той эпохи, такие как капители колонн и многие другие, выполнялись не по чертежам, а по "образцам", моделям. "Таких декоративных деталей в поздней готике было великое множество, работа по их изготовлению очень трудоемкая" [126]. Сохранился подлинник модели церкви Св. Михаила в Гильдесгайме (Германия) сделанный в 1001г. [39]. Маловероятно, что это была рабочая модель, которая требовалась зодчему в процессе строительства. Скорее всего, такая модель выполнялась для заказчиков и служила как наглядный образец будущего храма, который фиксировал созревший замысел архитекторов. Однако это предположение не отрицает возможности изготовления более простых моделей, служивших для проверки идеи [162].
Известно, что модели Иерусалимского храма Вознесения (рис. 1.1.) изготавливались в Палестине и вывозились поломниками как реликвии [162].
В период итальянского Возрождения началось и уже далее не прерывалось систематическое применение масштабных материальных моделей в архитектурно-строительном проектировании. Известно, например, что при сооружении Флорентийского собора Филиппо Брунеллески изготовил несколько рабочих масштабных моделей купола [59, 121]. Модели такого рода носили лишь качественный характер. Вопросы выбора геометрических размеров элементов конструкции реального сооружения решались на основе изучения прототипов, личного опыта, качественных суждений о характере "работы" и взаимодействия частей сооружения без привлечения каких-либо научных методов и расчетов. Аналогично, на основе опыта и здравого смысла, учитывались масштабные эффекты при переходе от модели к реальному, "натурному" сооружению. Естественно, что модель такого рода давала автору весьма ограниченный объем сведений о свойствах будущего реального сооружения, но конечная цель ее создания - выбор рациональной конструкции и размеров сооружения - достигалась [121]. Поэтому выдающийся ученый и архитектор того времени Л.-Б. Альберта, обращаясь к проектировщику отмечал, что в процессе проектирования необходимо "внимательно рассматривать и исследовать все здание в целом и отдельные размеры каждой части не только на чертежах и рисунках, но и в моделях и образцах..., чтобы по окончании задания не жалеть о сделанном" [10, 124].
Морфологический анализ архитектурных объектов
"Синей птицей" современного зодчества назвал форму Ф.Новиков. [127]. Проблемы архитектурной формы, однако, относятся к категории "вечных" и были актуальны на протяжении практически всей истории развития архитектурной теории. Существует целый ряд определений понятия формы в архитектуре. По мнению А.В. Иконникова, например, форма архитектурного объекта "выражает способ его организации и способ существования в контактах среды и культуры. Форма выступает и как материальное воплощение информации, существенной для практической деятельности и духовной жизни людей, как носитель эстетической ценности и идеально-художественного содержания. Через Форму осуществляется функция произведения, соответственно, прежде всего на нее направлена профессиональная деятельность зодчего, преобразующего аморфную материю по законам природы, социальной целесообразности и красоты" [77]. Приведенное определение является развитием более краткого, данного тем же автором в работе [78].
Известно также определение А.П.Мардера в работе [115], считавшего, что "под архитектурной формой в общем виде следует понимать пространственную организацию процессов жизнедеятельности человека, закрепленную в материально-телесных (вещественных) формах зданий и сооружений, их частей и элементов".
Оба цитируемых автора, как и многие другие [89], подразумевают наличие нескольких уровней понятия "архитектурная форма", хотя приведенные определения, скорее всего относятся к уровню архитектурного объекта и выступают в качестве современной интерпретации знаменитой триады Витрувия.
Вообще же в современной теории архитектуры форму понимают и как часть сооружения, и как часть композиции, и как пластический объем, и как пространственное образование, как предмет восприятия или как материальную вещь, подчиненную законам физики и механики, как рациональное решение утилитарной, технической и художественной задачи, и как выражение спонтанной творческой воли, национального духа или духа времени [143]. і
На рис. 2.1. в графической форме представлена попытка выделения основных иерархических уровней архитектурной формы в соответствии с результатами исследований в области архитектуры, математики и философии.
На самом верхнем уровне (ФІ) архитектурная форма предстает в виде архетипа целостного объекта, т.е. архитектурной системы определенного уровня (градостроительный комплекс, здание или сооружение и т.п.).
Следующим уровнем (ФП) рассмотрения архитектурной формы является ее анализ в общефилософских категориях "формы" и "содержания". Применительно к архитектурному творчеству данные категории конкретизируются в понятиях "концепция архитектурной формы" и "функциональный потенциал". Под концепцией "архитектурной формы" будем понимать, как и авторы работ [88, 174], средство переложения функционального содержания ("функционального потенциала") [104] на язык архитектурной композиции. Она определяет характер архитектурного объекта, его главные и второстепенные элементы, принципы их пластической разработки, членений и ритмизации масштабного и колористического решения, формирует эмоционально-образный характер, архитектурной среды.
При дальнейшем анализе концепция формы конкретизируется в двух аспектах: внутренней формы (структуры) и внешней формы [141, 142]. Последняя, как следует из теории моделирования, может быть описана конфигурационно и субстационно (см. п.1.2.).
Конфигурация (уровень ФШ) строится по законам и средствам композиции, которая в свою очередь оперирует понятиями "масса" (объем) и "пространство" [28, 40]. Объемные формы (уровень ФІУ) получают свое выражение с помощью языка пластики и тектоники. При этом тектоника выступает как процесс и результат организации целесообразной конструкции сооружения в соответствии с задачами создания выразительной формы, т.е. как взаимодействие технико-конструктивных и семантических закономерностей архитектурной формы [78]. Пластика выступает как воспринимаемая граница и средство раскрытия "динамики взаимоотношений" [61] пластичных и "пространственных тел" (по Ф.Гибберду [181]).
Можно выделить две основных группы свойств архитектурной формы (уровень ФУ): свойства связанные с субъективным человеческим восприятием и объективные (геометрические) свойства. Вторая группа является базовой, первичной. К первой группе свойств относятся различаемые И.В. Ламцовым [103] статичность или динамичность, легкость или массивность; строгость и лиричность; единство (цельность), соразмерность (гармоничность). Геометрические свойства формы были четко сформулированы еще Г. Лейбницем: величина (размерность), фигура (очертание) и положение в пространстве [17].
Общая методика исследования
Для определения области эффективного применения автоматизированного макетирования в практике архитектурного проектирования необходимо, прежде всего, выработать критерий оценки этой эффективности. Очевидно, что эффективность является комплексной характеристикой качества некоторого процесса или системы, его осуществляющей. Поэтому показатель эффективности как сложного свойства должен быть системой нескольких показателей единичных свойств. В качестве последних целесообразно принять показатели, характеризующие морфологические особенности объекта макетирования, а также технико-экономические требования к процессу макетирования, связанные с общественной значимостью объекта проектирования. Первая группа критериев представлена показателем сложности геометрической конфигурации объекта проектирования. Вторую группу критериев эффективности составляют характеристики требуемой точности, допустимой трудоемкости (времени изготовления) и допустимой стоимости изготовления макета. Таким образом, в качестве критериев эффективности выбраны следующие:
- сложность конфигурации объекта макетирования;
- требуемая точность макета;
- допустимая трудоемкость макетирования;
- допустимая стоимость макета.
Ранжирование (расстановку по приоритетам) данных критериев по их значимости возможно осуществить только применительно к конкретной ситуации в отношении конкретного объекта макетирования. Для выработки практических рекомендаций общего характера можно принять эти критерии равнозначными, т.е. имеющими одинаковую важность.
В соответствии с целями данного исследования необходимо рассмотреть все возможные сочетания принятых критериев в практике архитектурного макетирования. Для этого необходим полный комбинаторный перебор возможных вариантов сочетаний показателей с учетом значений уровней их изменения. В целях упрощения процедуры анализа при обеспечении достаточной его точности количество уровней варьирования значений критерия рационально принять одинаковым и равным трем для всех четырех рассматриваемых характеристик эффективности. Необходимо также отметить, что в связи с качественным "невычислимым" характером этих показателей, их удобно рассматривать как "нечеткие (лингвистические) переменные" [67]. Иллюстративный пример понятия лингвистической переменной приведен в Приложении 2. В данной работе качественные критерии "сложность", "точность", "стоимость" и "трудоемкость" представлены и анализируются как лингвистические переменные с тремя значениями - "низкая", "средняя", "высокая".
Ввиду сложности проблемы определения области эффективного применения автоматизированного макетирования и, следовательно, комплексного характера ее решения настоящее исследование целесообразно проводить в два этапа. На первом этапе осуществляется предварительный экспресс-анализ предметной области исследования. Его цель заключается в структурировании и локализации поля поиска за счет отбрасывания заведомо маловероятных сочетаний исходных факторов. Основные стадии экспресс-анализа показаны на рис. 3.1.
На первой стадии группа экспертов - специалистов в области автоматизации единичного и опытного производства изделий сложной пространственной формы (технологи, экономисты, макетчики, модельщики, программисты и др.) должны оценить возможность и эффективность применения автоматизированного оборудования для изготовления абстрактных объектов производства, представленных конкретными сочетаниями значений характеристических показателей.
На второй стадии группа архитекторов-профессионалов на основе рассмотрения морфологических особенностей типичных объектов архитектурной практики и технико-экономических требований к процессу их макетирования на традиционных стадиях архитектурного проектирования должна осуществить приближенное ранжирование (в шкале "вероятно - маловероятно") кодовых наборов уровней характеристических признаков объектов макетирования. При этом обязательно учитывается и стадия архитектурного проектирования, на которой наиболее вероятно появление конкретной комбинации закодированных исходных факторов.
Так как проблемы, поставленные на первой и второй стадиях экспресс-анализа сложные, для их решения использовалась коллективная экспертиза. Методика проведения коллективной экспертизы приведена в Приложении 3.
На третьей стадии осуществляется суперпозиция (наложение) полей результатов экспертиз первой и второй групп аналитиков. Таким образом "в первом приближении" определяется и визуализируется гипотетическая область эффективного автоматизированного макетирования объектов архитектурного проектирования.
Результаты, полученные на этапе предварительного анализа, имеют важное методологическое значение для исследования области эффективного автоматизированного макетирования объектов архитектурного проектирования. Но, вместе с тем, в прагматическом аспекте их практический рекомендательный потенциал резко ограничен из-за предельной абстрактности, неконкретности, "снятости" отражения решения поставленной в работе проблемы.
