Методи геометричного моделювання розміщення об'єктів житлової забудови

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методи геометричного моделювання розміщення об'єктів житлової забудови

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зростаючі вимоги до якості житлового фонду вимагають всебічного урахування екологічних чинників при проектуванні житлової забудови (ЖЗ). Висока невизначеність та недостатність інформації, особливо на ранніх стадіях проектування ЖЗ, творчий характер процесів проектування та різноманітність вимог до якості житла і екологічних умов його експлуатації призводять до слабкої структурованості завдань цього класу і суттєво ускладнюють їх формальний опис з метою реалізації на ЕОМ. Тому найбільш доцільним підходом до вирішення проблеми є розробка технології геометричного моделювання ЖЗ, яка поєднує множину класів часткових моделей, що відбивають оригінал з тим або іншим ступенем адекватності, і надає користувачу можливість активної діяльності з генерації цих моделей і їх реалізації на ЕОМ на різних етапах проектування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності до підрозділу 6.2.2 «Перспективні інформаційні технології» Плану держбюджетних робіт Міністерства освіти України.

Метою роботи є розробка і розвиток методів та технологій геометричного моделювання розміщення об'єктів ЖЗ з урахуванням середовища функціонування (СФ).

У відповідності до поставленої мети в дисертації сформульовані та вирішені такі основні задачі:

1. Обрано та обгрунтувано принципи і методи структуризації та інтеграції об'єктів і процесів проектування ЖЗ, методи багатокритеріальної оцінки і оптимізації проектних рішень з урахуванням СФ при різному ступені визначеності критеріїв, їхньої взаємної важливості, вхідної інформації, тощо.

2. Розроблено графоаналітичні методи оцінки екологічного СФ на прикладі електромагнітних випромінювань оптичного діапазону (ЕМВ ОД), що дозволяють знайти кількісні значення екологічних чинників, визначити і візуалізувати зони комфорту та дискомфорту.

3. Розроблено методи геометричного моделювання розміщення об'єктів на території ЖЗ з урахуванням СФ.

4. Одержані в дисертації технології, моделі та методи реалізовані у вигляді системи геометричного моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у створенні математичних моделей, алгоритмів та програм, що у сукупності складають основу проблемно-орієнтованої технології геометричного проектування ЖЗ з урахуванням СФ. Новизна полягає в глибокому та комплексному врахуванні чинників екологічного СФ спроектованих об'єктів, що дає можливість забезпечити досягнення якості об'єкту у його СФ, тобто на етапі експлуатації. Для цього вдосконалений і набув подальшого розвитку комплекс графоаналітичних методів оцінки екологічного СФ на прикладі ЕМВ ОД, що дозволяє визначити не тільки кількісні значення чинників, але й встановити по кожному з них зони комфорту і дискомфорту.

Створено комплекс базових математичних моделей і алгоритмів геометричного моделювання розміщення об'єктів ЖЗ, адаптивних до проектних ситуацій.

Розроблено систему геометричного моделювання розміщення об'єктів на території ЖЗ, що реалізує отримані моделі на ПЕОМ, а також інтерфейсний модуль, що забезпечує зв'язок користувача з системою.

Методи дослідження. В роботі використані методи теорії системного аналізу, інформації, баготокритеріальної оцінки і оптимізації, геометричного моделювання і проектування.

Вірогідність одержаних результатів підтверджена їх порівнянням із результатами, отриманими іншими засобами, а також досвідом практичного застосування при проектуванні реальних об'єктів.

Практична цінність. Одержані у дисертації результати дозволяють підвищити ефективність методів проектування нової житлової забудови та ЖЗ, що реконструюється, з урахуванням екологічного СФ на основі раціонального використання ресурсів, скорочення часу проектування та впровадження нових комп'ютерних технологій. Дисертаційна робота виконана згідно з темою «Дослідження і розробка нових комп'ютерних технологій проектування соціально-екологічних систем на прикладі житлової забудови» (№ДР 0194 U 038225) на кафедрі інформатики Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури. Наукові результати впроваджені у ДПІ Харківпроект при проектуванні нової та реконструйованої житлової забудови. Результати дисертаційної роботи використовуються: при читанні лекцій, виконанні лабораторних робіт, у курсовому проектуванні з дисципліни «Комп'ютерні технології в урбоекології» у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури.

Апробація роботи. Основні положення та результати роботи доповідалися, обговорювалися та були схвалені на конференціях і семінарах: 3-й Міжнародній конференції «Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації» (Харків-Туапсе, ХТУРЕ, 1997); 9-й та 10-й Міжнародній школі-семінарі «Перспективні системи управління на залізничному, промисловому та міському транспорті» (Алушта, 1996-1997); Всеукраїнській науково-теоретичній конференції «Культура України: історія та сучасність» (Харків, ХДІК, 1996); Науково-методичній конференції «Використання комп'ютерних технологій в учбовому процесі» (Харків, ХТУРЕ, 1997); Республіканському семінарі Наукової Ради АН України з проблеми «Кібернетика» (Харків, 1998); 51-53-й Науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (Харків, ХДТУБА, 1996-1998).

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в 7 статтях, 7 матеріалах та тезах доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури з 119 найменувань, 21 рисунка і 5 таблиць. Загальний обсяг роботи 120 сторінок.

Зміст роботи

житловий екологічний забудова

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і основні завдання дослідження, охарактеризована новизна і практична цінність одержаних результатів, вказаний їхній зв'язок з планами наукових досліджень та цільовими програмами, наведені дані про апробацію та публікації основних наукових положень, що виносяться на захист.

В першому розділі на підставі аналізу проблем проектування ЖЗ обґрунтовано необхідність вирішення двох взаємопов'язаних завдань: 1) аналізу і оцінки СФ; 2) проектування ЖЗ з урахуванням екологічних чинників. Наведені постановки цих завдань.

Проведено аналіз підходів і методів вирішення завдань геометричного моделювання, який показав, що для проектування ЖЗ необхідно обрати та обгрунтувати принципи та методи структуризації і інтеграції об'єктів та процесів проектування ЖЗ і розробити методи геометричного моделювання екологічного СФ на прикладі ЕМВ ОД і розміщення об'єктів ЖЗ. На основі аналізу літератури обрані задачі дослідження.

В другому розділі обгрунтовано принципи побудови інтерактивно-графічної технології геометричного моделювання розміщення об'єктів ЖЗ, обрано методи структуризації та інтеграції об'єктів і процесів проектування ЖЗ, що дозволять ураховувати основні етапи життєвого циклу (ЖЦ) об'єкту проектування та його середовища функціонування. Обґрунтовано методи багатокритеріальної оцінки і оптимизації в залежності від ступеня визначеності критеріїв, їхньої взаємної важливості, вхідної інформації, тощо, що забезпечують досягнення якості проектних рішень ЖЗ з урахуванням її СФ і ЖЦ.

У третьому розділі розроблено графоаналітичні методи оцінки екологічного СФ на прикладі ЕМВ ОД. Обрано модель природнього джерела інсоляції для будь-якого моменту часу та дня року. Сформульовано завдання оцінки інсоляції і затінення території забудови. Знаючи параметри, що характеризують форму, розміри, координати і орієнтацію кожного будинку (споруди), а також території забудови, необхідно в зазначених розрахункових точках території визначити інтервали і тривалість інсоляції (затінення), а також збудувати області комфорту (інсоляції) і дискомфорту (затінення) та знайти їхні характеристики.

Розроблено математичні методи оцінки таких кількісних показників затінення та інсоляції території забудови для вказаної точки : 1) інтервалів безперервного затінення точки -м об'єктом або групою де - кількість затінюючих об'єктів або їх частин; 2) тривалості безперервного затінення вказаної точки території -м об'єктом або їх групою (); 3) інтервалів безперервного затінення заданої точки території всіма об'єктами , а також сумарної тривалості затінення; 4) інтервалів безперервної інсоляції вказаної точки території ( де - кількість інтервалів інсоляції з урахуванням усіх затінюючих об'єктів); 5) тривалості безперервної інсоляції вказаної точки території протягом кожного інтервалу; 6) сумарної тривалості інсоляції заданої точки території.

Щоб побудувати зони комфорту (ділянки території, що інсолюються протягом необхідного часу) і дискомфорту (ділянки, що не інсолюються протягом достатнього часу), на територію забудови (площини) наноситься сітка із заданим кроком ,, у вузлах якої розраховуються всі необхідні кількісні показники. Обираються тільки ті вузлові точки території, в яких значення сумарної (безперервної) інсоляції дорівнюють допустимим, та через них проводиться крива, що є демаркаційною лінією комфорту і дискомфорту з інсоляції. Таким чином знаходиться область допустимого розміщення для нових об'єктів у зоні реконструкції. Збудувавши означені області, можна визначити такі їх характеристики як площа комфорту і дискомфорту , а також коефіцієнти комфорту і дискомфорту за формулами

, (1)

де - площа території забудови.

Запроваджено геометричні показники оцінки затінення та інсоляції території забудови - область миттєвої тіні та інсоляції, безперервного затінення та інсоляції, затінення та інсоляції протягом інтервалу часу. Розроблено математичні методи їх побудови.

Запропоновано методи оцінки інсоляцii приміщень житлових об'єктів, що дозволять побудувати критерії і обмеження при виборі оптимальної орієнтації будівель.

В четвертому розділі розроблено методи геометричного моделювання розміщення об'єктів на території ЖЗ.

Задача розміщення нових об'єктів і надбудови існуючих будинків формулюється так. На території забудови , що реконструюється, є множина існуючих об'єктів (, де - кількість існуючих будов), що характеризуються координатами центру основи, його орієнтацією , площею та конфігурацією, загальною (житловою) площею () при наявній висоті . Відома множина проектів нових об'єктів (, де - кількість нових об'єктів), що характеризуються показниками , (), , аналогічними для існуючих будов. Задана область допустимого розміщення нових об'єктів на території реконструкції . Необхідно визначити такі координати центру основи і кути орієнтації нових об'єктів (), а також висоти надбудови існуючих об'єктів (), при яких обрані часткові критерії оптимізації в області допустимих рішень досягають задовільних значень з урахуванням їх вагомості.

Враховуючи вимоги, що висуваються до місцезнаходження житлових будинків на території забудови, за основні часткові критерії оптимізації може бути використано:

1. Максимальна щільність житлового фонду

. (2)

2. Мінімальна щільність затінення території забудови будинками

, (3)

де, , , - площа розгортки тіні та область затінення -го нового та -го існуючого об'єкту при висоті ; - площа області затінення нових будинків, що розміщуються i існуючих об'єктів, що надбудовуються.

3. Максимальна інсоляція житлових приміщень нових будинків

, (4)

, (5)

, (6)

де , , - інсоляція відповідно житлових приміщень -го будинку, -ої квартири в ньому та -ої кімнати цієї квартири.

На значення невідомих змінних накладаються такі основні обмеження, що визначають область допустимих розв'язків : 1) умови забезпечення не менше годин інсоляції однієї житлової кімнати в одно-, двох - та трьохкімнатній квартирах нових та існуючих будинків, якi надбудовуються, і двох житлових кімнат в чотирьох - та п'ятикімнатних квартирах; 2) умови належності нових будинків області ; 3) умови взаємного неперетинання та незатінення будинків.

Сформульована задача належить до задач багатокритеріальної оптимізації розміщення і надбудови неоднорідних неконгруентних об'єктів, бо області затінення території будинками пiдлягають неконгруентним перетворенням в залежності від їх орієнтації, розташування та висоти.

Розв'язання задачі в загальному вигляді пов'язане з чималими труднощами, викликаними багатокритеріальністю, великою вимірністю, неодноріднiстю та неконгруентністю об'єктів розміщення самим собі. Тому в роботі поряд з оптимізаційними методами для окремих випадків запропоновані інтерактивно-графічні методи, що реалізуються двома засобами. Перший засіб являє собою машинну експертизу, що дозволяє оцінити та скорегувати варіанти розміщення будинків традиційним (ручним) методом. Другий засіб дає можливість в інтерактивно-графічному режимі одразу генерувати допустимі варіанти розміщення, оцінювати їх за критеріями і обирати найкраще рішення.

Одне з першочергових завдань під час розміщення нових об'єктів - це вибір оптимальної за інсоляцією приміщень орієнтації будівель. За часткові критерії оптимізації обрані максимальна інсоляція приміщень усіх квартир (5) - (6). Область допустимих розв'язань задається умовами забезпечення необхідної інсоляції однієї житлової кімнати в одно-, двох - та трьохкімнатних квартирах і двох житлових кімнат в чотирьох - та п'ятикімнатних квартирах:

; (7)

. (8)

Наведена модель належить до задач багатокритеріальної одновимірної оптимізації з кусочно-лінійними функціями цілі та обмеженнями типу І-АБО. Для її формалізації розроблено принципи і методи аналітичного опису інсоляції приміщень через вікна, а також модель та алгоритм її вирішення при сумісності і несумісності систем обмежень на тривалість інсоляції приміщень у квартирах різного типу.

Розроблено інтерактивно-графічну технологiю розміщення об'єктів ЖЗ з урахуванням ЕМВ ОД. Розглянемо постановку задачі розміщення об'єктів ЖЗ за такими критеріями: 1) максимальний коефіцієнт заповнення території об'єктами ЖЗ, подібний до (2); 2) мінімальна щільність затінення території (3); 3) максимальна інсоляція приміщень будинків (4) - (6). Відомо: 1) множина проектів типових та індивідуальних висотних об'єктів (, де - кількість об'єктів), що характеризуються площею основи і конфігурацією, загальною (житловою) площею (), висотою . Висотним об'єктом розміщення будемо називати об'єднання основи висотного об'єкту і його тіньової зони. 2) множина типових і індивідуальних асфальтових та спортивних майданчиків, майданчиків озеленення і відпочинку (, де - кількість майданчиків), що характеризуються площею та конфігурацією. Для майданчиків може бути визначена область заборони, що задає мінімальні відстані до висотних об'єктів. Під майданчиком розуміється об'єднання території майданчика та її області заборони. Область території ЖЗ задано її границею . Необхідно визначити такі координати центру основи та кути орієнтації висотних об'єктів () і майданчиків (), за якими обрані критерії досягають задовільних значень з урахуванням їхньої вагомості. На значення параметрів розміщення об'єктів накладаються такі основні обмеження, що визначають область допустимих рішень: 1) умова забезпечення необхідної інсоляції житлових кімнат квартир висотних об'єктів (7) - (8); 2) умова належності висотних об'єктів та майданчиків області

; (9)

умова взаємного неперетинання і незатінення висотних об'єктів (та майданчиків):

. (10)

Для вирішення задачі розроблено алгоритм, наведений нижче.

1. Обирається перший об'єкт з множини висотних об'єктів або множини майданчиків . Фіксується його орієнтація . Для висотних об'єктів обирається орієнтація із максимальною інсоляцією приміщень. Для майданчиків орієнтація визначається проектувальником, виходячи з орієнтації розміщених раніш висотних об'єктів. Формується область допустимого розміщення об'єкту з урахуванням його належності території забудови . Границею такої області є годограф вектор-функції щільного розміщення (ГВФЩР) об'єктів и . За центр основи об'єкту вибирається одна з точок . Визначається область затінення даним об'єктом території забудови .

2. Обирається другий об'єкт з множини висотних об'єктів або множини майданчиків . При фіксованій орієнтації цього об'єкту будується область допустимого розміщення цього об'єкту на території забудови як в п. 1. Визначається годограф вектор-функції щільного розміщення першого об'єкту і основи другого об'єкту . Утворюється ГВФЩР основи першого об'єкту та другого об'єкту . Знаходиться об'єднання областей та . Отримана область є областю заборони розміщення об'єкту навколо об'єкту . Її границю позначимо . При розміщенні майданчиків границя області заборони одержується як ГВФЩР основи висотного об'єкту та майданчика. Областю допустимого розміщення об'єкту буде перетинання областей і . Обирається одна з точок збудованої області як центр основи об'єкту .

3. Пункт 2 повторюється для об'єктів , ,…, . Відмінність полягає у тому, що область допустимого розміщення об'єкту утворюється як перетинання області допустимого розміщення об'єкту на території забудови і областей () допустимого розміщення -го об'єкту навколо -го.

Після розміщення всіх об'єктів обчислюються значення часткових критеріїв оптимізації. Для одержання узагальненого критерію використовується одна з наведених в дисертації моделей згортки критеріїв. Виробляється якісна оцінка проекту шляхом візуалізації та побудови перспектив з різних точок зору. Якщо варіант задовольняє проектувальника, то він записується у базу даних проекту. За запропонованим алгоритмом знаходяться декілька варіантів розміщення об'єктів на території забудови і обирається найкращий з них за узагальненим критерієм.

Розроблена інтерактивно-графічна технологія дозволяє вести багатоваріантне проектування генплану нової житлової забудови з оцінкою кожного варіанту як за кількісними, так і за якісними показниками з подальшим вибором найкращого варіанту.

В розділі 5 розроблено систему геометричного моделювання розміщення об'єктів житлової забудови, що забезпечує автоматизоване проектування забудови із отриманням креслень та інших документів на ПЕОМ. Дано її загальну характеристику і структуру. Система орієнтована на роботу як з типовими, так і з індивідуальними об'єктами забудови мікрорайону. Вона реалізована на базі графічного редактора AUTOCAD версії 14 і СУБД FOXBASE. Діалог з користувачем ведеться через екранне меню. В можливості системи входить: формування розбивки території забудови на планшети; креслення червоних ліній забудови; вибір з бази даних і прив'язку типових та індивідуальних висотних об'єктів забудови і майданчиків різного призначення; стиковку об'єктів забудови (блок-секція, блок-елементи); формування індивідуальних майданчиків; формування доріг і проїздів з автоматизованим проектуванням перехресть; урахування існуючих елементів забудови (режим реконструкції); планування об'єктів забудови за чергою будівництва. Для врахування екологічних чинників існують такі можливості: розрахунок природнього освітлення приміщення в означених точках, побудова поверхні розподілу коефіцієнта природнього освітлення, визначення зон комфорту всередині приміщення; побудова миттєвих тіней об'єкту, побудова області затінення території групою об'єктів за означений інтервал часу, визначення області, що затінюється протягом заданого інтервалу часу, побудова областей безперервної інсоляції; обчислення кількісних показників затінення та інсоляції (тимчасові інтервали безперервної інсоляції і затінення точок, тривалість інсоляції та затінення, площі областей інсоляції і затінення, щільність інсоляції та затінення території).

Автоматизоване розміщення об'єктів на території забудови можливе з урахуванням таких часткових критеріїв та обмежень: максимальна щільність житлового фонду; мінімальна щільність затінення території забудови будинками та спорудами; максимальна інсоляція житлових приміщень. Припускається застосування як одного з означених критеріїв, так і будь-якої їхньої комбінації. Як обмеження використовуються: умови належності об'єктів території; взаємного неперетинання об'єктів; забезпечення заданого часу інсоляції приміщень; взаємного незатінення будинків.

Модуль інтерфейсу із користувачами реалізований за допомогою діалогових вікон і випадаючих меню.

Наведено приклади оцінки ЕМВ ОД, машинної експертизи забудови, що проектувалася традиційними методами (вручну) і розміщення об'єктів ЖЗ з урахуванням ЕМВ ОД.

Висновки

1. На підставі системного аналізу проблеми проектування ЖЗ обгрунтовано необхідність створення технології геометричного моделювання розміщення об'єктів ЖЗ.

2. Обрано і обгрунтовано принципи та методи структуризації і інтеграції об'єктів та процесів проектування, а також методи оцінки та оптимізації проектних рішень в умовах багатокритеріальності при різному ступені визначеності критеріїв, їх взаємної важливості, тощо.

3. Розроблено інформаційну технологію та графоаналітичні методи аналізу екологічного СФ на прикладі ЕМВ ОД, що дозволяють кількісно та графічно оцінити цей екологічний чинник шляхом побудови зон комфорту (дискомфорту) з їх візуалізацією і визначити області допустимих проектних рішень та критерії їх оптимізації.

4. Розроблено моделі, методи і технології геометричного моделювання розміщення об'єктів ЖЗ різноманітного призначення з урахуванням СФ, що дозволяють організувати багатоваріантне проектування ЖЗ, підвищити якість проектних рішень і забезпечити комфортні умови проживання та раціональне використання ресурсів.

5. Розроблено систему геометричного моделювання розміщення об'єктів ЖЗ. Описано основні засоби забезпечення системи, програмно-методичні комплекси реалізації розроблених моделей та результати практичного застосування в проектних організаціях, що підтвердили доцільність їхнього використання.

6. Проведені дослідження поставили ряд нових завдань геометричного моделювання ЖЗ.

Основні праці за темою дисертації

Нефедов Л.И., Лулаков В.П. Моделирование размещения архитектурных объектов // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков, 1996. - №3,4. - С. 73.

Нефедова А.Л., Лулаков В.П. Автоматизация светотехнических расчетов на ПЭВМ // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков, 1997. - №4. - С. 95.

Лулаков В.П., Нефедова А.Л. Компьютерные технологии оценки электромагнитных излучений оптического диапазона // Инфор-мационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков, 1997. - №4. - С. 95-96.

Нефедов Л.И., Лулаков В.П. Диалоговая система размещения жилых зданий // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков, 1997. - №4. - С. 100.

Лулаков В.П., Нефедова А.Л. Автоматизация расчетов светотехники // АСУ и приборы автоматики. - Харьков, 1997, №106. - С. 56-60.

6. Нефедова А.Л., Лулаков В.П Система геометрического моделирования жилой застройки // Науковий вiсник будiвництва. - Харків, ХДТУБА, 1998, вип. 2. - С. 168-171.

7. Лулаков В.П., Нефедова А.Л. Геометрическое моделирование размещения объектов жилой застройки с учетом экологических факторов // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - Харьков, 1998, №4. - С. 77-80.

8. Нефедов Л.И., Лулаков В.П. Система проектирования жилых кварталов с учетом экологических факторов // Тез. докл. 3-й межд.

конф. «Теория и техника передачи, приема и обработки информации». - Харьков-Туапсе, 1997. - С. 256-257.

9. Запорожцев С.Ю., Лулаков В.П., Нефьодова А.Л. Компьютерна технологія оцінки природнього освітлення читальних залів бібліотек // Матеріали Всеукраїнської науково-теоретичної конференції «Культура України: історія і сучасність». - Харків: ХДІК, 1996. - С. 63-64.

10. Лулаков В.П., Нефедова А.Л. Использование компьютерной технологии при автоматизации светотехнических расчетов // Тез. докл. науч.-метод. конф. «Использование компьютерных технологий в учебном процессе». - Харьков: ХТУРЭ, 1997. - С. 237-238.

11. Нефедов Л.И., Лулаков В.П. Геометрическое моделирование размещения архитектурных объектов // Тез. докл. 51-й науч.-техн. конф. «Строить - значит думать о будущем». - Харьков: ХГТУСА, 1996. - С. 53.

Размещено на Allbest.ru