Структурно-параметричний синтез поліфункціональних архітектурно-будівельних об’єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧНИЙ СИНТЕЗ ПОЛІФУНКЦІОНАЛЬНИХ АРХІТЕКТУРНО-БУДІВЕЛЬНИХ ОБ'ЄКТІВ

Білецький Б.В., к.т.н., доцент (Національний університет водного

господарства та природокористування, м. Рівне)

Представлені результати теоретичних досліджень щодо доцільності використання поліфункціональних архітектурно-будівельних об'єктів (конструкцій, приміщень, будівель) у практиці сучасного вітчизняного будівництва.

Тhe results of the theoretical researches reasonable using of polyfunctional architecture-building objects (constructions, houses, buildings) in practice of modern native building are introducing in this article.

Поліфункціональним об'єктом (ПФО) в архітектурно-будівельному проектуванні називають такий, що виконує дві або більше функцій. Поліфункціональними можуть бути деякі конструкції, окремі приміщення, будівля в цілому. ПФО є складною системою, тобто цілісною множиною елементів, які перебувають у взаємозв'язках один з одним і виконують разом певні функції. Ці функції розділяють на визначальну (вимагає екстремальних характеристик об'єкта: розмірів, місткості і т.п.); ведучу (найдовший час використання об'єкта для її забезпечення); супутні (існує принципова можливість їх виконання) [1].

Методологічною основою проектування ПФО є системний підхід, при якому об'єкт (складну систему) можна представити у вигляді кортежа:

ПФО = <S, P, F>, (1)

де S = {Si} - множина структурних елементів, i = [1 ; n];

P = {Pi,j} - множина параметрів цих елементів, j = [1 ; m];

F = {F k} - множина виконуваних функцій, k = [1 ; l].

Процес проектування ПФО характеризується циклічним повторенням процедур аналізу, синтезу та оцінки. Процедури синтезу об'єкта проектування, які вважаються найбільш складними з точки зору формалізації, розділяють на синтез функцій, структури, параметрів.

При комп'ютерному проектуванні важливе місце займають задачі структурно-параметричного синтезу, які в свою чергу можна розділити на задачі формоутворення (пошук оптимальних геометричних параметрів об'єкта) і компонування (визначення оптимального положення на площині та в просторі структурних елементів об'єкта) [2].

Структурно-параметричний синтез допомагає утворювати багато варіантів проектних рішень ПФО і, як наслідок, вимагає проведення оптимізації функціонування, структури, параметрів. Оптимізаційні задачі в такому випадку є багатокритеріальними, і за критерій оптимальності (цільову функцію) доцільно приймати характеристику, яка найповніше розкриває суть поліфункціональності, або виконувати нормування критеріїв [3].

Наведені міркування дозволяють графічно зобразити процес проектування ПФО у вигляді схеми (рисунок).

Рисунок. Процес проектування ПФО

Особливості проектування ПФО розглянемо на прикладі огороджуючих конструкцій, залів для глядачів і адміністративно-побутових будівель, тобто за схемою: «конструкція - приміщення - будівля».

Шляхи енергозбереження в будівництві розділяють на 4 основні напрямки: 1) вдосконалення будівельних конструкцій; 2) покращення об'ємно-планувальних вирішень; 3) використання альтернативних джерел енергії; 4) оптимізація інженерного обладнання [4].

В енергоощадних об'єктах особлива увага повинна приділятись проектуванню огороджуючих конструкцій, на які в традиційних будівлях приходиться основна частина втрат тепла (до 80%). Одним із перспективних методів підвищення ефективності цих конструкцій є проектування на основі принципу поліфункціональності, який передбачає одночасне виконання конструкцією двох чи більше функцій. Таке поєднання економічно обґрунтоване, адже необхідні конструктивні та технологічні елементи суміщуються. Прикладами поліфункціональних огороджуючих конструкцій (ПФК) є дах або стіна, суміщені з колектором сонячної енергії; міжповерхове пустотне перекриття, що акумулює теплову енергію; підлога, обладнана системою каналів для руху нагрітого повітря, та ін.

Проектування ПФК вимагає, насамперед, виконання операцій синтезу: функціонального, структурного, параметричного. Функціональний синтез полягає у відборі та обґрунтуванні таких функцій, які забезпечують найбільшу ефективність роботи ПФК в залежності від призначення будівлі та кліматичних умов будівництва. Структурний синтез дозволяє в процесі проектування розглядати ПФК як складну систему, утворену із окремих структурних елементів. Під структурним елементом розуміється найменша неподільна частина конструкції щодо забезпечення виконання певної функції. Параметричний синтез направлений на пошук форми, розмірів та місця розташування конструкції. Якщо передбачається можливість її трансформації в період експлуатації, то досліджуються межі зміни параметрів форми та положення в просторі [5].

Оскільки для проектних операцій синтезу характерна багатоваріантність проектних рішень, цілком закономірно виникає необхідність проведення оптимізації. Оптимізаційні задачі в такому випадку є багатокритеріальними, причому критерії оптимальності мають різні розмірності. Досвід та інтуїція проектувальника часто не дозволяють прийняти справді оптимальне рішення, тому необхідно використовувати апарат математичного програмування, обґрунтовано вибираючи той чи інший метод з урахуванням специфіки розв'язуваної задачі [6].

Виконані дослідження стосувались проектування зовнішньої стіни житлового будинку, суміщеної з колектором сонячної енергії. Окрім основної функції (огородження) така стіна дозволяє акумулювати енергію сонця для наступного прогріву повітря в житловому приміщенні. Наприклад, внутрішня частина стіни виконується з дрібнорозмірних елементів (цегли, каменю бетонного), а зовнішня - у вигляді заскленої поверхні. Між цими частинами розміщені металеві пластини темного кольору, які виконують роль сонячного колектора. Система приточних та витяжних каналів забезпечує циркуляцію повітря між приміщенням і колектором. Подібна конструкція належить до пасивних систем використання сонячної енгергії і не вимагає наявності додаткового інженерного обладнання. При розв'язанні оптимізаційної задачі за критерії оптимальності приймались геометричні (розміри, конфігурація), технічні (міцність, жорсткість), економічні (вартість ПФК, економія енергії) параметри. Наприклад, для збільшення площі поглинання енергії пластинами оптимальною з точки зору технології виготовлення та експлуатації є хвиляста поверхня.

Іншим варіантом є суміщення конструкції даху із сонячним колектором - активна система використання сонячної енергії. В такому випадку необхідно передбачати спеціальне інженерне обладнання для підігріву повітря в приміщеннях, води в ємкостях, акумулювання зайвого тепла [7].

Перераховані вище напрямки енергозбереження в будівництві неохідно впроваджувати комплексно. Наявність однієї чи кількох ефективних ПФК ще не гарантує достатньої економії енергоресурсів. Досвід північноєвропейських країн свідчить, що проблема енергозбереження може бути вирішена тільки за умови цілеспрямованих заходів на всіх етапах проектування, будівництва та експлуатації об'єктів.

Особливістю поліфункціональних залів (ПФЗ) для глядачів також є суміщення в одному об'єкті кількох функцій (наприклад: кінопоказ, концерт, культурно-масові заходи тощо). На початку процесу проектування важливо обґрунтувати функції, які будуть поєднуватися, і намітити заходи для їх виконання. ПФЗ повинен забезпечувати три основних вимоги: 1) зорове сприйняття та безперешкодну видимість об'єкта спостерігання; 2) відповідний тому чи іншому функціональному призначенню акустичний режим; 3) необхідні час евакуації і щільність людського потоку при нормальному і аварійному русі. При зміні функціонального призначення зального приміщення, послідовність проведення якої визначається рентабельністю об'єкта, змінюються і критерії видимості, акустики, евакуації. Вони залежать, насамперед, від геометричної форми залу (конфігурації та розмірів у плані, кривої підйому місць глядачів, профілю стелі, розподілу видовищної та сценічної частини) .

Зміна функціонального призначення залу вимагає зміни його форми, яка «під тиском функції» не може залишатися жорсткою. Гнучкі архітектурно-планувальні рішення можна отримати за допомогою засобів трансформації всього приміщення чи окремих його елементів: поділом залу на автономні частини розсувними перегородками чи опускними завісами; включенням додаткових об'ємів; поворотом місць глядачів; трансформацією підвісної стелі, сценічного обладнання та ін. При цьому розробка проектних рішень значно ускладнюється, зростає кількість можливих варіантів. Процес проектування можна суттєво активізувати в разі використання сучасних засобів комп'ютерної графіки (наприклад, русифікованої версії графічної системи AutoCAD). Система дозволяє підвищити ефективність роботи проектувальника на етапі структурно-параметричного синтезу форми ПФЗ, який передбачає формування складного геометричного об'єкта із елементарних. Стосовно вирішуваної задачі за елементарні об'єкти прийняті найменші неподільні елементи залу (сцена, партер, амфітеатр, балкон, лоджія, стіна, стеля тощо). За допомогою системи AutoCAD зручно формувати бібліотеки графічних елементів, які містять зображення перерахованих вище елементарних об'єктів, з метою подальшого варіантного проектування [8].

Первинна форма залу відшукується для виконання визначальної функції. Конфігурація плану вибирається із попередньо сформованої графічної бази даних, а його розміри диктуються необхідною місткістю. Крива підйому місць глядачів та профіль стелі обґрунтовуються шляхом виконання відповідних розрахунків видимості та акустики, які для зручності роботи з системою виконуються з допомогою програмного забезпечення, розробленого мовою AutoLisp.

Забезпечення відповідного акустичного режиму вимагає не тільки розрахунку часу реверберації (статистична акустика), а й побудови променевих ескізів розподілу перших відображень звуку (на плані і поздовжньому розрізі ПФЗ), які вважаються найбільш корисними для формування звукового поля в приміщенні (геометрична акустика). Такі ескізи будуються на екрані дисплея з використанням можливостей системи AutoCAD утворювати зображення на різних шарах, різними типами ліній та кольорами. Шар, на якому розташований варіант променевого ескіза, в разі необхідності можна вмикати і вимикати, розморожувати і заморожувати [9].

Процес трансформації зального приміщення зручно досліджувати, користуючись режимами зміни геометрії всього об'єкта чи його фрагмента. Форми залів для виконання різних функцій також краще синтезувати на різних шарах з іменами: Функція 1, Функція 2 і т.д.

Отже, в результаті структурно-параметричного синтезу засобами комп'ютерної графіки утворюється набір форм зального приміщення для виконання заданих функцій. Наступний етап полягає у компонуванні допоміжних приміщень методом нарощування структури, при якому відбувається цілеспрямована генерація проектного рішення всієї будівлі. Спочатку до синтезованої на попередньому етапі первинної форми залу (ядра об'ємно-просторової композиції) добавляються приміщення з більшим коефіцієнтом зв'язності, потім - з меншим і т.д.

В основі розв'язання задач структурно-параметричного синтезу лежить перебір варіантів скінченої множини. Навіть в умовах комп'ютерного проектування ця множина може бути занадто великою для швидкого пошуку оптимального варіанта. Для зменшення її потужності доцільно застосовувати блочно-ієрархічний підхід до об'єкта синтезу. Стосовно проектування багатоповерхової будівлі можна виділити чотири ієрархічні рівні: І - окремі приміщення; ІІ - функціональні зони; ІІІ - окремі поверхи; ІV - будівля в цілому. В такому разі ієрархічний підхід зменшує число можливих варіантів і робить задачу їх перебору реальною для виконання.

Задачу компонування приміщень архітектурно-будівельного об'єкта можна сформулювати таким чином: необхідно розмістити N приміщень, площі яких дорівнюють Si, на m поверхах при умові виконання системи обмежень (на щільну упаковку, зонування по вертикалі, освітлення і т.п.) Алгоритм її розв'язку буде включати наступні етапи: 1) визначення складу, розмірів та площ приміщень; 2) побудова матриці взаємозв'язків приміщень; 3) визначення габаритних розмірів будівлі (довжини, ширини, висоти поверху та кількості поверхів); 4) компонування приміщень по функціональних зонах; 5) компонування зон на першому поверсі; 6) компонування зон на середніх та верхньому поверхах [10].

Склад приміщень визначається згідно призначення будівлі та особливостей функціонального процесу. Площі приміщень вираховуються у відповідності з нормами на одиницю обладнання чи одну людину, розміри призначаються згідно вимог модульної системи. Матриця взаємозв'язків будується за результатами опитування експертів, які на основі власного досвіду визначають вагові коефіцієнти зв'язності приміщень ki,j Є [0; 1]. Габаритні розміри будівлі встановлюються згідно вимог модульної системи, допустимої кількості поверхів, величини відведеної під будівництво земельної ділянки, специфіки функціонального процесу тощо. Таким чином, на перерахованих трьох перших етапах формуються елементарні геометричні об'єкти для структурного синтезу складного об'єкта (будівлі) [11].

Наступні три етапи безпосередньо пов'язані з компонуванням приміщень. При генерації нових варіантів доцільно застосовувати елементи теорії еврістики в інтерактивному режимі взаємодії проектувальника з ПК.

Отже, структурно-параметричний синтез дозволяє підвищити ефективність проектування поліфункціональних об'єктів.

поліфункціональний архітектурний будівельний

Література

1. Светликов А.А., Светликов Ю.А. Методы оптимальных планировочных решений (на примере трансформируемых залов). - М.: Стройиздат, 1975. - 222 с.

2. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. - М.: Высш. шк., 1980. - 311 с.

3. Білецький Б.В. Рішення оптимізаційних задач з допомогою ПЕОМ // Тези доп. наук.-метод. конф. - Рівне: Вид. УІІВГ, 1993. - С.5.

4. Табунщиков Ю.А. и др. Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1986. - 380 с.

5. Білецький Б.В. Проектування поліфункціональних конструкцій // Тези доп. міжнарод. наук.-техн. конф. - Рівне: Вид. УДАВГ, 1996. - С. 22.

6. Білецький Б.В. Оптимізаційні задачі з багатьма критеріями в архітектурно-будівельному проектуванні // Тези доп. Всеукр. наук. конф. - Львів: Вид. ЛДУ ім. І.Франка. - 1994. - С. 12.

7. Білецький Б.В., Вінер Б.Д. Проектування огороджуючих конструкцій, суміщених з колектором сонячної енергії // Тези доп. наук.-техн. конф. - Рівне: Вид. УДАВГ, 1997. - С. 30.

8. Білецький Б.В., Мосейко В.О. Автоматизоване проектування залів для глядачів // Тези доп. наук.-техн. конф. - Рівне: Вид. УДАВГ, 1996. - С. 19.

9. Білецький Б.В., Мосейко В.О. Автоматизований розрахунок профілю стелі залу для глядачів // Тези доп. наук.-техн. конф. - Рівне: Вид. УДАВГ, 1997

10. Білецький Б.В. Компонування приміщень архітектурно-будівельних об'єктів як задача геометричного синтезу // Тези доп. міжнарод. наук.-практ. конф. - Мелітополь: Вид. ТДАТА, 1995. - С. 173-174.

11. Білецький Б.В., Нечипорук М.Я. Автоматизація проектування адміністративно-побутових будівель // Тези доп. наук.-техн. конф. - Рівне: Вид. УІІВГ, 1995. - С. 18.

Размещено на Allbest.ru