3D технологии в современной архитектуре

Аннотация

Ключевые слова: 3D технологии, макетирование, 3D печать, 3D сканирование, фотограмметрия, строительные принтеры.

Abstract

Keywords: 3D technologies, prototyping, 3D printing, 3D scanning, photogrammetry, construction printers.

Введение

Современная архитектура развивается динамично, и эта динамика требует постоянного совершенствования процессов, связанных не только с проектированием, но и непосредственно со строительством тех или иных объектов. На сегодняшний день применение 3 D технологий является наиболее эффективным методом улучшения качества проектирования. Активное внедрение 3D технологий в процессы проектирования и реализации проектов имеет ряды плюсов и минусов.

К основным положительным сторонам можно отнести такие, как: 1) Широкая область применения; 2) Экономия в технологическом процессе строительства; 3) Возможность содействовать со смежными специалистами; 4) Высокая точность и скорость как в проектировании, так и в строительстве; 5) Возможность заложения коммуникаций в процессе строительства; 6) При работе с данными технологиями не требуется большое количество высококвалифицированных специалистов, т.к. вся работа максимально автоматизирована; 7) Отрасль 3D технологий на сегодняшний день является перспективной. Благодаря этому можно предположить, что при популяризации их произойдет удешевление техники и ресурсов, и появится большая доступность на рынке.

С другой стороны, применение 3D технологий имеет и отрицательные моменты. Основным является их малая распространенность. Экспериментальная база в России, по сравнению с западными странами, где происходит основная работа с этими технологиями и их изучение и продвижение, практически отсутствует. Также, для работы с данными видами техники требуются кадры, знающие технологию. Для этого необходимо наличие специализированных учебных заведений.

Стоит выделить и следующие минусы, касающиеся процессов в строительстве: 1) Особые требования к строительной площадке, связанные с ее подготовкой; 2) Маломобильность и, как следствие, особые требования к возводимым объектам (размеры, форма). Отсутствие возможности возводить высотные и крупногабаритные объекты; 3) Необходимость дополнительного привлечения специалистов для проведения отделочных работ; 4) Высокий уровень затрат на строительство для фирм индивидуального жилого строительства; 5) Не большой выбор техники на современном рынке.

Рассмотрим некоторые направления, связанные с архитектурой и проектированием, в которых применение 3 D технологий проявило наибольшую эффективность и помогло выйти на новый более качественный уровень.

Макетирование

3D технологии применяются во многих областях проектирования. Одной из них является макетирование. Качественная визуализация проекта в наглядной модели помогает лучше получить информацию о свойствах проектируемого предмета. Именно по макету мы можем судить о структуре объекта, размерах, пропорциях и масштабах, пластике поверхностей, пространственном размещении, цветовом решении и многом другом. Качество макета напрямую зависит от качества материала и инструментов, а также от времени, вложенного в работу. 3D технологии печати включают в себя множество плюсов, отвечающих вышеперечисленным требованиям [1].

Во-первых, высокое качество детализации. Современные технологии позволяют с легкостью добиться высокой точности построения и разрешения, выполнять самую мелкую работу на высоком уровне, чего было бы трудно добиться, прибегая к традиционному ручному макетированию.

Во-вторых, скорость в создании макета. Процесс ручного макетирования может занимать от нескольких часов до нескольких месяцев, в то время как 3D печать уже через несколько часов позволит получить максимально точную визуализацию с высоким уровнем деталировки при необходимости.

В-третьих, экономия средств. Основные материалы - недорогие фотополимеры, материалы на основе гипсы и пластик ABS, пластик PLA, которые используются в непосредственном формировании формы объекта.

В-четвертых, надежность модели. Принцип действия 3D принтера заключается в последовательном наложении тончайших слоев расходного материала. Исходя из этого формируется плотная структура материала, которая гарантирует большую долговечность изделия, а также его возможность подвергаться некоторым видам постобработки.

Одним из плюсов можно отметить и то, что макеты, получаемые посредством 3D печати, не нуждаются в постобработке и окрашивании образца, так как современные 3D принтеры, используя CMYK-палитру, способны создавать любое цветовое решение.

Реставрация

Процесс реставрации подразумевает под собой комплекс мероприятий, направленный на предотвращение разрушений и достижение тех условий, при которых сохранится памятник. Исходя из этого следует выделить две основные идеи реставрации: 1 - восстановление произведения в первоначальном виде, 2 - сохранение объекта в максимально возможной неприкосновенности.

Зачастую реставрации подвергаются резные элементы декора, которые при ручной обработке никогда не будут идеальными. Эту проблему и помогают решать технологии 3D сканирования. С ее помощью с минимальными затратами и с высокой скоростью работы появляется возможность воссоздавать идентичные орнаменты по образцам, а также восстанавливать утерянную часть резьбы. Так, например, таким способом проводилась реставрация Успенского собора Тульского кремля [7].

Реставрацию с применением 3D технологий можно разделить на несколько этапов:

1) Сканирование объекта и получение «отправных» точек модели. Когда нет возможностей создать модель по чертежам и провести натурные замеры, зачастую прибегают к созданию модели по фотографии. Это называется фотограмметрия.

Однако не смотря на удобство способа, он имеет ряд недостатков: - для качественной модели снимки должны быть высокого качества; - модель может отличаться в относительных размерах оригинала; - модель требует дополнительного создания своего внутреннего устройства.

Существуют определенная технология и правила для создания модели [3]. В первую очередь, необходимо обеспечить создание качественных фотографий. Для этого снимаемый объект должен находиться в фокусе, вокруг которого вращается камера. Удобнее всего, если объект установлен на подвижной платформе, а камера закреплена на расстоянии. Это позволит вращать камеру на заданный угол и не потерять фокус. Лучше всего размещать объект на однотонном тоне.

Для изготовления 3D-модели по фотографии существует множество программ, в которых могут работать как новички, так и профессионалы. Одни из популярных - это 123D и 360.3D, которые позволяют создавать модель по фотографиям с любой техники.

2) Создание 3D-моделей объекта: редактирование полученных данных, уточнение не отсканированных участков, создание модели;

Строительство

Применение 3D печати в строительстве приняло несколько направлений, различающихся по типу использования инструмента для печати. Одним из таких является использование мобильных роботов [2, 5]. Группа минироботов перемещается по площадке и постепенно строит объект. Первым этапом такого строительства является возведение контура, «следа» будущего здания. Роботы двигаются по заранее заданному пути, подключенные к роботу-поставщику, который подает материал для печати. После возведения основания, поверх надстраиваются стены и потолки, важным этапам после чего является армирование конструкции для придания ей большей прочности. Принято считать, что одним из создателей строительных роботов является российский изобретатель Петр Новиков. В одном из своих интервью [4] он отметил, что при использовании данной технологии важно понимать, что каждый робот важен, что их работа и роли взаимосвязаны. Петр также отмечает два направления развития данного направления: 1) усовершенствование существующих роботов, начиная от точности печати и заканчивая ее скоростью; 2) увеличение семьи роботов (внедрение роботов, которые смогут как смешивать материалы, так и покрывать стены утеплителем).

Вторым направлением является печать индустриальными манипуляторами [2]. Отличительной черта этого направления в том, что печать происходить не слоями, а сразу конструкцией, напоминающей каркас.

Оболочка может как заполняться раствором и штукатуриться, что повышает прочность конструкции, так и работать без заполнения. Крупная компания Branch Technology специализируется на печати данного направления. Именно они предложили патент на печать по технологии C-FAB, благодаря которой материал затвердевает уже в воздухе и способен принимать любую заданную форму.

По этой технологии в 2016 году для ежегодной дизайнерской ярмарки в Майами был возведен павильон (рис. 1).

Рисунок 1