Параметризация архитектурных решений в BIM-среде проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»

Параметризация архитектурных решений в BIM-среде проектирования

Бачин Иван Олегович

Тюмень, Россия

Аннотация

За последние 20 лет строительная отрасль претерпела значительные изменения. В архитектуре, проектировании и строительстве происходит цифровая трансформация. Цифровые технологии являются движущей силой новых инноваций, которые полностью меняют способы разработки, строительства, управления и эксплуатации проектов. Задача инструментов систем автоматизированного проектирования в 1980-х годах была принципиально иной, чем сегодня: изначально эти системы были цифровой заменой чертежной доски, тогда как в настоящее время архитекторы ожидают эффективного цифрового процесса проектирования, позволяющего создавать инновационные и сложные проекты. Для удовлетворения этой потребности свое развитие получило параметрическое BIM-моделирование, которое, предоставляя гибкие инструменты, открывает широкие возможности в проектировании и возведении зданий и сооружений. С учетом вышеизложенного, цель статьи заключается в рассмотрении особенностей параметризации архитектурных решений в BIM-среде проектирования. В процессе исследования формализованы требования к параметрическим объектам возводимых зданий и сооружений. Также отдельное внимание уделено проблемам интеграции различных моделей в едином информационном пространстве. С целью решения обозначенной проблемы предложено создать базу знаний, которая должна содержать следующую информацию: геометрические, физические присвоенные (атрибутивные), топологические, временные параметры объектов. На примере анализа геотехнической устойчивости в процессе проектирования предельных состояний взаимодействия грунт-конструкция рассмотрены особенности параметризации архитектурных решений в BIM-среде. Кроме того, в статье представлены результаты оценки глубины интеграции параметрических решений и охарактеризованы пути развития СROSS-платформенного проектирования в архитектуре. Полученные результаты могут использоваться для дальнейшего развития технологий параметрического дизайна.

Ключевые слова: параметризация; BIM-моделирование; цифровые технологии; дизайн; строительство; проектирование

Abstract

Bachin Ivan Olegovich

Tyumen Industrial University, Tyumen, Russia

Parameterization of architectural solutions in BIM-design environment

The construction industry has changed significantly over the past 20 years. Architecture, design and construction are undergoing a digital transformation. Digital technologies are driving new innovations that are completely changing the way projects are designed, built, managed and operated. The task of computer-aided design tools in the 1980s was fundamentally different than it is today: they were originally a digital replacement for the drawing board, while today architects expect an efficient digital design process to create innovative and complex designs. To meet this need, parametric BIM modeling has been developed, which, by providing flexible tools, opens up wide opportunities in the design and construction of buildings and structures. In view of the foregoing, the purpose of the article is to consider the features of the parametrization of architectural solutions in the BIM design environment. In the course of the study, the requirements for parametric objects of buildings and structures being erected were formalized. Also, special attention is paid to the problems of integrating various models in a single information space. In order to solve the indicated problem, it is proposed to create a knowledge base, which should contain the following information: geometric, physical assigned (attribute), topological, temporal parameters of objects. On the example of the analysis of geotechnical stability in the process of designing the limit states of the soil-structure interaction, the features of the parametrization of architectural solutions in the BIM environment are considered. In addition, the article presents the results of assessing the depth of integration of parametric solutions and characterizes the ways of development of CROSS-platform design in architecture. The obtained results can be used for further development of parametric design technologies.

Keywords: parametrization; BIM modeling; digital technologies; design; construction; engineering

Введение

Современные условия проектирования и возведения зданий и сооружений выдвигают более жесткие требования к стоимости и срокам выполняемых работ. Как известно, архитектурные и инженерные решения связаны с проведением сложных и объемных математических расчетов, которые необходимы для всестороннего анализа конструкций, а также предусматривают создание точных моделей строительных объектов. Разнообразие функций и большой круг участников строительства объясняет высокую интенсивность потоков информации на всех этапах жизненного цикла объектов строительства [1]. В данном контексте сокращение затрат на управление финансами, ресурсами, оборудованием и материалами при проектировании и эксплуатации здания является важной научно-практической задачей.

Именно для решения обозначенной задачи была разработана технология BIM, которая позволяет реализовать процесс коллективного создания и использования информации об объекте, а также формирует основу для принятия решений на протяжении всего жизненного цикла здания: его проектирования, строительства, эксплуатации и износа. Параллельно с данным направлением развивается параметризм как направление современной архитектуры с конца 2000-х годов [2]. Параметрическое моделирование в архитектуре -- это моделирование, при котором объекты архитектуры создаются с использованием элементов с предварительно заданными определенными параметрами. Именно совокупность и соотношение этих параметров, формируемых математическими расчетами, позволяет получить наибольшую гибкость системы [3]. Параметрическое моделирование эффективно используется для описания и автоматического получения множества различных вариантов конструкции.

Очевидно, что с течением времени BIM и параметрическое моделирование объединилось в результате чего проектировщикам и архитекторам были предоставлены гибкие инструменты, обеспечивающие неограниченный творческий потенциал во время проектирования.

Сегодня в рамках параметрического моделирования BIM информация связывается с помощью алгоритмов в цифровую параметрическую структурированную модель, так что при внесении изменений компоненты автоматически обновляются в соответствии с заданными параметрами. В тоже время на этом возможности данной технологии не ограничиваются, аналитики говорят о том, что благодаря использованию методов параметрического проектирования BIM могут открыться цифровые шлюзы для так называемых инструментов вычислительного проектирования, автоматизируя процессы и позволяя применять искусственный интеллект (включая его подмножество машинное обучение) для выявления закономерностей, разработки решений и поиска дополнительной ценности с помощью так называемого «генеративного проектирования» [4].

Таким образом, обозначенные обстоятельства подтверждают актуальность выбранной темы исследования, а также свидетельствуют о ее высокой теоретической и практической значимости.

Принципы параметрического моделирования и создания информационной модели строительных объектов отражены в работах современных ученых, из числа которых можно отметить Соколова Н.С., Михайлову С.В., Савельеву Ю.П., Сливину Д.М., Becker Steven, Tschickardt Thomas, Li Ruyu, Zhao Hong.

Вопросам практического внедрением BIM-технологий для решения задач проектирования посвятили свои труды Фонтокина В.А., Савенко А.А., Самарский Е.Д., Турешева Д.Т., Сокорева Е.В., Celik Yasin, Petri Ioan, Barati Masoud, Zhan Chenwen, Fu Chunwei, Wu Xiaohong.

Потребности в параметризации и преимущества параметрического BIM моделирования для различного типа зданий рассматриваются такими авторами как Доронина В.Г., Шнурникова Е.П., Благодер Т.П., Кузовлева И.А., Liu Huilin, Duan Yadi, Ng Ming Shan, Graser Konrad.

Однако, несмотря на активные разработки рассматриваемой проблематики и широкий интерес ученых, ряд проблемных моментов требует дополнительного исследования и уточнения. В частности, в дальнейшем развитии нуждается подход к глобальной параметризации BIM-моделей, методы разработки параметрических семейств и установления связей между ними. Кроме того, детального анализа требуют преимущества и недостатки глобальной параметризации, а также обоснование возможностей для ее дальнейшего развития.

Цель и методы исследования

Цель статьи заключается в рассмотрении особенностей параметризации архитектурных решений в BIM-среде проектирования.

Методами исследования послужили анализ, синтез, моделирование, обобщение, систематизация, группировка, прогнозирование.

Результаты и их обсуждение

По результатам анализа основных возможностей существующих систем автоматизированного проектирования, можно сделать вывод, что ключевая трудность заключается в том, что в рамках каждой из них разрабатывается своя собственная модель, полноценное использование которой возможно только в этой программе. Несмотря на то, что программные продукты предлагают различные механизмы интеграции моделей, основанные на международных общепринятых форматах (IFC, XML, DXF-DWG, PDF), ряд проблемных моментов так и остается нерешенным [5]. Кроме того, поскольку приложения не могут интегрировать всю модель полностью, зачастую возникает потеря части данных. Также, каждый программный комплекс работает со своими дополнительными библиотеками (материалы, сметная информация и т. п.). Это приводит к тому, что в каждой системе пользователь должен заполнять необходимые данные вручную после интеграции.

Для решения обозначенной задачи целесообразным является использование параметрического проектирования, которое основано на разработке модели с внедрением параметров частей модели и соотношений между этими параметрами. В основе параметрического проектирования лежит создание взаимосвязей данных [6]. Параметры позволяют помещать данные в блоки и соединять блоки вместе. Таким образом, вместо того чтобы рисовать геометрию в виде точек и линий, задаются параметры и отношения, которые определяют способ построения геометрии [7]. Как следствие, можно изменить параметры, и геометрия изменится автоматически.

Параметризация архитектурных решений в BIM-среде проектирования отличается от традиционных методов моделирования, направленных на воссоздание только геометрии с использованием статических поверхностей или твердых тел. В экспертной литературе обоснованы следующие требования к параметрическим объектам возводимых зданий и сооружений:

присутствие геометрической информации и связанных с ней данных и правил; здание сооружение информационный архитектура

использование нередуцируемой геометрии, что позволяет избежать несоответствий;

формализация параметрических правил, которые автоматически изменяют связанные геометрии при вставке в модель новых данных или при внесении изменений в связанные объекты;

возможность определить объекты на разных уровнях агрегирования;

наличие функций, позволяющих связывать или получать, транслировать или экспортировать наборы атрибутов, таких как конструкционные материалы, акустические данные, энергетические данные и стоимость, в другие приложения и модели [8; 9].

Таким образом, для хранения параметров элементов модели проецируется база данных, содержащая следующую информацию:

Ig -- геометрические характеристики объектов (объем, размеры и т. д.);

If -- физические данные объектов (масса, физические константы, материал и т. д.);

Ia -- присвоенные (атрибутивные) параметры объектов (сечение, ГОСТ, имя, маркировка и т. д.).

Itp -- топологические параметры объектов (описывают взаимосвязи между элементами);

It -- временные параметры объектов.

Все это может быть представлено в виде следующей совокупности:

Параметрическая модель возводимого объекта интегрирует трехмерную модель (данные и геометрию) с моделью поведения частей (историю конфигураций). На базе такой информационной модели разрабатывается весь спектр рабочей документации. При этом, в случае внесения изменений в данные или ключевые параметры все документы обновляются автоматически. Такая вариативность модели работает по аналогии с изменением элементов таблицы, данные которых заданы формулами. Формулы дают возможность автоматизировать вычисления, а системы параметрического моделирования, в свою очередь автоматизируют получение строительной документации [10].

Пример параметризации архитектурных решений в BIM-среде проектирования можно привести на материалах анализа геотехнической устойчивости в процессе проектирования предельных состояний взаимодействия грунт-конструкция.

Автоматизированная процедура выбора модели и параметров с использованием стандартизированных данных обследования участка может быть представлена в виде следующей блок-схемы (табл. 1).

Анализ реализации процессов параметризации при архитектурном проектировании данных в BIM-платформах позволил провести оценку глубины интеграции параметрических решений и охарактеризовать пути развития СROSS-платформенного проектирования в архитектуре (табл. 2). Критерии оценки отражают пути включения параметрической архитектуры в выбранную BIM-систему проектирования. Оценка сформирована по 5-балльной шкале, где «5» составляет максимальную интеграцию данного критерия, а «0» -- отсутствие его действия. В качестве методологии исследования был выбран метод экспертных оценок. Экспертами выступили архитекторы, использующие программное обеспечение в своей повседневной работе.

Таблица 1 Блок-схема автоматизированной процедуры выбора модели и параметров строительного проекта

Таблица 2 Оценка интеграции аспектов параметрической архитектуры в BIM-среду архитектурного проектирования

По результатам оценки наибольший уровень параметризации архитектурных решений в стадии моделирования и формирования информационной модели имеет BIM-платформа Autodesk Revit. Результаты данной оценки также указывают на активное развитие процессов интеграции параметрического моделирования в программу BIM. Бесспорно, различные задачи, которые выполняет программное обеспечение для BIM-моделирования и параметрического моделирования, сохранят разно-платформенное развитие ПО, однако ежегодно взаимодействие и уровень унификации использования результатов работы (информационных моделей) будет углубляться, что прослеживается, начиная с 2015 года.

Выводы

Таким образом, подводя итоги проведенного исследования, можно сделать следующие выводы.

Использование принципов параметризации архитектурных решений в BIM-среде проектирования наделяет информационную модель характеристиками инвариантности к меняющимся форматам разных программных комплексов. Результатом применения технологии параметризации информационной модели строительного объекта является точность и координация всех имеющихся данных, начиная от разработки его концепции до возведения и сдачи в эксплуатацию.

Литература

1. Li, Hui Digital design and stability simulation for large underground powerhouse caverns with parametric model based on BIM-based framework // Tunnelling and underground space technology. 2022. Volume 123; рр. 112-119.

2. Чубаркина И.Ю., Кулаков А.Р. Совершенствование инвестиционностроительного проектирования с использованием BIM-технологий // Экономика и предпринимательство. 2022. № 6(143). С. 1439-1442.

3. Невзоров А.Л. Фактор времени в геотехническом проектировании с использованием BIM-технологии // Строительство и реконструкция. 2022. № 3(101). С. 51-59.

4. Wu, Shihai Multi-objective optimization in floor tile planning: Coupling BIM and parametric design // Automation in construction. 2022. Volume 140; рр. 78-86.

5. Горохова Т.В. BIM-технологии в проектировании // Вестник магистратуры. 2022. № 2-2(125). С. 35-37.

6. Шпаков П.С., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Мусина Г.А., Бактыкереев М.К. Совершенствование процесса инженерного проектирования на основе применения технологий BIM и БПЛА // Вестник Академии гражданской авиации. 2022. № 3(26). С. 8-14.

7. Bakhshi, Sajjad Integrated BIM and DfMA parametric and algorithmic design-based collaboration for supporting client engagement within offsite construction // Automation in construction. 2022. Volume 133; рр. 67-73.

8. Khamis, Ahmed A. Introducing the Architecture Parametric Design Procedure: From Concept to Execution // IOP conference series. Earth and environmental science. 2022. Volume 1056: Issue 1; рр. 98-104.

9. Батова А.В., Мамонтов В.И., Садыков С.О. Применение BIM технологий при проектировании, строительстве и эксплуатации высотных зданий // Строительство и недвижимость. 2020. № 1(5). С. 13-17.

10. Потужная И.Р., Полурядникова И.А. BIM-технологии в проектировании и строительстве // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2020. № 4. С. 296-299.

Размещено на Allbest.ru