CC BY
46
УДК 69:658.511
А.С. Павлов, П.А. Лавданский, О.В. Игнатьев*
ФГБОУВПО «МГСУ», 'ФГБОУВПО «РУДН»
АНАЛИЗ ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
Приведена классификация систем автоматизированного проектирования, сформулированы требования к единому формату, обеспечивающего их взаимодействие в рамках создания интегрированных систем автоматизации проектирования, указаны основные принципы и схемы преобразования данных.
Ключевые слова: строительное проектирование, интегрированные системы проектирования, единый формат данных, преобразование данных.
Для удовлетворения требований, предъявляемых к обеспечению процесса проектирования, необходимо применение интегрированных систем автоматизации проектирования (САПР), отдельные подсистемы которых создаются, возможно, разными разработчиками. Такие системы называются «гетерогенными». Сформулируем перечень задач, которые они могли бы решить во взаимодействии с проектировщиками: создание комплексной параметрической модели строительных объектов; выбор оптимальных конструктивных, технологических, организационных решений, в том числе при недетерминированной исходной информации;
разработка комплектной проектно-сметной документации в соответствии с нормативными требованиями;
разработка технологической, управленческой, исполнительной документации, используемой на различных стадиях жизненного цикла строительного объекта.
Отметим, что системы ручного проектирования с применением только чертежных приборов или машинописной техники не являются собственно форматом; они морально устарели вследствие трудности внесения изменений, низкого качества и низкой точности изображения. Эти системы могут использоваться для создания предварительных эскизов либо внесения небольших дополнений и изменений при недостатке времени на выполнение полноценных чертежей.
Системы графического редактирования не относятся собственно к системам строительного проектирования, однако часто используются при невозможности использования САПР более высокой мощности. К ним можно отнести, например, системы, использующие форматы DWG и DXF, несмотря на то, что эти форматы поддерживают трехмерное изображение геометрических объектов.
Системы двумерного моделирования строительных объектов обладают возможностями запоминания параметрических моделей. В качестве параметров используются длина и ширина стен, ширина проемов, глубина ниш, количество ступеней и др. Это дает возможность проектировщику оперировать понятными ему специальными понятиями предметной области. К таким форматам можно отнести, например, формат файла unicad.
Системы трехмерного моделирования строительных объектов содержат объемные параметрические модели, способные взаимодействовать между собой и с окружающей средой. Это позволяет, например, производить логические операции (пересечение, объединение) над трехмерными объектами, определять возможные коллизии пересечений элементов конструкций в пространстве, а также получать характеристики геометрических тел. К ним относится, например, форматы систем ArchiCAD, Nemetschek, Arcon, PDMS, AutoCAD Architectural Desktop.
Гомогенные (однородные) комплексные системы проектирования разрабатываются, как правило, в составе единого комплекса, включающего модули проектирования,
172
© Павлов А.С., Лавданский П.А., Игнатьев О.В., 2011
Информационные системы и логистика в строительстве
ВЕСТНИК МГСУ
управления производством, инженерных расчетов, составления смет и др. К ним могут быть отнесены системы класса CAD/CAM и CAD/CAE, так называемые 4D-CHCTeMbi, например, CATIA, MicroStation. Недостатком этих систем обычно является невозможность полноценного доступа к информации из других систем. В строительстве такие системы находят ограниченное применение в связи с большой изменчивостью внешних условий, гибкостью применяемых технологий и способов организации строительства.
Гетерогенная (разнородная) интегрированная система проектирования является гипотетической системой, в которой могут быть использованы модули, созданные различными разработчиками. В совокупности части такой системы могут создавать полноценную модель проектируемого объекта, не зависящую от свойств создающей системы. Основой совместимости модулей системы является универсальный формат, обеспечивающий хранение и использование любых данных, вырабатываемых подсистемами. Ниже изложены основные требования к универсальному формату.
Применение универсального формата данных. При использовании интегрированных САПР в строительстве основной упор следует делать на обеспечении надежного взаимодействия составных частей системы между собой. Поэтому большое значение приобретает среда, в которой происходит это взаимодействие. Такой средой может служить универсальный формат высокой мощности.
На основании анализа процессов проектирования, передачи и преобразования данных можно сформулировать следующие основные требования к универсальному формату представления данных в строительных проектах:
полнота представления данных о строительных объектах и их свойствах, достаточная для выполнения задач САПР; отражение формальной и содержательной стороны информационных элементов в соответствии с имеющимися классификационными признаками;
возможность использования формата на различных стадиях разработки: как для выдачи результатов, так и для промежуточного хранения данных различных подсистем САПР, а также для восприятия исходных данных различными подсистемами;
возможность интегрирования новых подсистем без сколько-нибудь значительного изменения структуры формата;
поддержка интерактивного взаимодействия с проектировщиками и другими пользователями в ходе создания и использования файлов универсального формата;
возможность оперативного внесения в файлы универсального формата изменений, возникающих в ходе проектирования, без необходимости многократных повторных запросов дополнительной информации;
поддержка параллельной работы над проектом в нескольких центрах проектирования с учетом проведения согласовывающих и утверждающих процедур;
простота и однозначность алгоритмов преобразования специальных форматов подсистем САПР в универсальный формат данных и наоборот;
компактность представления данных и обеспечение скорости считывания информации, достаточные для эффективной работы при условии использования современного аппаратного обеспечения САПР;
поддержка взаимодействия подсистем САПР, работающих в различной операционной среде и на различных платформах.
Как правило, каждая из моделей, описанных выше, имеет собственный формат представления данных, поскольку требования к информативности формата различны. При этом нисходящее преобразование моделей является в основном технической задачей, поскольку требует лишь определенной фильтрации информации. Однако обратное преобразование является задачей значительно более сложной, так как необходимая информация попросту отсутствует в исходных данных.
Для обеспечения полноценного преобразования данных в любом направлении необходимо выполнить три условия:
разработать универсальный формат, способный передавать данные применяемых в интегрированной системе форматов;
разработать механизм дополнения недостающих данных для систем с недостаточно емкими форматами;
разработать переходные или встраиваемые модули для преобразования форматов. Основные принципы и схемы преобразования данных. Конкретные задачи преобразования форматов различаются в зависимости от этапа, на котором они выполняются. Так, для преобразования чертежной информации в графическую модель необходимо выполнить одну из последовательностей операций:
создание графической модели вручную с помощью графических редакторов; дигитализацию (оцифрование) с помощью специальных планшетов; сканирование с последующим преобразованием растрового формата в векторный. Первый метод нецелесообразен вследствие высокой трудоемкости. Второй метод может применяться для преобразования геодезических планов и топографических карт (так называемой «геодезической подосновы» проекта). В случае необходимости в этих случаях может быть применен непосредственный ввод чертежа вручную с получением формата высокой мощности.
Сканирование осуществляется с помощью планшетных или ручных сканеров различного разрешения. При этом образуются, как правило, файлы формата GIF или TIFF. Отметим, однако, что векторизованные таким образом чертежи не обладают такими свойствами элементов, как слой, тип и толщина линий, поэтому их дальнейшее преобразование затруднено. Задача преобразования сканированного изображения в векторный формат (векторизация) является одной из задач распознавания образов. Существуют программные пакеты распознавания геометрических фигур, а также букв и цифр.
Преобразование графического формата в параметрическую модель (даже двумерную) значительно сложнее, поскольку разнообразие возможных распознаваемых элементов и параметров очень велико. Кроме того, большая часть информации представляется в виде символов (условных обозначений) и надписей, которые записаны на естественном языке в произвольной форме. Эта часть преобразования наиболее сложна и на сегодня не известно примеров успешных результатов в этой области, доведенных до практического применения.
Преобразование двумерных параметрических моделей в трехмерные также достаточно сложно. В частности, построение трехмерных образов по трем ортогональным проекциям не всегда возможно даже теоретически.
В настоящей работе не ставится задача подробно исследовать вопросы преобразования низко- и среднемощных форматов, поскольку они постепенно устаревают и актуальность такого исследования невелика. Тем не менее, можно наметить некоторые принципы преобразования данных на этом уровне, которые могут быть применены в случае необходимости разработки программных продуктов для такого преобразования.
Так, при преобразовании графических примитивов в параметрические двумерные элементы следует придерживаться следующих принципов:
предварительная сортировка графических примитивов по атрибутам (наименование слоя, цвет и тип линий); если, например, слой имеет унифицированное имя или читаемое название (например, «wall», «door» и т.п.), распознавание элементов значительно облегчается;
объединение сопряженных (касающихся друг друга в узловых точках) элементов с одинаковыми атрибутами в полилинию; определение замкнутости контуров;
восстановление структуры чертежа; разделение листа на виды и проекции; сопоставление фрагментов и узлов соединений с основными видами, выполненными на том же или на других листах;
определение масштабов и проекций изображений; распознавание условных обозначений и составление их перечня; запрос недостающих данных у проектировщика в интерактивном режиме; сохранение запрашиваемой информации отдельно от описания чертежей.
Информационные системы и логистика в строительстве
ВЕСТНИК МГСУ
При преобразовании двумерной параметрической модели в трехмерную необходимо соблюдение следующих принципов:
сортировка двумерных моделей по атрибутам (слоям, типам линий, цветам); распознавание типов конструкций на видах изделий и определение их параметров; распознавание слоев перекрытий на разрезах и фрагментах;
сопоставление между собой проекций, расположенных на том же листе или на других листах;
распознавание формы конструкций по двум или трем проекциям; распознавание помещений и стен на поэтажных планах;
определение высоты этажей, проемов, лестниц и других конструкций, изображенных на поэтажных планах;
восстановление формы кровель по планам кровли; определение повторяемости конструкций;
определение протяженности коммуникаций и мест расстановки инженерного оборудования.
Для создания универсальной схемы преобразования данных может быть применен принцип визуализации бизнес-процессов, основанной на применении технологии SADT (Structured Analysis and Design Technique). Процесс моделирования и описания данных тесно связан с визуализацией, для чего могут быть применены различные средства. Так, для описания организационно-технологических структур применимы методология структурного анализа и проектирования SADT и созданный на ее основе стандарт IDEF0. Эта методология представляет модель в виде иерархического набора диаграмм, записей и перекрестных ссылок.
Функциональные диаграммы состоят из прямоугольников, означающих некоторые функции, и соединяющих их стрелок. Для наглядности рекомендуется размещать от 3 до 6 функций на каждой диаграмме, кроме заглавной. Более важные или начальные функции располагаются на диаграмме слева вверху. Функция может быть детализирована на другой диаграмме и т.д.
Стрелки на диаграмме означают взаимосвязи между функциями. Стрелки могут означать вход, выход, управление и выполнение. Для наглядности входные стрелки присоединяются к функции-прямоугольнику слева, выходные — справа, управляющие — сверху, а выполняющие — снизу. Вниз от функции могут отходить стрелки вызова, определяющие разделение деталей между моделями или функциями.
Стрелки могут отображать объекты или совокупности объектов. Например, выполняющие стрелки обозначают, как правило, субъектов — исполнителей функций, а стрелки входа — выхода обозначают ресурсы и продукцию. Состав объектов явствует из надписей около стрелок. Стрелки могут также объединяться или разветвляться. Возвращаясь к вышележащим функциям, они моделируют обратные связи между функциями.
Таким образом, методология SADT обладает ярко выраженным функциональным подходом, сходным с блок-схемами алгоритмов. Она предназначена в первую очередь для функционального исследования работающей или проектируемой системы, но слабо приспособлена для объектно-ориентированного представления, которое интегрирует в себе как функциональность, так и материально-вещественное, атрибутивное или информационное представление объектов. Тем не менее, в изложенном контексте этот метод использован для моделирования технологии передачи информации между автоматизированными системами.
Таким образом, на основании изучения изложенных выше особенностей строительных САПР [1—4] могут быть разработаны основные методологические принципы построения информационной технологии передачи и преобразования данных в системах автоматизированного проектирования. Для повышения эффективности работы проектных организаций, повышения качества проектно-сметной документации, ускорения инвестиционного цикла необходимо внедрение современных информационных технологий, в частности, систем автоматизированного проектирования.
Библиографический список
1. Гусаков A.A. Системотехника строительства. М. : Стройиздат, 1993. 368 с.
2. Малыха Г.Г. Научно-методологические основы автоматизации проектирования в международных строительных проектах : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 1999. 299 с.
3. Павлов A.C. Научные основы передачи информации и распознавания объектов в системах строительного проектирования : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 2003. 357 с.
4. Вайнштейн М.С. Методология многофункциональной автоматизации поэлементно-инвариантного проектирования зданий и сооружений : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 2005. 377 с.
Поступила в редакцию в декабре 2011 г.
Об авторах: Павлов Александр Сергеевич — доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-образовательного центра инжиниринга в строительстве, автоматизированного проектирования, строительства, информационных технологий (НОЦ ИСАПСИТ), ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-183-24-74, ksi@mgsu.ru;
Лавданский Павел Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительства ядерных установок, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-183-26-74, syau@mgsu.ru;
Игнатьев Олег Владимирович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных технологий в образовании, ФГБОУ ВПО «РУДН», 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6, 8-(495)-434-32-44, oleg_ignat@mail.ru.
Для цитирования: Павлов A.C., Лавданский П.А., Игнатьев О.В. Анализ интегрированных систем проектирования строительных объектов // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 172—176.
A.S. Pavlov, P.A. Lavdansky, O.V. Ignatiev
ANALYSIS OF INTEGRATED COMPUTER AIDED DESIGN SYSTEMS FOR CONSTRUCTION OBJECTS
The paper contains classification of construction computer aided design systems, requirements to the single file format, providing their interaction within the frames of creation of integrated computer aided design systems, main principles and data transformation schemes are given.
Key words: design process in construction, integrated CAD systems, single file format, data transformation.
References
1. Gusakov A.A. Sistemotehnika stroitel'stva [Building's system engineering]. Moscow, Stroyizdat, 1993. 368 p.
2. Malykha G.G. Nauchno-metodologicheskie osnovy avtomatizacii proektirovanija v mezhdu-narodnyh stroitel'nyh proektah [Scientific and methodological principles of design automation in international construction projects], Moscow, MSUCE, 1999, 299 p.
3. Pavlov A.S. Nauchnye osnovy peredachi informacii i raspoznavanija objektov v sistemah stroi-tel'nogo proektirovanija [Scientific principles of information transmission and objects identification in construction computer aided design systems], Moscow, MSUCE, 2003, 357 p.
4. Vainstein M.S. Metodologija mnogofunkcional'noj avtomatizacii pojelementno-invariantnogo proektirovanija zdanij i sooruzhenij [Methodology of multifunctional automation of elemental and invariant design process of structures and buildings], Moscow, MSUCE, 2005, 377 p.
A b o u t a u t h o r s: Pavlov Aleksandr Sergeevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, Research and Education Center in Engineering construction, Computer-aided design, Construction, Information technology, MSUCE, 26, Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, +7-(499)-183-24-74, ksi@mgsu.ru;
Lavdansky Pavel Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Construction of Nuclear Facilities, MSUCE, 26, Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, +7-(926)-910-40-51, isc@mgsu.ru;
Ignatiev Oleg Vladimirovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department of Information Technologies in Lifelong Learning, People's Friendship University of Russia, 6, Mikluho-Maklaj, Moscow, 117198, +7-(495)-434-32-44, oleg_ignat@mail.ru.
F o r c i t a t i o n: Pavlov A.S., Lavdansky P.A., Ignatiev O.V. Analiz integrirovannyh system projektirovania stroitelnyh objektov [Analysis of integrated computer aided design systems for construction objects]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 172—176.
