CC BY
55Бабаев В.Б., канд. техн. наук, Перькова М.В., канд. арх., проф., Крушельницкая Е.И., аспирант, асс., Жданова И.Г., студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ФУНКЦИОНАЛЬНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЕ МАКЕТИРОВАНИЕ
И ПРОТОТПППРОВЛНПН*
Krushelnitskaya1@rambler.ru
В статье рассмотрена актуальность макетирования и моделирования объектов архитектуры и градостроительства, новые технические возможности изготовления моделей и макетов.
Ключевые слова: прототипирование, быстрое прототипирование, макетирование, 3D печать.
Актуальность исследования. Постоянно возрастающая сложность и многоплановость задач, решаемых в практике современного архитектурного проектирования, изменение социально-экономических условий самой работы архитектора требуют дальнейшего совершенствования проектного дела, широкого применения прогрессивных методов, приемов и технических средств в архитектурном творчестве. С каждым годом расширяется объем внедрения вычислительной техники в архитектурно-строительное проектирование. Сегодня ЭВМ -привычный инструмент в учебных, научно-исследовательских и проектных институтах. Компьютеры используются на всех этапах создания объектов архитектуры: исследования, проектирования, возведения и эксплуатации. В связи с этим все более актуальной становится задача эффективного использования столь мощного инструмента интенсификации творческой деятельности, каким является современная ЭВМ.
Одним из перспективных направлений интенсификации профессиональной деятельности архитектора является использование систем автоматизированного проектирования (САПР). Наибольшими возможностями при этом обладают технические средства и программные продукты, обеспечивающие органичное взаимодействие архитектора и компьютера в традиционной для проектировщика форме представления результатов творческого труда, т.е. в виде графических или объемных моделей и макетов градостроительных или архитектурных объектов [1].
Возможно, рассматривать проектирование как процесс творческой трансформации проектных моделей с последовательным уточнением и детализацией их описания, основное требование к средствам проектирования - требование наглядности, т.е. обеспечение легкости и простоты восприятия образного решения объекта проектирования. Наиболее наглядной моделью
проектируемого объекта является его объемный макет либо модель.
История изобретения архитектурных макетов насчитывает не одну сотню лет. В гробницах Египта находили миниатюрные макеты домов и храмов, которые выполняли религиозную функцию. В античной Греции макеты из воска или дерева использовались для оценки архитектурного проекта. Широкое использование обрели они в эпоху Возрождения, когда создавались миниатюрные копии церквей и соборов. Встречались и крупные копии, как, например, копия Собора св. Петра в Риме, которая имеет высокую степень детализации и сложности, а также более 7 метров в длину.
Благодаря новейшим технологиям современное архитектурное макетирование и моделирование вышло на качественно новый уровень. Ярким прорывом в настоящее время стала технология прототипирования - технология трёхмерной «печати» объекта, ландшафта, здания, -отрисованных в трёхмерной графике. Компьютерный эскиз при помощи специальной технологии трёхмерной печати "выращивают" слой за слоем на специальном 3D-принтере. Ориентируясь на компьютерную модель, печатающая головка принтера выстраивает в пространстве из сотен тысяч слоёв переклеенного мелкодисперсного быстро затвердевающего порошка реальный объект с достаточно высокой степенью детализации и необходимой окраской. Возможности работы с цветом у таких принтеров не меньшие, чем необходимо при печати цветных фотографий.
Данные технологии используются в настоящее время в сфере архитектурно-ландшафтного проектирования, презентационных материалах, видео и кинофильмах, мультимедийной составляющей музейных экспонатов, выставочном бизнесе. Различное программное обеспечение позволяет сконцентрироваться на различных приоритетных в данный момент задачах, охватывая собой темы проектирования, прогнозиро-
вания развития объекта и во временной и сезонной шкале позволяет обеспечить естественность вхождения проектируемого объекта в существующую планировку. Сочетание данных технологий в комплексе позволяет отразить архитектурно-ландшафтный объект на новом информационно-визуальном уровне, недоступном ранее и могут так же существенно расширить экспозиционные возможности музеев и выставок.
Градостроительный либо архитектурный макет может демонстрироваться для согласования строительства новых микрорайонов, частной застройки, коттеджных поселков, рекреационных зон и территорий туризма. Дополнительно макет проектируемых объектов может использоваться для привлечения инвесторов, презентации, демонстрации перспектив развития конкретных территорий и благоустройства отдельных районов. Убедительное, реалистичное макетирование объекта и окружающего ландшафта, позволяет оценить архитектурные и ландшафтные решения в комплексе, как с высоты птичьего полета, так и в детальном рассмотрении единовременно, с детализацией доступной в выбранном масштабе макетирования [2].
Макеты и модели градостроительных и архитектурных объектов дают возможность:
1. Представить градостроительный проект широкой аудитории;
2. Привлечь внимание потенциального инвестора к проекту;
3. Продемонстрировать в комплексе все нюансы и особенности объекта;
4. Визуализировать объект на разных стадиях его строительства;
5. Провести презентацию нового оборудования или технологии;
6. Показать наглядно схему работы конкретного инженерного узла;
7. Более эффективно представить свое предложение в рамках тендера или отраслевого конкурса.
Современные технологии позволяют изготавливать макеты и модели градостроительных объектов, практически из любых материалов (пластик, полистирол, ПЭТ, оргстекло, силикаты, гипс, металлы, дерево, картон, другие материалы природного и промышленного происхождения); различных масштабов (стандартных и нестандартных масштабов, укрупненных, уменьшенных масштабов, масштаба
1:1);разъемные и разборные макеты (для удобства перевозки)
Прототипирование и макетирование является самым важным этапом разработки. На этапе прототипирования и макетирования объектов
промышленного и артдизайна, градостроительных и архитектурных систем. создается работающая система, в которой видна более детальная картина ее устройства и функционирования. Макетирование и прототипирование всегда предполагают наличие трёхмерной модели системы, объекта или детали, полученное различными способами (стереолитографией, отверждением на твёрдом основании, нанесением термопластов, распылением термопластов, лазерным спеканием порошков, моделированием при помощи склейки элементов и т.д.).
Моделирование и прототипирование необходимо:
• для оценки эргономики, визуализации и дизайна изделия (для объектов промышленного и артдизайна);
• композиционно-пространственного анализа архитектурного объекта и градостроительного образования в городской среде (для архитектурных объектов и градостроительных систем);
• для функциональной оценки изделия (проверка качества сборочных изделий, функци-ональныххарактеристик, практичности);
• использование в качестве модели для дальнейшего применения в производстве (например, в качестве литейной формы).
Преимуществом такого подхода является:
• сокращение длительности технической подготовки производства новой продукции в 2.. .4 раза;
• снижение себестоимости продукции, особенно в мелкосерийном или единичном производстве в 2.3 раза;
• значительное повышение гибкости производства;
• повышение конкурентоспособности производства;
• сквозное использование компьютерных технологий, интеграция с системами САПР.
С помощью моделирования и прототипиро-вания уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
При работе с объектами артдизайна прото-типирование позволяет любому человеку (заказчику) загрузить свой трехмерный файл, тут же изменить масштаб изделия и выбрать материал, из которого он будет изготовлен, а потом заказать свой товар и ждать, когда он будет изготовлен. Производство может осуществляться с помощью цифровых технологий, в том числе аддитивных.
1. Онтологическое, «сущностное» моделирование (макеты и модели, абстрактные композиции, отображающие структуру и взаимосвязь архитектурных объектов как целостных (с функциональной точки зрения) систем), сопровождение творческой или исследовательской деятельности.
2. Аналоговое макетирование - изготовление материальных копий (аналогов) реальных объектов архитектуры и градостроительства (в заданном масштабе и материале) для целей:
• сравнительного анализа и оценки композиционных и функциональных особенностей архитектурных объектов в рамках исследований, концептуальных поисков и т.д.;
• изготовление сложных градостроительных композиций (генпланов);
• организации выставок и презентаций;
• восстановление облика (структуры) утраченных исторических памятников архитектуры и материальной культуры;
3. Дизайнерское макетирование и прототи-пирование:
• прототипирование объектов промышленного дизайна;
• прототипирование объектов и элементов артдизайна.
• макетирование объектов средового дизайна.
4. Особенности макетирования и прототи-пирования объектов их разных материалов с помощью различных технологий.
Осуществлять перечисленные виды деятельности планируется с помощью сквозного использования современного программного обеспечения и оборудования для изготовления моделей, макетов и прототипов.
Предполагаемая работа включает:
• разработку проектов для визуализации объектов, систем и элементов;
• поиск и определение оптимальных инженерно-технических, архитектурно - композиционных и дизайнерских решений в процессе вариантного проектирования;
• макетирование, моделирование и прото-типирование объектов и систем с помощью различных технологий в зависимости от прототипа (макета, модели), его функции и композиции (архитектуры).
• двухмерное моделирование объектов артдизайна.
• разработку классификации моделей и прототипов.
Необходимым условием для проведения НИР является наличие мастерских со специализированным оборудованием, позволяющим создавать модели, макеты и прототипы: лазерное, фрезеровальное, трехмерные принтеры и плоттеры, а также материалы для изготовления продукции.
Можно выделить рабочие макеты, демонстрационные и экспериментальные.
Научными результатами исследовательской работы является:
1. Разработанные способы формирования объемных объектов арт-дизайна из плоскостных элементов.
2. Разработанные варианты использование метода послойной триангуляциифотоснимков, выполненных по радиальному сечению объекта на примере сканирования объектов для создания трехмерной цифровой модели.
3. Разработанные способы передачи формы трехмерных световых объектов интерьера с помощью листовых материалов различных свойств.
4. Способ эргономического прототипиро-вания объектов интерьера (кресла и скамьи) из продольных ламелей дерева.
Прототипирование элементов в макетировании является самым важным этапом разработки. Прототипирование в макетировании всегда предполагают наличие трёхмерной модели системы, объекта или детали, полученное различными способами Прототипирование в макетировании сложных градостроительных объектов необходимо для композиционно-
пространственного анализа архитектурного объекта и градостроительного образования в городской среде.
Рис. 1 Аналоговое макетирование как метод восстановоления облика (структуры) утраченных исторических памятников
Рис. 2. Сравнительный анализ и оценка композиционных и функциональных особенностей градостроительных объектов в рамках исследования
Таким образом, осуществляется аналоговое макетирование - изготовление материальных копий (аналогов) реальных объектов архитектуры и градостроительства (в заданном масштабе и материале) для целей:
• восстановление облика (структуры) утраченных исторических памятников архитектуры и материальной культуры (макет Свято-Троицкого монастыря в историческом квартале города Белгорода) (рис. 1).
• сравнительного анализа и оценки композиционных и функциональных особенностей архитектурных объектов в рамках исследований, концептуальных поисков и т.д. (рис. 2)
В настоящее время методы прототипирова-ния объектов используются в различных отраслях промышленности, медицины и дизайна. Это связано с наиболее эффективной риторикой применения объектов, что зачастую обгоняет темпы индустриального производства.
В современном пространстве все большее количество деталей выполняется из пластика. Несмотря на свои технологические преимущества, восстановление или реконструкция поврежденных деталей из пластика зачастую невозможна и влечет за собой полную замену конструкции.
Так метод восстановления объекта был использован на примере воссоздания поврежденных деталей в существующем турникете.
Рис. 3 Исходная модель
Рис. 4. Трехмерная модель
Рис. 5. Конечное изделие в работе
Научными результатами исследовательской работы в области дизайнерского макетирования и прототипирования является:
1. Разработанные способы формирования объемных предметов интерьера и их прототипирования из плоскостных элементов (лавочка) и продольных ламелей (кресло).
2. Разработанные способы передачи формы трехмерных световых объектов интерьера с помощью листовых материалов различных свойств.
После окончания процесса моделирования изделие можно почти сразу использовать, поскольку не требуется его длительная последующая доработка [4].
Существуют следующие технологии прото-типирования: лазерная резка, фрезеровка, быстрое прототипирование -3D печать.
На сегодняшний день существует большое количество технологий объемной 3d печати, но во всех лежит один и тот же принцип послойного создания твердой геометрии. Применение технологий быстрого прототипирования (3d печать) позволяет оценить внешний вид арт-объекта. Рассмотрим основные технологий изготовления прототипов (3d печати), получившие самое широкое распространение [5].
1. SLA- Stereo Lithography Apparatus, стереолитография.
SLA - это лазерное прототипирование. Технология подразумевает использование в качестве модельного материала специального фотополимера - светочувствительной смолы. Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой. Жидкий пластик затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый жидкий слой наносится на затвердевший слой, и новый контур намечается лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели. Стереолитография - наиболее распространенная RP-технология. SLA-технология позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых размеров. Качество поверхностей зависит от шага построения. Современные машины обеспечивают шаг построения 0,1...0,025 мм. SLA-технология дает наилучший результат при изготовлении мастер-моделей для последующего изготовления силиконовых форм и литья в них полимерных смол, а также ювелирных мастер-моделей.
2. SLS - Selective Laser Sintering -селективноелазерноеспекание.
Лазерное прототипирование применяется не только с жидкими основами. Метод SLS позволяет создавать копии на основе порошкообразных компонентов. Согласно этому процессу модели создаются за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В данном случае, в отличие от SLA-процесса, лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствие с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и порошки некоторых металлов. Суще-ственным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так называемых поддержек при построении модели. В процессе SLA при построении нависающих элементов детали используются специальные поддержки, предохраняющие свежепостроенные тонкие
слои создаваемой модели от обрушения. В SLS-процессе в таких поддержках нет необходимости, поскольку построение ведется в однородной массе. После построения модель извлекается из массива порошка и очищается. Модели из полистирола предназначены для получения отливок методом "выжигаемых моделей". Наиболее популярным модельным материалом является порошковый полиамид. Этот материал применяется для создания макетов, масштабных копий, функциональных моделей.
3. FDM - FusedDepositionModeling
При FDM-процессе - послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал, диаметр которого составляет 0,07 дюйма (1,78 мм), подаётся через экструзионную (выдавливающую) головку с контролируемой температурой, нагреваясь в ней до полужидкого состояния. Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание. Головка выдавливает материал с очень высокой точностью. Последующие слои также ложатся на предыдущие, солидифируются (отвердевают), соединяются друг с другом. Главным недостатком метода является недостаточно гладкая поверхность создаваемой детали. Кроме того, при наложении расплавленного материала происходит некоторое оплавление предыдущего слоя. Поэтому данный метод имеет ограничение на минимальный размер зазоров в создаваемом изделии [6].
4. Технология WaterWorks.
Модель, изготовленная с применением этой технологии, называющейся Water Works, остается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей. Технология Water Works предоставляет неограниченные возможности для моделирования тонкостенных моделей и объектов со сложными внутренними полостями.
Как и на предыдущих этапах, исследовательская работа делится на два блока - макетирование и прототипирование объектов. Научными результатами исследовательской работы по двум вышеуказанным блокам являются:
1. Моделирование принципов аддитивных технологий для устройства строительных конструкций.
2. Разработка методов прототипирования сидения пилота для рынка непрофессиональных гоночных болидов.
3. Вариантное прототипирование предметов интерьера (ширм) и тематической сувенирной продукции.
4.Прототипирование элементов рельефа при изготовлении градостроительных макетах (участки исторического культурного слоя).
5. Приемы моделирования объектов культурного наследия.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта ПСР А-25/12 от 10.04.2012 г. в рамках Программы стратегического развития университета.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Колесникова Л.И. Свято-троицкий собор: открытия и находки // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 1. С. 35-40.
2. Свирская Т.А. Автоматизированный макетный метод архитектурного проектирования
[Электронный ресурс] URL:
http://www.dissercat.com/content/avtomatizirovann yi-maketnyi-metod-arkhitekturnogo-proektirovaniya#ixzz3GQyPGvyY
3. Кичигин Э.В^ моделирование, макетирование, прототипирование и современные технологии в ландшафтном дизайне на примере проекта конно - спортивного комплекса и ипподрома «Ручьи» (СПбГЛТА, г.Санкт-Петербург, РФ) [Электронный ресурс] URL: http://science-bsea.bgita.ru/2009/les_komp_2009/kichigin_model. htm
4. [Электронный ресурс] URL: http://std911.ru/gradostroitelnye/
Babaev V.B., Perkova M.V., Krushelnitskaya E.I., Zhdanova I.G. PROTOTYPING OF ART-DESIGN OBJECTS
The article discusses the relevance of modeling and simulation of objects of architecture and urban planning, new technical possibilities for manufacturing models and layouts. Described the process of prototyping, as a process of creative transformation of design models with their successive refinement and detail, revealed the basic requirement for a prototyping tool - requirement of visibility. Revealed the feasibility of the 3d prototyping method in the design of objects of design, architecture, urban planning, etc. Key words: prototyping, rapid prototyping, modeling, 3D printing.
