CC BY
23Как применение новейших технологий в архитектуре упрощает создание строительных проектов
Крохин Денис Николаевич
независимый исследователь, denk-k2007@yandex.ru
Строительная отрасль в развитых странах является ключевой сферой, оказывающей непосредственное влияние на состояние национальной экономики в целом. Успешное развитие строительства играет роль локомотива в экономическом развитии государства. Технологии изменили почти все с точки зрения того, как люди живут и действуют в обществе. От планшетов до Интернета вещей технологии изменили окружающую среду всего за пару десятилетий. Для специалистов по архитектуре и домашних проектировщиков/строителей технология была лидером в практике проектирования структуры. На протяжении всего процесса архитектурного проектирования технологии влияют на то, как архитекторы разрабатывают здания или другие сооружения, и даже на то, как клиенты интерпретируют процесс проектирования.
Технологии могут ускорить процесс архитектурного проектирования, оптимизируя эффективность/ долговечность здания и позволяя архитекторам более тщательно продумывать проект конструкции. В статье освещены вопросы эффективности использования в строительной отрасли, в частности, на этапе проектирования, новейших достижений информационных технологий, которые позволяют уменьшить время и цену проектных работ, предоставляют информационную поддержку в течение всего срока реализации проекта, а также значимо повышают качество конечных продуктов - проектов зданий и сооружений.
Ключевые слова: новейшие технологии; информационное моделирование; оптимизация; информационные технологии.
1. Анализ существующих источников информации по теме исследования
В современной архитектурной среде протекает бесчисленное количество процессов и явлений, оказывающих большое влияние на условия и качество жизнедеятельности населения.
Одна из главных социально-демографических тенденций современного мира - это урбанизация, рост крупных городских агломераций. Управление развитием города с миллионным населением - комплексная многоаспектная задача, которая становится все более сложной по мере роста городского хозяйства. Выбор тех либо других решений в проектировании строительства мегаполиса несет в себе значительные последствия для городского населения и окружающей среды, и цена ошибок в таких условиях может быть весьма серьезной. На развитие городов влияют разнообразные факторы, которые необходимо учитывать при проектировании строительных объектов. При этом ни один город не обладает бесконечными ресурсами, и при проектировании следует учитывать их ограниченность. В таких условиях планировать и проектировать новые объекты с использованием только «традиционных» методов проектирования означает высокую вероятность неверных решений, высокую стоимость и низкую эффективность работ [2, с. 77].
Современные информационные технологии предоставляют широкие возможности системного подхода к проектированию, такие как быстрая обработка огромных массивов информации, создание компьютерных моделей объектов и процессов и т.д. ИТ-инструменты позволяют моделировать результаты различных процессов развития городов и поселений, анализировать все существующие риски и возможности, оперативно обрабатывать информацию и тем самым обеспечить правильный выбор управленческих решений, оптимизировать градостроительную деятельность местных властей.
Сложные процессы развития городского хозяйства требуют системного подхода. Необходима осознанная архитектурно-градостроительная политика, в рамках которой вся деятельность в сфере строительства подчинена целям развития города. Современные информационные технологии позволяют эффективно моделировать и оптимизировать процесс принятия управленческих решений в архитектурно-градостроительной деятельности.
Исходя из этого, следует выделить четыре основных метода оптимизации архитектурно-градостроительных решений [8, с. 100]:
- творческие методы;
- современные информационные технологии;
- математические методы;
- графоаналитические методы.
Данные методы связаны с реализацией определенных решений, представляющих собой составную часть проектной деятельности.
Основные закономерности формирования современных инновационных зданий:
- интеграция зданий с природной средой, включение в композиционную структуру зданий природных элементов и превалирование приемов формирования нелинейной архитектуры;
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
Сл>
- создание архитектурной среды с нацеленностью на релаксационное и эмоциональное влияние, современный содержательный характер зданий;
- проектирование и постройка полифункциональных зданий и усложнение их функциональной структуры.
В целом на протяжении развития цивилизации особенности проектирования и строительства зданий и сооружений последовательно видоизменялись с учетом трех периодов эволюционного развития городской среды:
- доиндустриального;
- индустриального;
- постиндустриального.
Каждый из данных периодов имеет свою специфику, непосредственно определившую концептуальный подход к планированию и проектированию новых строительных объектов.
2. Основные методы, применяемые в области архитектуры
В современной архитектурно-проектной деятельности все более активно применяются новые методические подходы, основанные на цифровых технологиях. Теоретическое осмысление применения ИТ-инструментов в проектировании зданий и сооружений проводит новая субдисциплина, получившая условное наименование «архи-информатики».
Рассмотрим один из концептуальных современных подходов в проектировании - дуальное представление модели. С помощью такого подхода повышаются возможности оптимизации проектов и эффективность построения расчетных схем выходит на новый уровень [4, с. 102].
Строительная конструкция состоит из четко ориентированных прикладных элементов: фундамента, стен, балок перекрытий, опорных колонн и т.д. Данные конструктивные элементы создаются проектировщиком, и данные о них закладываются в трехмерную параметрическую модель. Далее проводится анализ модели и корректировка параметров каждого одиночного элемента, группы элементов и всей модели в целом.
Параметрическая модель представляет архитектурные элементы объекта и позволяет проанализировать все особенности конструкции. Пример 3D-модели проектируемого объекта представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Зй-модель объекта
У архитектора имеется возможность выбора представления 3D-модели, в зависимости от того, какие конкретные задачи ему необходимо решить. Он может построить планы различных этажей, рассмотреть разрезы здания, исследовать фасады. Также данная модель позволяет создать проектную документацию окончательного архитектурного решения. Принцип работы данной модели - «идеализация» геометрических иных параметров сооружения. На основе данного принципа строится итоговая расчетная схема.
Тематические и графоаналитические способы позволяют обосновать проектные решения в их количественном и качественном аспекте. Плюсом данного подхода является возможность принятия решений и получения эффективного результата даже тогда, когда критерии оптимальности немногочисленны [3, с. 90].
Творческие методы оптимизации архитектурных решений
Творческие методы оптимизации - это методы, основанные на осмыслении общей композиции и «идеи» объекта и особенностей его восприятия со стороны. При творческих методах оптимизации проектировщик исследует, как именно будет восприниматься объект, какие эмоции он вызовет у аудитории. Творческий процесс - это процесс выражения идей, концепций, эмоций в форме определенных представлений (образов). Весь процесс начинается с прогнозирования потребностей. Информация о потенциальных потребностях представляет собой совокупность гипотез, которые могут быть результатом [5, с. 100]:
- экстраполяции факторов текущего состояния объектов;
- выводов, сформулированных на основе комплекса критериев, соответствующих прогнозированию будущего, рассматриваемого как результат логической оценки существующего состояния;
- потребностей общества.
Одним из важнейших этапов проектирования является выбор способов решения поставленных задач с помощью архитектурных элементов. Определив проектную задачу (поставив цель), архитектор должен оценить имеющиеся ресурсы и представить способ достижения поставленной цели - то есть создать проектный эскиз объекта.
Исходя из этого, рассмотрим некоторые из творческих методов оптимизации принятия архитектурно-градостроительных решений:
- метод использования аналогов;
- метод группового подхода
Далее на рисунке 2 представлен пример использования метода аналогов, иначе называемого методом инверсии.
■О : й ИОО-- '>. О.;
Ь к .Г У . ... ц- яке - * г г ¿и л л а
»— у _ е
Рисунок 2. Метод инверсии
Метод использования аналогов основан на анализе многих процессов, протекающих в реальности. Сущность метода можно кратко охарактеризовать как применение воображения в проектировании. Принцип работы воображения основан на
формировании несуществующего образа в сознании субъекта на основе полученного им предыдущего опыта. В воображении формирование несуществующих образов реализуется поэтапно: сначала субъект анализирует свои реальные впечатления и представления. После этого образы могут приобретать новые связи и коннотации. Также образы, которые получили совершенно новый смысл, проходят процесс объединения ранее разрозненных вещей или понятий в целое.
Аналогии могут быть следующими [4, с. 90]:
- гаптические;
- декоративные;
- имажинарные;
- органические;
- ритмичные;
- структурные;
- эмфатические.
Решение архитектурной задачи с помощью метода инверсии, по сути, предполагает путь, альтернативный «традиционному», что позволяет выявить необходимые способы решения проектных задач.
Групповой подход достаточно давно известен в проектной и управленческой деятельности. Это, по сути, коллективная работа группы проектировщиков над конкретной проектной задачей. Такой подход носит также название «мозговой штурм» или «метод Дельфи» [7, с. 34].
3. Применение современных информационных технологий в области архитектуры
В 2018 году наиболее крупные и инновационные застройщики начинают внедрять систему информационного моделирования сооружений. В ее основе заложена трехмерная информационная модель, на базе которой организована работа инвесторов, заказчиков, проектировщиков, подрядчиков, архитекторов и эксплуатирующих организаций. То есть, всех, кто может участвовать в реализации строительного проекта. В процессе информационного моделирования происходит коллективное создание и использование информации о сооружении, которая формирует основу для всех решений на протяжении жизненного цикла объекта (от планирования до строительства и эксплуатации).
Внедрение ее подтверждает сокращение количества ошибок и изменений по проекту в результате улучшения коммуникации между всеми сторонами рабочего процесса, роста точности прогнозов и контроля [4, с. 177].
Недостаточная обоснованность и разработанность основных составляющих информационно-технологического архитектурного образования усложняет эффективность внедрения информационных технологий и отдельных ИКТ-дисциплин в такое образование. Выделим эти проблемы.
1. Ведущей целью информатизации архитектурного образования декларируется формирование информационной культуры и профессионально-информатической компетентности архитектора, однако формирование содержания этих понятий находится на начальной стадии в педагогической науке, а собственно научно-педагогические исследования по указанному направлению почти отсутствуют. Этим усложняется формулировка диагностических целей как всего информационно-технологического архитектурного образования, так и определенной ИКТ-дисциплины.
2. Требуют теоретического обоснования и содержательного наполнения дидактические принципы информационно-технологического образования, прежде всего, научности, системности, преемственности, фундаментальности содержания обучения знания и технологического аспектов, связи с практикой.
3. Быстрое развитие компьютерных средств и информационных технологий, появление новых терминов и понятий заметно усложняют учебный процесс, в частности, по формированию понятийно-терминологического аппарата информационно-технологического образования.
4. Основной составляющей содержания информационно-технологического образования будущего архитектора есть информационно-технологические умения архитектурного проектирования с использованием информатических методов, средств и технологий. Возникает необходимость определения структуры таких умений и разработки дидактической модели их сквозного формирования.
5. Осуществление информационно-технологического образования будущего архитектора нуждается в разработке инновационных методов, форм и средств обучения.
6. Информатическая подготовка будущего архитектора требует разработки соответствующего научно методического обеспечения и компетентно-ориентированного инструментального обеспечения педагогического контроля и диагностики результатов обучения.
На наш взгляд существенно повысить уровень профессиональной подготовки специалистов в РФ позволит разработка сквозной методической системы информатической подготовки будущих архитекторов.
Информатическая подготовка будущих архитекторов при их обучении в университете будет исследована в контексте современных тенденций обще цивилизационного развития, модернизации мирового образовательного пространства, реализации положений Болонского соглашения, внедрения компе-тентностной парадигмы подготовки современного специалиста.
Предметом информационно-технологического образования есть интеллектуальные технологии создания информационного продукта с помощью средств ИКТ. Под информационным продуктом понимается искусственный информационный объект определенного назначения, созданный по определенным требованиям (стандартам) и правилам (технологиям).
Принцип работы системы сравним с облачным хранилищем или глобальной сетью, где собирается вся информация по строительству, проектированию и т.д. Собирается в реальном времени и загружается в виртуальное. После этого всю информацию можно просматривать везде, где есть интернет и вносить корректировки, автоматизировать рутинные операции, сосредоточившись на творчестве. Невероятные возможности программного обеспечения и его постоянное развитие позволяет оценить трехмерную модель проекта. Благодаря интегрированности всех процессов строительства в таких моделях строительство может быть выполнено не просто эффективно, но и с учетом архитектуры устойчивого развития. Можно полностью изучить все плюсы и минусы проекта, усилив все слабые стороны, вовремя внести изменения, рассчитать и сократить расход энергии и выброса СО2 за счет использования специальных материалов.
Сборка из готовых элементов-модулей становится все популярнее за счет своей скорости и экономичности. Строительные блоки и конструкции готовят в цехе, а на объекте просто убирают. Это помогает снизить издержки и ускорить строительный процесс. В деревянном домостроении готовые жилые блоки для многоэтажек состоят из панелей Cross Laminated Timber (X-LAM). Они характеризуются высокой прочностью, потому и используются при строительстве многоэтажек. Именно по этой технологии был построен самый высокий современный деревянный дом. Теперь уже внедряются технологии по изготовлению более сложных элементов MEP (Mechanical, electrical, and plumbing - механика, электричество, водоснабжение) [6, с. 100].
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м
CJ
fO
es о es
о ш m
X
<
m О X X
Технология, позволяющая с невероятной скоростью и точностью создавать необходимые строительные элементы. В программах эта технология используется очень интенсивно и не сдает свои позиции. Конечно же, технологии 3D печати пользуются широким спросом и на строительных объектах, сейчас печатают целые дома.
С помощью лазерного 3D - сканирования будет возможность рассмотреть модель на строительной площадке и внести необходимые изменения. Также будут использоваться дроны, они будут собирать информацию с объектов в режиме реального времени и передавать в компьютер для проверки и обработки. Это позволит четко контролировать строительный процесс.
В настоящее время в архитектурно-строительной сфере современные цифровые технологии применяются очень широко. Архитектурное формообразование включает в себя множество разнообразных форм, которые не всегда могут быть корректно описаны традиционными геометрическими формами.
С помощью цифровых технологий появилась возможность визуализации таких сложных математических направлений, как фрактальная геометрия, позволяющая создавать цифровые образы нелинейных форм. Благодаря этому появился способ, позволяющий переводить сложные формы в строгое математическое описание и оптимизировать тем самым деятельность проектировщика.
В большинстве приложений есть линейки разнообразных встроенных инструментов, позволяющие реализовывать визуализацию объектов. Данные инструменты дифференцированы в зависимости от уровня сложности приложения. Например, в самых простых пакетах имеются возможности, позволяющие создавать двухмерные статичные изображения. Самые сложные современные приложения имеют опции, с помощью которыхможно создавать 3D-изображения, анимацию, виртуальную реальность.
При этом современные цифровые технологии достигли такого уровня развития, что не имеется никакой потребности импортировать и экспортировать данные об объекте проектирования между разными приложениями и программными комплексами. Этот технологический процесс легко освоить и принять для архитекторов; все материалы визуализации могут быть получены прямо из трехмерной модели, используя прикладной интерфейс [8, с. 99].
В современном процессе архитектурного проектирования возникла относительно новая область компьютерной визуализации - поддержка нефотореалистического или художественного изображения. Большинство программ, поддерживающих нефотореалистическое изображение, позволяет подражать рисунку человека и стилям живописи, уменьшая определенные натуралистические/реалистичные параметры компьютерных изображений. Этот процесс может включать смещение маленьких образцовых частей или добавление расплывчатых эффектов к контурам элементов. Есть два стратегических способа создать нефотореалистическое изображение: первый метод требует специального программного обеспечения для визуализации, который в состоянии сделать фотореалистичные изображения непосредственно на основе модели. Ряд приложений изначально оснащены такого рода инструментами. В других приложениях есть возможность импорта трехмерной модели. Второй метод использует традиционный фотореалистический инструмент представления и фотографии, программное обеспечение, позволяющее выполнять редактирование (рис. 3).
Рассмотрим, как в работе над архитектурными проектами могут быть применены фрактальные алгоритмы, на основании которых создаются визуальные образы, модели и нелинейные формы.
Рисунок 3. Нефотореалистические изображения модели
Геометрическим принципом, на котором строится архитектурная композиция, является системная иерархия самоподобных форм. Существует понятие фрактальных алгоритмов, на основании которых происходит создание форм как в творческом процессе, так и в природной среде. Автор концепции фрактальной геометрии - американский математик французского происхождения Бенуа Мандельброт. В соответствии с его теорией, сущность фрактальных алгоритмов состоит в том, что они математически описывают пространственные изображения сложных структур. Фрактальный алгоритм, будучи иррегулярной абстратной моделью сложной структуры, имеет ряд характеристик, представленных далее [1, с. 66]:
• они самоподобны и организованы по иерархическому принципу;
• в соответствии с принципом непрерывности формообразования, они способны развиваться;
• на основе принципа сингулярности они обладают дробной метрической размерностью;
• границы фрактальных алгоритмов являются неопределенными, в этой связи их контуры не определены;
• «динамический хаос» как принцип - динамика фрактальных алгоритмов хаотична.
Современная архитектура активно использует фрактальные правила. Основные типы фрактальной архитектуры - это:
- фрактальная архитектура, искусственно сформированная;
- фрактальная архитектура, сложившаяся естественным образом.
Два подтипа искусственно созданной фрактальной архитектуры - интуитивная и осознанная. Множество объектов мирового архитектурного наследия можно назвать интуитивно созданными в соответствии с фрактальными алгоритмами. Характерно, что наличие признаков фрактальных форм наблюдается в постройках не только различных культур, но и различных исторических периодов, вплоть до египетских пирамид.
Концепцию фрактальных алгоритмов Б. Мандельброта взяли на вооружение современные проектировщики, осознанно используя ее для создания архитектурных форм. Фрактальная геометрия позволяет более эффективно анализировать и моделировать архитектурные формы. С помощью фрактальной геометрии возможно выявление двумерного или трехмерного фрактального аналога архитектурного сооружения и его фрактального алгоритма. Графические фрактальные образы архитектурных архетипов позволяют проводить их качественный анализ. Для этого может быть использовано имитационное компьютерное моделирование [6, с. 100].
Эффективность фрактальной концепции как метода анализа и в перспективе - проектирования объектов будет способствовать развитию и обогащению архитектуры.
В настоящее время в архитектурном проектировании применяются приложения CAD. Эти приложения позволяют осуществлять все этапы и стадии проектирования зданий.
Список данных программных продуктов достаточно обширен: CAD редакторы таких компаний как Autodesk, GraphiSoft,
Microstation, Nemechek и др. На текущий момент встает важным условие перехода наиболее распространенных САПР программ в технологию единой цифровой модели архитектурного объекта (единственному проектному процессу) - BIM (Building Information Model).
Программные модули получили возможность обмениваться между собой различными функциями, что способствует совершенствованию программного обеспечения. Например, если известная программа ArchiCAD обладает преимуществами в каких-либо операциях, то имеется возможность сохранения файлов в форматах, доступных для приложений Allplan, Revit, AutoCAD.
Оптимизация проекта с помощью расчетов эффективна, но не абсолютна. Поскольку нельзя говорить о том, что полученное решение - единственно возможное, то в некоторых случаях окончательное решение субъективно по своей сути. В такой ситуации требуется учитывать различные социальные факторы, ценностные понятия и т.д.
В этой связи выбор не может быть строго вписан в математический расчет - окончательное решение принимается в соответствии с различными количественными и качественными характеристиками. В итоге требуется гармоничное сочетание и разумный баланс данных характеристик. Уступки в одной области могут быть компенсированы выигрышем в другой - так, увеличение затрат ведет к повышению надежности объекта [2, с. 177].
Заключение
Использование новейших технологий - будущее строительства, возможность достичь почти полного соответствия характеристик будущего объекта требованиям рынка. Это будет способствовать усовершенствованию российского строительства в таких стратегических решениях:
- позволит вывести строительную отрасль на новый уровень;
- повысит качество контроля строительных работ;
- будет способствовать реализации современных сложных проектов.
Для выполнения этой задачи предложено использование информационного моделирования здания, результатом чего станет оптимизация использования ограниченных производственных ресурсов. Реализация комплексных информационных моделей на практике позволяет выявить резервы для высвобождения ресурсов и направления их использования, что будет способствовать повышению уровня прибыльности производства при условии эффективного использования его ресурсного потенциала.
Литература
1. Chashyn D., Dikarev K. La probleme de l'adaptation des modeles CIM aux conditions de la construction. Construction. Material Science. Mechanical Engineering. 2020. Pp. 156-165.
2. Чашин Д. Ю., Дикарев К. Б. Развитие систем SAPR-ASUB на основе комплексных информационных моделей. Строительство. Материаловедение. Машиностроение. 2020. C. 212-217.
3. ВИМ-технологии для современного архитектора [Электронный ресурс]. uRL: https://www.bakotech-architects.com/ru/event/vim-tehnologii-dljasuchasnogo-arhitektora-baku/
4. Chashyn D. Les directions de la adaptacio des modeles CIM aux conditions de la reconstruction des bâtiments. Информационное общество: технологические, экономические и технические аспекты становления. 2021. №18.
5. Чашин Д. Ю. Основы развития современных систем САПР-АСУБ. Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Энергетика, экология, компьютерные технологии в строительстве. 2021. С. 230-237.
6. Оптимизация продолжительности работ жилищного строительства [Электронный ресурс]. URL: http://www.disslib.org/optymizatsia-tryvalosti-robit-zhytlovohobudivnytstva.html
7. Внедрение ВИМ-технологий повысит качество проектирования [Электронный ресурс]. URL: https://100realty.ua/ru/news/vprovadzennavim-tehnologii-pidvisit-akist-proektuvanna
8. Барабаш М. Киевская K. Использование методов интеграции для создания обобщенной информационной модели строительного объекта. Управление развитием сложных систем. 2020. № 25. С. 114-120.
How the application of the latest technologies in architecture simplifies the
creation of construction projects Krokhin D.N.
JEL classification: L61, L74, R53
The construction industry in developed countries is a key area that has a direct impact on the state of the national economy as a whole. The successful development of construction plays the role of a locomotive in the economic development of the state.
Technology has changed almost everything in terms of how people live and act in society. From tablets to the Internet of Things, technology has changed the environment in just a couple of decades. For architects and home planners/builders, technology has been a leader in structure design practice. Throughout the architectural design process, technology influences how architects design buildings or other structures, and even how clients interpret the design process.
Technology can speed up the architectural design process by optimizing a building's efficiency/longevity and allowing architects to think more carefully about a structure's design.
The article highlights the issues of efficiency of use in the construction industry, in particular, at the design stage, the latest advances in information technology, which can reduce the time and cost of design work, provide information support throughout the entire period of the project, and also significantly improve the quality of final products - projects buildings and structures. Keywords: latest technologies; information modeling; optimization; information
Technology. References
1. Chashyn D., Dikarev K. La probleme de l'adaptation des modeles CIM aux
conditions de la construction. Construction. material science. mechanical engineering. 2020. Pp. 156-165.
2. Chashin D. Yu., Dikarev K. B. Development of SAPR-ASUB systems based on
complex information models. Construction. Materials Science. Engineering. 2020. C. 212-217.
3. VIM-technologies for the modern architect [Electronic resource]. URL:
https://www.bakotech-architects.com/ru/event/vim-tehnologii-dljasuchasnogo-arhitektora-baku/
4. Chashyn D. Les directions de la adaptacio des modeles CIM aux conditions de la
reconstruction des bâtiments. Information society: technological, economic and technical aspects of formation. 2021. No. 18.
5. Chashin D. Yu. Fundamentals of development of modern CAD-ACS systems.
Construction. Materials Science. Engineering. Series: Energy, ecology, computer technologies in construction. 2021, pp. 230-237.
6. Optimization of the duration of housing construction [Electronic resource]. URL:
http://www.disslib.org/optymizatsia-tryvalosti-robit-zhytlovohobudivnytstva.html
7. The introduction of VIM-technologies will improve the quality of design [Electronic
resource]. URL: https://100realty.ua/ru/news/vprovadzennavim-tehnologii-pidvisit-akist-proektuvanna
8. Barabash M. Kyiv K. Using integration methods to create a generalized information
model of a construction object. Management of the development of complex systems. 2020. No. 25. P. 114-120.
X X О го А С.
X
го m
о
to о to
M
