Моделирование в архитектурно-строительном проектировании
Проектирование — это творческий процесс архитекторов, инженеров и техников проектных организаций.
В наше время из-за быстрого возрастания сложности самих объектов и их проектирования значительно увеличился объем чертежей, а выполнение их с принятой степенью детализации требует большой трудоемкости и много времени. В этих условиях использование только традиционного метода проектирования становится недостаточным. Необходимо использование новых методов проектирования — моделирования, которые позволяют уменьшить степень сложности моделируемого объекта, так как модель содержит меньшее число параметров, чем оригинал. При построении модели учитывают не все факторы, а только те, наличие которых определяет основные свойства объекта.
Основой модели является содержательное описание моделируемого объекта. Создание модели всегда начинается с опытного изучения явления. Чаше всего модели строятся для следующих нелеп: нахождение на модели наилучших (оптимальных) параметром объекта и процесса; имитация действия объекта или протекания процесса при различных параметрах для получения представления об изменении тех или иных характеристик в связи с изменением параметров; технико-экономическое прогнозирование во времени с учетом предполагаемых или случайных параметров, главным образом экономических процессов.
Виды моделей, наиболее распространенных в архитектурно-строительном проектировании, можно подразделить на следующие две группы: концептуальные (абстрактные) модели и графические модели (или макеты). Первой группы модели, в свою очередь, делятся на словесно-описательные и математические модели.
К словесно-описательным моделям относятся технические задания, пояснительные записки к проектам и отчетам, постановки задач в словесно-описательной форме. Такие модели позволяют наиболее полно описать объект или ситуацию, однако их невозможно использовать непосредственно для сформулированных выше целей. Поэтому словесно-описательные модели обычно преобразуют в математические для удобства дальнейшего оперирования с ними.
Математическое моделирование. Понятия модели и моделирование, взятые в широком смысле, понятны и органически близки архитектору-проектировщику, так как любой рисунок, эскиз, проект, чертеж, макеты по существу являются своеобразными моделями, воспроизводящими в образной, наглядной форме определенные признаки н качества моделируемого или в данном случае проектируемого объекта. Модель или макет какого-либо здания (сооружения) не воспроизводит всех его свойств и качеств, по дает определенное представление о каких-то его сторонах и об объекте в целом.
Также и математическая модель на математическом языке формул, уравнений, неравенств и матриц описывает или воспроизводит те свойства, взаимосвязи и показатели моделируемого объекта или решаемой задачи, которые являются наиболее важными п определяющими. Как на модели (макете) здания (сооружения), так и в математической модели проектировщик может оценивать те пли иные качества и свойства, изменять ее параметры и отдельные показатели, варьировать условия и таким образом находить оптимальные, с точки зрения того или иного критерия, решения.
Основной смысл применения математических методов заключается в применении математических моделей, допускающих обработку их параметров средствами вычислительной техники — ЭВМ.
Математические модели используются во многих известных способах моделирования. Среди них можно назвать разработку моделей, описывающих статическое и динамическое состояния объекта, оптимизационные задачи, имитацию поведения. Примером математических моделей, описывающих статическое и динамическое состояние объекта, могут служить различные методы традиционных расчетов конструкций, которые проводятся в определенной последовательности математических выражений. Представление процесса в виде последовательности математических формул или отношений означает, что этот процесс выражен в виде алгоритма. В таком случае можно сказать, что составлена математическая модель для определенного расчета конструкции.
При автоматизации архитектурно-строительного проектирования обычно используют математическое моделирование, представляющее собой метод исследования процессов или явлений путем построения их математических моделей и исследования этих мо-. дел ей.
Графические модели могут быть геометрическими моделями (чертежи или макеты) и представлены в виде блок-схемы (или граф-схемы). В первом случае в процессе проектирования авторы работают не с реальным объектом, а только с его изображением — геометрической моделью, дающей только геометрическое подобие, это позволяет проводить эксперименты не в процессе строительства объекта, что довольно дорого и трудоемко, а на чертеже. Наличие геометрической модели дает возможность увидеть проектируемый объект в целом еще до осуществления строительства его в натуре, связать наилучшим образом все его части в единое целое, найти оптимальный вариант.
Модели блок-схемы в наглядном виде позволяют «описывать» логическую и функциональную последовательность решения какой-либо задачи, а также структуру разнообразных объектов, систем, явлений, процессов и т. д. В модели блок-схемы блоками служат определенные на структурной модели отдельные элементы системы, а связи отражают наличие информационных потоков между выделенными блоками (элементами). Графические модели могут использоваться для составления структурных, функциональных и других моделей.
Структурная модель представляет объект-систему элементов, полностью определяющих содержание данной системы и их иерархическую взаимосвязь в зависимости от принятых принципов декомпозиции системы. Структурная модель может быть изображена как графическая схема, на которой показаны все объекты, охваченные системой с их частями, элементами частей и т. д. при необходимой в каждом конкретном случае степени расчленения объекта. Однако структурных моделей недостаточно для понимания сущности системы, поэтому для более полного представления об общей схеме системы необходимо построить информационную и функциональную модели.
Информационная модель предназначена для описания состояний элементов, системы в процессе их преобразования, а также информационных потоков. Информационная модель анализирует информационные потоки, возникающие в процессе преобразования модели объекта при оптимизации проектного решения, а также подразделяет информацию, циркулирующую в- системе, на внешнюю и внутреннюю. Внешняя информация вводится в систему как исходная и отражает информационную связь системы с внешней средой (или между подсистемами АСПОС). Каждый структурный элемент системы, получая исходную информацию, преобразует ее по соответствующему алгоритму в выходную. Эта информация, в свою очередь, может служить выходной информацией для других элементов системы.
Функциональная модель представляет собой систему элементов, связанных отношениями взаимодействия: смысл и характер каждого элемента задаются и исчерпываются его функционированием, его ролью в создании результатов, так или иначе воздействующих на функционирование других элементов в системе в целом. Функциональная модель предназначена для описания последовательности элементарных операций в процессе проектирования с учетом всех информационных связей, существующих между ними. Эта модель может быть изображена в виде сетевой модели, на которой показана последовательность проектного процесса от одной его операции к другой.
J При разработке проекта в рамках АСПОС можно выделить три стадии архитектурно-строительного проектирования: разработка требований к объекту проектирования; композиционное проектирование и техническое проектирование.
В процессе разработки требований к объекту проектирования определяют систему ограничений и формулируют критерии, что является непременным условием формализации процесса оптимального проектирования в условиях применения математических методов.
Композиционное проектирование состоит в выработке общей концепции проекта, в анализе компонентов будущего объекта и в анализе оптимального варианта взаимного расположения этих компонентов в пространстве с учетом всех необходимых связей между ними. Композиционное проектирование (общая компоновка объекта)—это основной этап, на нем полностью формируется объект проектирования, создается его модель, которая отражает все основные свойства объекта и полностью удовлетворяет требованиям, которые необходимо учесть в проекте.
При техническом проектировании должны полностью учитываться требования технологии и организации строительного производства. На этой стадии выполняют точные инженерно-технические и экономические расчеты с учетом всех требований СНиП.
Методология машинного проектирования базируется на изучении процесса проектирования как одного из важных видов творческой деятельности архитектора. Поэтому на этой стадии должны рассматриваться основные операции, с помощью которых архитектор достигает своей цели в процессе проектирования, а также выявляет закономерности формообразования объектов строительства с учетом их функционального назначения.
Согласно сложившейся методологии проектирования процесс творческой деятельности, как правило, расчленяется на три взаимосвязанные операции: анализ, синтез и оценка.
Анализ — это операция, когда выявляют требования, которые необходимо учитывать в процессе проектирования объекта, включая наличие ресурсов, которыми располагают заказчик и подрядная строительная организация. Уточняются методы, с помощью которых будет осуществлено строительство объекта.
Синтез — это операция, в процессе которой осуществляется создание, согласно проекту, законченного объекта в результате совмещения разрозненных решений в одно общее, отвечающее техническим и художественным требованиям и экономическим возможностям. Эта операция в основном соответствует стадии композиционного проектирования.
Оценка — это операция сопоставления исходных данных и требований к объекту с вариантами комплексного проектного решения. Оно может производиться как по одному, так и по комплексу критериев. Решение считается оптимальным, если критерий достигает своего экстремального значения.