Full Text

Введение Современное архитектурное и конструктивное проектирование в значительной степени ориентировано на применение новых технологий для решения специфических задач строительной отрасли [1]. При этом передовые разработки в области информационного BIM-моделирования развиваются в основном за рубежом. Тем не менее эти разработки в той же степени полезны и в практике России [2]. Множество исследований последних лет касаются вопроса применения новых технологий проектирования для решения существующих проблем по сокращению сроков проектирования и принятия проектных решений. Большинство публикаций, адресующих эти проблемы, в той или иной степени касаются технологий BIM-моделирования [3-15]. Особенно интересной является возможность дополнения функционала программы путем написания кода на языке программирования в отдельной программе API (Application Programming Interface) или в среде визуального программирования. Эти три метода выступают конкурирующими, так как решают одни и те же задачи разными средствами. Ведущие программные комплексы поддерживают как возможность написания пользовательского кода через API [16, 17], так и возможность создания алгоритма через встроенную среду визуального программирования [18, 19], либо имеют возможность связи с этой средой. С точки зрения архитектурного и строительного проектирования наиболее перспективными являются среды визуального программирования, как наиболее легкие в освоении и доступные специалистам без углубленных навыков владения написанием программного кода [20], поэтому объектом изучения в данном обзоре являются именно среды визуального программирования. Несмотря на растущий интерес к визуальному программированию в архитектурном и строительном сообществе, материалы и публикации по данной теме достаточно разрознены и касаются решения частных вопросов узкоспециальных задач. При этом в литературе отсутствуют систематизирующие материалы, не приводится полная классификация задач, для решения которых целесообразно использование визуального программирование и других способов программирования, не проведен анализ границ рациональной применимости данных инструментов. Цель обзора - освещение и описание возможности использования визуального программирования для решения задач строительного и архитектурного проектирования. Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи: 1. Сбор и анализ релевантной литературы, касающейся применения визуального программирования в проектировании. 2. Выделение наиболее явных направлений для применения сред визуального программирования и их классификация. 3. Сравнение сред визуального программирования с альтернативными методами. 4. Выделение границ целесообразного применения средств визуального программирования как инструментов автоматизации процесса проектирования. Методика Для решения вышеобозначенных задач был проведен обзор релевантной литературы. Для этого был составлен список терминов в предметной области поиска, которые тесно взаимосвязаны между собой. Далее по полученному списку был проведен первый этап поиска литературы в интернет-источниках: РИНЦ, ResearchGate, Elsevier, CuminCad. Составлена выборка наиболее релевантных статей из материалов с наивысшими библиометрическими показателями из базы РИНЦ [21], а также статей с наиболее релевантным наименованием из прочих источников. Второй этап поиска проводился по авторам материалов из первой выборки, а также по ссылкам для цитирования из этих материалов. Собранный массив публикаций был проанализирован и структурирован, выделены типы задач проектирования, для решения которых может применяться визуальное программирование. На основе проанализированных источников было сделано заключение об особенностях возможностей сред визуального программирования по сравнению с альтернативными методами программирования, сделаны рекомендации по направлениям применения визуального программирования и перспективам развития данного инструмента для проектирования. Основная часть Процесс проектирования здания или сооружения неизменно связан со множеством возникающих проблем. Среди наиболее актуальных проблем проектирования можно выделить: 1) Сложность взаимодействия между архитекторами и конструкторами. Зачастую эти группы профессионалов работают в некоторой изоляции и берут на себя ответственность только за свою часть работы. Такая организация процесса проектирования поощряет формирование «бункерного менталитета», и в результате проектирование из равномерного процесса становится дискретным и уязвимым к частым конфликтам и несоответствиям между конструктивной и архитектурной частями проекта [22-24]. 2) Несовершенство нормативно-технической базы. 3) Барьеры во взаимодействии между программными комплексами [25]. 4) Ограниченные возможности программных комплексов по отдельным задачам [26]. 5) Сложность с проработкой оптимальных проектных решений (высокие трудозатраты для вариантой проработки). Данные проблемы приводят к необходимости вручную решать те задачи, решение которых могло бы быть автоматизировано, что повышает рутинность процессов проектирования и создает нехватку времени для поиска наиболее эффективного проектного решения. Среды визуального программирования позволяют решать проблемы, связанные с ограниченными возможностями программных комплексов, устранять барьеры при взаимодействии между программными комплексами и снижать трудоемкость вариантной проработки проектных решений. Среды визуального программирования Определение термина Визуальное программирование - процесс создания алгоритмов в интерфейсе среды с использованием нодов (визуального выражения функций или готовых блоков программного кода). Алгоритм может быть предназначен для построения геометрии, изменения свойств объектов, выполнения однотипных операций и проверок [13]. Созданный алгоритм может напрямую взаимодействовать с программами по моделированию информационной модели и ее расчету на прочность и устойчивость через надстройки. В алгоритме можно прописать последовательность действий по проектированию, тем самым автоматизировать процесс создания модели, сравнения версий модели, оптимизации решения. Визуальное программирование имеет значительно более низкий порог входа по сравнению с традиционным текстовым программированием [27]. Нельзя не отметить, что большинство инженеров и архитекторов не обладают необходимым уровнем владения программированием, чтобы писать код с нуля, но могут составить алгоритм из готовых блоков (нодов) в среде визуального программирования [20]. Данный аспект выступает ключевым преимуществом сред визуального программирования по сравнению с API и написанием кода в отдельном программном обеспечении (ПО). История применения визуального программирования для проектирования Визуальное программирование тесно взаимосвязано с графическим пользовательским интерфейсом (GUI), так как, по своей сути, выражает информацию через графические объекты и их взаимосвязи. В этой связи появление визуального программирование не могло состоятся без развития графического пользовательского интерфейса, первым примером которого принято считать разработку Sketchpad Айвена Сазерленда в 1963 г. К ранним разработкам средств визуального программирования относятся Pygmalion (1975) и GRaIL (1968). В 1991 г. Microsoft запустили первую версию Visual Basic. Появление возможности визуального программирования в архитектурном и конструкторском программном обеспечении относится к двухтысячным годам. Впервые Grasshopper появился как плагин для программы архитектурного моделирования Rhinoceros в 2007 г., с версии Rhino 6.0 Grasshopper является встроенным дополнением. Появление Dynamo как приложения для Autodesk Revit относится к 2012 г. С 2020 г. Dynamo также является автоматически встроенным приложением в Revit. Современное положение дел Наиболее успешно в сфере строительного проектирования применяются такие среды визуального программирования, как Dynamo и Grasshopper [18, 19]. Главное преимущество первого состоят в интеграции с программой информационного моделирования Revit Autodesk, что, учитывая широкое распространение программных продуктов Autodesk, значительно упрощает внедрение алгоритмического подхода. Grasshopper, являясь частью программы архитектурного моделирования Rhinoceros McNeel, содержит более продвинутые инструменты создания геометрии и анализа, а также имеет возможность взаимодействовать с большим количеством других программных комплексов, так как поддерживает различные форматы файлов. Среда визуального программирования Grasshopper является полезным инструментом в ситуациях, где необходимо моделировать конструкции сложной геометрии, и позволяет обработать архитектурную модель, т.е. получить из нее конструктивную модель, которую уже можно отправить на расчет. В качестве примеров использования такого подхода можно привести уникальные сооружения - американские горки [28]. При проектировании уникальных, сложных с архитектурной и конструктивной точки зрения объектов возможности Grasshopper раскрываются максимально. Однако даже в относительно намного более распространенных объектах: различных торговых центрах, офисных зданиях, отелях есть место сложным геометрическим формам, а значит возможности для использования Grasshopper для построения архитектурных моделей, которые после преобразования в том же Grasshopper можно использовать для получения расчетных схем, и значительного упрощения процедур взаимодействия архитекторов и конструкторов [5, 29]. Области применимости визуального программирования в проектировании В связи с растущим трендом на использование вычислительных возможностей компьютеров при проектировании, а значит, и подходов к созданию проектов на основе этих возможностей, получили распространения методы, использующие вычислительные мощности компьютеров для автоматизации проектирования (конечноэлеметный расчет строительных конструкций, генеративное проектирование). Визуальное программирование является ключевым инструментом, позволяющим реализовать эти методы. Задачи строительного и архитектурного проектирования, которые рационально решать с помощью визуального программирования, можно разделить по основному методу, лежащему в основе подхода. Классификация представлена на рис. 1. Рис. 1. Классификация сфер применения визуального программирования Fig. 1. Classification of visual programming fields of application Некоторые исследования [30] обращают внимание на частичное смешение терминов, касающихся вычислительного проектирования, в научной литературе и отсутствие четких границ применимости в связи с наличием соприкосновения и некоторого наложения понятий. Наложение этих понятых иллюстрируется следующей диаграммой (рис. 2). Рис. 2. Диаграмма Венна для отношения терминов согласно предложенной таксономии Fig. 2. Venn diagram for the relationship of terms according to the proposed taxonomy Для удобства предлагается использовать в следующие термины: Параметрическое проектирование (ПП) - это подход к проектированию, основанный на применении параметров для описания наборов конструкций. Генеративное проектирование (ГП) - это подход к проектированию, при котором используются алгоритмы для создания проектов. Алгоритмическое проектирование (АП) - это подход к генеративному проектированию, характеризующийся идентифицируемой корреляцией между алгоритмом и его результатом. Параметрическое проектирование Параметрический подход к проектированию выражается чаще всего в использовании таких возможностей современных программных комплексов для создания моделей, которые позволяют путем изменения соответствующих параметров объекта, иначе говоря, его атрибутов, в интерактивном режиме менять геометрию объекта или его свойства. При этом к параметрическому подходу можно отнести как использование полноценных трехмерных информационных моделей, так и отдельные объекты двухмерного моделирования, способные менять свою геометрию и свойства путем изменения соответствующих параметров. Для данного подхода в первую очередь характерным является создание параметрических объектов и компонентов модели. Однако сюда можно отнести и создание сложных геометрических кривых, форм, через указание определяющих параметров [31, 32]. Несомненным плюсом этого подхода является более быстрое внесение изменений в уже существующую модель. Другим важным аспектом является наполненность модели информацией об объектах, параметрами, которые описывают модель. Высокая проработанность модели и насыщенность информацией позволяют организовывать бесшовное взаимодействие между этапами проектирования. Преимущества такого подхода по сравнению с двухмерным черчением отмечались во многих работах [8, 10, 33, 34]. Стоит отметить, что среды визуального программирования (Grasshopper, Dynamo) позволяют извлекать информацию из параметров объектов модели, анализировать ее, структурировать, преобразовывать и таким образом открывают широкие возможности для автоматизации процессов проектирования, особенно находящихся на стыке анализа и моделирования. В результате появляется возможности создания плагинов и дополнительных надстроек для используемых программных комплексов. Данные плагины могут применяться для автоматизации процессов оформления, создания модели [10, 34], передачи данных из одного программного комплекса в другой [34]. Генеративное проектирование Генеративный подход к проектированию адресует проблему создания и сравнения множества версий проекта, удовлетворяющих заданным условиям. Этот подход направлен на сокращение времени, требующегося на создание моделей, и на упрощение процесса выбора оптимального решения [7-9, 12 , 20, 35]. Основой генеративного подхода является алгоритм, который при заданных условиях и ограничениях генерирует несколько версий проекта. К генеративному подходу относятся такие методы, как эволюционное генерирование, метод агентных систем, симуляция физических процессов [9]. Генеративный подход широко распространен в архитектурном проектировании, где он позволяет найти новые варианты формы объекта, в том числе не всегда очевидные. Следующей ступенью в развитии генеративного подхода является интеграция архитектурного и конструктивного проектирования [14]. Концепция такого метода позволяет одновременно создать архитектурную и конструктивную модель версии проекта, проанализировать их и внести изменения в исходные ограничения и условия, если необходимо. Реализация этого метода требует использования программ с возможностями безбарьерного обмена данными. Многие производители объединяются в таких проектах, как OpenBIM [36], чтобы обеспечить возможность обмена данными и бесшовного взаимодействия между программными комплексами. Однако проблема взаимодействия все же остается актуальной, поэтому среда визуального программирования Grasshopper может быть использована не только как платформа для создания алгоритма, но и как посредник между различными программными комплексами. Алгоритмическое проектирование Алгоритмическое проектирование в отличие от генеративного включает в себя четко прослеживаемую связь между алгоритмом и результирующей моделью [30]. Примером реализации такого подхода может служить алгоритм в среде Grasshopper, который по заданным входным параметрам отстраивает информационную модель, тем самым выполняя задачу генерации модели, затем с помощью плагина взаимодействия с расчетной программой дополняет модель информацией, необходимой для расчета конструкции (также по заданным параметрам), и затем передает модель в программу по расчету конструкций через ссылку прямого взаимодействия для анализа [15]. При этом возможно организовать обратное взаимодействие алгоритма в среде Grasshopper и результатов расчета конструкции. Автоматизация процесса генерации модели и анализа различных вариантов проекта открывает возможности поиска действительно оптимального решения. К алгоритмическому подходу можно отнести различные методы, использующие симуляцию физических воздействий на конструкцию, для нахождения ее оптимальной геометрической формы (form-finding), например парадигму Гауди [11]. Программные решения алгоритмического моделирования использовались при проектировании Amager Resource Center (Дания), Лахта Центр (Россия), Morpheus Hotel (Китай) [28]. Стоит отметить, что предпринимаются попытки использования данного подхода для интеграции архитектурного и конструктивного проектирования в единый процесс [37]. Задачи оптимизации Отдельно стоит отметить возможности использования визуального программирования в задачах оптимизации. В целом задачи оптимизации можно разделить на задачи оптимизации отдельной строительной конструкции (балка, ферма) и задачи оптимизации здания или сооружения в целом, т.е. совокупности строительных конструкций в их взаимодействии. Из множества используемых алгоритмов для оптимизации конструкций можно выделить [6]: · алгоритмы синтеза топологии, · генетические алгоритмы [38], · алгоритмы гармонического поиска, · алгоритмы роя частиц, светлячков, муравьиной колонии. Эффективность таких алгоритмов в значительной степени зависит от количества учитываемых параметров целевой функции. Введение нескольких критериев оптимальности и множества ограничений крайне усложняет алгоритм. В этом свете для реализации этих алгоритмов крайне целесообразно использовать методы автоматизированного проектирования [26]. Наиболее эффективным инструментом для построения алгоритмов оптимизации является текстовое программирование. Однако, если используемый алгоритм не содержит большого количества критериев оптимальности и ограничений, он может быть построен и в среде визуального программирования. С ростом сложности алгоритма уменьшаются возможности среды визуального программирования для его создания и соответственно увеличивается целесообразность написания кода на текстовом языке программирования. Сравнение сред визуального программирования с альтернативными инструментами создания кода В работе [39] были рассмотрены возможности визуального программирования как инструмента по автоматизации проектирования внутри персонального компьютера (ПК) Revit по сравнению с традиционным программированием. Авторы рассматривали два подхода: 1) написание кода на языке программирования в отдельной программе с последующей загрузкой полученного плагина в Revit и 2) создание кода во встроенной среде визуального программирования Dynamo, в том числе с возможностью написания кода в специальных нодах. В качестве результатов этой работы был сделан вывод, что эти два средства автоматизации проектирования предназначены для пользователей с разными уровнями навыка программирования, а значит, оба являются востребованными. Среда визуального программирования позволяет намного более просто создавать наглядные алгоритмы, однако имеет ограниченные возможности в силу конечного числа доступных нодов. Написание кода на языке Python или C# позволяет решить задачу практически любой сложности, однако требует привлечения специалиста по программированию и не всегда может быть использовано инженером-проектировщиком или архитектором. Интерфейсы прикладного программирования API относятся к текстовому программированию, но за счет интеграции в интерфейс ПК по моделированию могут быть более удобными для использования. Встроенные API чаще всего используются для автоматизации построения объектов в модели или проведения каких-либо операций путем написания кода напрямую в API. Однако в то же время данный интерфейс позволяет интегрировать плагины, созданные на любом языке программирования. Стоит отметить, что такие среды визуального программирования, как Dynamo и Grasshopper, также позволяют создавать пользовательские ноды через написание кода на Python в специальном блоке. Решение задач автоматизации с помощью кодирования является наиболее эффективным методом как с точки зрения области возможностей, так и с точки зрения нагрузки на вычислительные возможности компьютера. Данный инструмент требует достаточно глубоких знаний по прикладному программированию, изучение которых сопряжено с множеством барьеров, а значит, такой подход не может использоваться повсеместно [40]. Сравнительные возможности инструментов программирования представлены в таблице и на рис. 3. Сравнение проводилось по методу обобщения информации о возможностях инструментов из научных публикаций. Веса показателей в процентах приняты равными. Сравнительные возможности инструментов программирования Comparative features of programming tools Наименование показателя Grasshopper Dynamo API Написание кода в отдельной программе Скорость создания алгоритма 0,25 0,25 0,5 1 Широта возможностей 0,75 0,75 0,75 1 Нагрузка на компьютер и программные комплексы 0,25 0,25 0,5 1 Эффективность решения задач топологической и структурной оптимизации 0,75 0,25 0,5 1 Доступность с точки зрения навыков программирования 1 0,75 0,5 0,25 Работа с базами данных 0,25 0,5 0,75 1 Параметрическое моделирование конструкций 0,75 1 1 1 Генеративное проектирование 1 0,5 0,75 1 Работа с обширными базами данных 0,25 0,25 0,5 1 Создание сложной геометрии 1 0,75 0,5 0,5 Работа с воздействиями на модель 1 0,5 0,75 0,75 Анализ энергоэффективности и затенения 0,75 0,5 0,75 1 Возможность передачи данных в другой программный комплекс 1 0,25 0,5 1 Работа со свойствами объектов 0,5 1 1 1 Эффективность на стадии концептуального проектирования 1 0,75 0,5 0,5 Эффективность работы с чертежами и свойствами объектов 0,5 1 0,75 0,5 Уровень развитости сообщества пользователей и наличия дополнительных руководств 1 0,75 0,75 0,75 Скорость обработки информации в работе в большим количеством объектов 0,75 0,5 0,75 1 Наличие встроенных инструментов анализа, создания специальной геометрии и работы с базами данных 0,75 0,5 0,5 0,25 Рис. 3. Процент эффективности инструментов программирования в задачах проектирования Fig. 3. Percentage effectiveness of programming tools in design problems Обсуждение Таким образом, по результатам сравнения инструментов визуального программирования можно сделать вывод, что Grasshopper и Dynamo являются отличными средствами для ускорения процесса проектирования и повышения качества вырабатываемых решений. Эти инструменты оказывают поддержку специалисту практически на любой стадии разработки проекта. При этом Grasshopper в целом является более эффективным на ранних стадиях проектирования в работе с концептами, анализе и сравнении вариантов. В то же время Dynamo более эффективен на стадии документирования за счет качества работы со свойствами объектов в Revit и интеграции в эту программу. Выводы Среды визуального программирования являются перспективным способом решения широкого спектра задач проектирования и намного более доступны в использовании по сравнению с написанием кода на языке программирования в специальной программе. Это обуславливает возможность их широкого применения в сфере проектирования. Целесообразными направлениями применения визуального программирования в проектировании являются не только задачи автоматизации и параметризации процесса моделирования, но и оптимизация проектных решений, организация автоматизированного взаимодействия программных комплексов по расчету и моделированию, а также реализация различных методов поиска оптимального проектного решения, относящихся к области генеративного и алгоритмического проектирования. Перспективным направлением для визуального программирования является создание различных плагинов для программных комплексов. Эти плагины позволяют решать конкретные задачи и дополняют функционал исходных программ. За счет относительной простоты визуального программирования создание таких плагинов под нужды конкретной компании может значительно расширить возможности наиболее используемых программных комплексов без значительных дополнительных денежных вливаний.

About the authors

E. A. Klekovkin

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

A. S. Suntsov

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 146

PDF (Russian) - 81

Refbacks

• There are currently no refbacks.