автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Автоматизация решения геометрических, графических и сервисных задач композиционного моделирования городской застройки



• V - На правах рукописи

МАМЧИЦ НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА

АВТОМАТИЗАЦИЯ РЕШЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, ГРАФИЧЕСКИХ И СЕРВИСНЫХ ЗАДАЧ КОМПОЗИЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Специальность 05.01.01. - Прикладная геометрия и инженерная графика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону -1997

Работа выполнена на кафедре графики и информационных технологий Ростовского - на - Дону государственного архитектурного института (РАИ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доцент, кандидат технических :наук Иевлева О.Т.

профессор, доктор технических наук Синицьш С.А. (РГОТУПС) профессор, кандидат архитектуры Самойлов Ю.Г. (НГАСУ)

Ведущая организация:

Комитет по архитектуре и градостроительству г. Ростова - на - Дону

Защита состоится 16 декабря 1997 г. в 13 часов в ауд. 5-202 на заседании диссертационного совета Д064.09.03. при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603600, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (НГАСУ).

Автореферат разослан " " 1997 г

Отзывы (в 2-х экз., с подписью, заверенной печатью) просим направлять ученому секретарю диссертационного Совета Д 064. 09.03. по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65.

Ученый секретарь диссертациошюго сов~~~

к. т. н., Доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вертикальная композиция города является основой его восприятия, во многом определяет его облик и своеобразие.

Изучением общих вопросов композиции занимались такие известные теоретики архитектуры как Бунин A.B., Лавров В.А., Иконников В.А., Кринский В.Ф., Туркус М.А. и др.

Исследования архитектурного наследства, проведенные Афанасьевым К.Н., Тверским Л.М., Шквариковым В.А., Гаряевым P.M., Гуляницким Н.Ф., Косточкииьш В.В., Ожеговым С.С., Саваренской 'Г.Ф. и другими авторами, также подтверждают и иллюстрируют целый ряд принципов построения композиции. Анализу и принципам построения целостной архитектурной композиции посвящены диссертационные исследования Мамакова Н.В., Ерышевой F..А., Иванова В.И. Лемегова A.B., Никольской Л.В., Орозумбекова В.А., Седак А.И., Тальковского В.Г., Чудиновой Т.С., Семенцова C.B.

Наименее исследован аспект вертикальной проекции города, хотя рассмотрением отдельных его вопросов занимались Ле Корбюзье, Гибберт Ф„ Лит К., Богдановски И., Тонеп Д., Бунин A.B., Гольдзамт Э.А., Лавров В.А. и др.

Однако общей концепции формирования вертикальной композиции города

нет.

Уделение недостаточного внимания вопросам сохранения архитектурного своеобразия вертикальной композиции городов приводит к угрозе нивелирования исторических панорам, нарушению системы расположения высотных акцентов. Неисследованными остаются проблемы включения вновь проектируемых зданий в ткань исторически сложившегося города. В этих условиях актуальным остается изучение специфики вертикальной организации городских ансамблей, выработка рекомендаций и методов, направленных на сохраните их лучших качеств при возведении новых.объектов в исторически сложившейся среде. Решение многих из поставленных вопросов возможно с

помощью применения средств и методов информационных технологий проектирования. Исследованиям систем и методов автоматизации проектирования объектов строительства и архитектуры посвящены работы таких исследователей из стран СНГ, как JI.H. Авдотьин, A.A. Гусаков, И.Д., Зайцев, О.Т. Иевлева, Е.П. Костогарова, Г.И. Конусов . М.И. Коробочкшг, В.Н. Мастаченко, B.C. Нагинская, Л.И. Павлова, И.И. Рафалович, И.А. Репжиглова, Ю.Г. Стоян, B.C. Тимощук, Г.Я. Эпельцвейг и др. Из зарубежных исследователей можно назвать: А. Биджл (A. Bijl), Б.Уайтхед (В. Wiglithad), П. Сит (P. Tiling), М. Девис (M.Devis) - Великобритания; А. Бир (A. Beai), С.Е. Истмен (С.Е. Eastman), Д.Л. Росс (D.L. Ross) - США; Т. Коул (Т. Со1е); Б. Форвуд (В. Forvood) - Австралия; Г. Томас (Н. Tilomas), Е. Кеппель (Е. Keppel) -Германия; Ж.-К. Лагомб (J.- К Latombe) - Франция; М. Пелтекова, Р. Димитрова - Болгария; И. Хартни. - Венгрия; -Я. Гладки и др. Ими решались вопросы автоматизированного проектирования промышленных зданий и генеральных планов, общественных и жилых зданий, целый ряд градостроительных и транспортных задач и др. вопросы. Однако для выбора общих габаритов объекта с учетом композиционных характеристик сложившейся среды эти методы до сих пор не применялись информационных технологий проектирования.

Актуальность предложенной работы заключается в необходимости создания системы автоматизированного формирования композиции существующей городской застройки, и экспертизы предлагаемых проектных решений на основе выбора (экспертизы) плановых и высотных характеристик проектируемых объектов.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего диссертационного исследования является разработка методики, позволяющей с помощью средств информационных технологий проектирования, на основе существующей градостроительной ситуации композиционных характеристик, а также нормативных требований, получать плановые и высотные параметры проектируемых зданий и включать их в застройку в контексте исторически

сложившейся городской среды или проводить экспертизу предлагаемых проектных решений.

Основными задачами исследования являются:

- определение основных закономерностей процесса формирования композиции городской застройки;

- выявление композиционных характеристик объекта, "вписываемого" в ткань исторически сложившейся городской застройки;

- разработка постановки задачи, математической модели и алгоритма поиска рациональных высотного и планового решений проектируемого объекта, включаемого в структуру исторически сложившейся застройки и влияющей на поддержание и сохранение его исторического облика;

- создание "идеальной" модели существующей застройки;

- проведение графоаналитического анализа с целью выявления характерных форм планов зданий по типологическим признакам;

- создание базы данных (БД) типовых проектных элементов проектируемых объектов;

- разработка диалогового графического сервиса для выбора и визуальной оценки высотного и планового решений объекта;

- создание системы автоматизированного проектирования, позволяющей с помощью математических методов и средств компьютерной графики осуществлять в диалоговом режиме поиск плановых и высотных параметров проектируемого объекта в существующей городской среде, а также проводить экспертизу предложенного проектного решения.

Методы исследования. В процессе исследования использованы следующие методы: типологический, морфологический, графоаналитический,

алгоритмизация процесса проектирования, математическое моделирование, экспериментальное проектирование с использованием ПЭВМ (персонального компьютера).

Научная повита работы состоит:

- в разработке нового, автоматизированного подхода к композиционному моделированию городской среды и экспертизе предлагаемых проектных, решений;

- в построении обобщенной функциональной модели процесса композиционного моделирования городской среды;

- в применении метода математической аппроксимации поверхности для описания закономерностей вертикальной композиции существующей застройки;

в создании системы автоматизированного композиционного моделирования городской среды;

- в разработке структуры н создании диалогового графического сервиса для обоснованного выбора и визуальной оценки высотного и планового решений объекта.

Практический выход. Создана система автоматизированного композиционного моделирования городской среды "ОБРАЗЪ". Все интерактивные блоки и процедуры разработанной системы ориентированы на персональные компьютеры типа IBM PC/AT, работают в графической среде AutoCAD-12 и написаны на языке AutoLISP, а поисковые программы и вспомогательные модули - на языке С++.

Внедрение результатов работы. Система автоматизированного моделирования городской среды применялась в работе градостроительного v Совета Комитета по архитектуре и градостроительству г.Ростова-на-Дону, а также в дипломных проектах в Ростовском государственном архитектурном институте.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ.

Апробация работы. Основные результаты исследовании были представлены на научно-теоретических конференциях Ростовского государственного архитектурного института, на Международной конференции ГРАФИКОН '96, а также опубликованы в межвузовском сборнике и тезисах конференций.

Основные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательской темы в рамках Межвузовской научно-технической программы "Архитектура и строительство" (шифр 1.6.1.2. "Методологические основы информатизации процесса композиционного моделирования городской застройки").

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения. Работа содержит 199 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 80 рисунков; 12 страниц занимает .список литературы из 183 наименований, 17 из которых - на иностранном языке.

Во введении приводится краткое обоснование актуальности исследований и определяется место рассматриваемых проблем в вопросах формирования композиции городской среды и автоматизации архитектурно-строительного проектирования.

В первой главе "Исследование существующих подходов к организации вертикальной композиции городской застройки" определяется роль силуэта как ведущего приема формообразования в современной архитектуре, анализируется история развития приемов силуэтной выразительности, вырабатывается научный аппарат исследований, на основе анализа существующих подходов группируются принципы построения вертикальной композиции города, выявляются цели проектной задачи и требования, предъявляемые к проектному решению, проводится анализ существующих методик композиционного моделирования городской среды.

С целью выбора среды функционирования системы автоматизированного композиционного моделирования городской среды анализируются пользовательские интерфейсы автоматизированных систем конструкторской графики.

Во второй главе "Анализ основных закономерностей проектирования объектов в условиях исторически сложившегося города" выявлены закономерности и ограничения, влияющие на определение местоположения, габариты и внешний вид проектируемого объекта, исследованы традиционные

приемы композиционной организации зданий различного функционального назначения.

В третьей главе "Разработка системы автоматизированного моделирования композиции городской застройки" обосновывается автоматизированный подход к композиционному моделированию городской среды, формулируется содержательная постановка задачи, предлагаются обобщенная функциональная модель процесса проектирования и укрупненная блок-схема автоматизированного моделирования и экспертизы вновь возводимого объекта в условиях исторически сложившейся среды, предлагается математический метод для описании существующей застройки, обосновывается выбор среды функционирования, интерфейса, структуры и принципов построения системы, алгоритмы реализации, отдельных ее фрагментов, описывается структура диалогово-графического сервиса для решения задачи.

В четвертой главе "Экспериментальное автоматизированное моделирование композиции городской застройки" приводятся входные данные, ограничения, ход принятия решения и результаты автоматизированного проектирования объектов жилой функции, располагаемых в разных градостроительных условиях исторически сложившегося города, а также экспертизы предложенного проектного решения (на примере г. Ростов-на-Дону)

В заключении приведет! основные выводы, практические предложения и рекомендации по дальнейшему развитию исследований в области композиционного моделирования на уровне города и объема, приводится список опубликованных трудов по теме диссертации.

В приложении содержится описание системы автоматизированного композиционного моделирования городской застройки "ОБРАЗЪ", позволяющей в диалогово-графическом режиме подготовить исходные данные, задать композиционные ограничения, выбрать плановые и высотные характеристики проектируемого объекта, провести экспертизу предложенного проектного решения и получить варианты трехмерной визуализации принятых решений.

На защиту выносится:

- формализованная' структура процесса моделирования ко,\- пцнк существующей застройки;

- подход к определению плановых и высотных характеристик проектируемых объектов в контексте исторической застройки;

- система автоматизированного моделирования композиции городской среды в контексте исторически сложившейся застройки;

структура графического сервиса для выявления 'основных композиционных характеристик проектируемого объекта существующей городской застройки или его экспертизы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

С целью выявления исторически сложившихся приемов организации образного решения города проведен ретроспективный анализ развития композиции застройки на примерах исторически сложившихся городов, который позволил выявить, что в образном восприятии города наибольшее значение играют силуэт и панорама, которые образуются системой определенным образом увязанных между собой доминант (отдельные здания, ансамбли, сооружения, произведения монументального искусства). Кроме того в организации силуэта и панорамы принимают участие природный ландшафт (для организации доминанты или в незастроенном виде в качестве фона), а также планировочная организация и конфигурация отдельных сооружений. В результате анализа выявлено, что при организации композиции современных городов существует два подхода:

1) формирование силуэта в условиях реконструкции существующего города . При этом вновь возводимые объекты могут "деликатно" дополнять и "вписываться в существующую среду или видоизменять и дополнять сложившуюся композицию города;

2) создание силуэта в новых городах, где формируется самостоятельная композиция, не связанная с исторической застройкой.

С целью выявления основных элементов вертикальной композиции города и закономерностей ее визуализации проведен морфологический анализ традиционных проектных подходов-к решению задачи.

Анализ позволил конкретизировать элементы вертикальной композиции города (природный ландшафт, система вертикальных акцентов, фоновая застройка), дать им определения, выявить зависимости и ограничения при их моделировании.

Природный ландшафт в соответствии с определением вертикальной композиции города представляет собой проекцию на вертикальную плоскость высотных отметок рельефа. Компоненты- ландшафта (рельеф, акватории, растительность) предопределяют архитектурно-пространственную композицию города, влияют на расположение акцентов композиции.

Система акцентов вертикальной композиции города рассматривается как определенная совокупность вертикальных и объемных доминант и пространственно-визуальных связей между ними. Система акцентов образно представляется как пространственная "кристаллическая решетка", отражающая его планировочный каркас. Акценты формируются не только единичными сооружениями, обладающими максимальными высотными и объемными параметрами, но и группами зданий и целыми ансамблями.

Пространственно-визуальные связи формируются "разрывами", воздушными паузами в рядовой застройке, которые образуются ландшафтом, коммуникациями (реки, дороги, площади, улицы, парки) к тканью города в виде кулис, экранов, представляющих собой застройку разной высоты, то есть разрывами в горизонте застройки.

Фон вертикальной композиции - проекция на вертикальную плоскость пространственно-развивающейся ткани города, его фоновой (рядовой) застройки.

Общими характеристиками вертикальной композиции города являются:

- соотношение элементов фона и каркаса с природным ландшафтом;

- высотное соотношение параметров элементов фона и акцентов контрастное или шоансное;

- форма силуэта - выпуклая, чашеобразная, волнообразная.

Анализ рассмотренных методик позволяет сделать вывод, что для моделирования композиции существующего города необходимо задание рельефа территории, фоновой застройки и указание существующих акцентов (доминант), при этом должны учитываться сложившиеся характеристики вертикальной композиции города.

По подходам к организации композиции рассмотренные методики можно разделить на две большие группы: оперирующие в качестве объекта исследования планом города (1) и исследующие комплекс зданий (2).

Первая группа связана в основном с планировочными, двухмерными построениями, вторая - с объемно-планировочными. трехмерными построениями.

Основная трудность анализа композиционной структуры города с помощью имеющихся методик - разномасштабность и несводимость результатов. Ни композиция плана города, пи композиционные построения ансамблей, изученные по отдельности, не характеризуют с необходимой полнотой композиционную структуру города. Кроме указанных выше, существует еще одна группа методик, позволяющих вести поиск эффективных средств создания зрительно воспринимаемых, пространственных связей. Одни из них, в том или ином виде используют вычислительную технику старого поколения, другие же используют для моделирования городской застройки различные методы визуализации объектов, например, метод фототеодолитной съемки.

Рассмотренные методики не решают всех вопросов, связанных с композиционным формированием силуэта городской застройки. Их общим недостатком является наличие большого количества графических работ, связанных с переводом трехмерных изображений в плоскостные и обратно. Решить полный комплекс задач, связанных с научно обоснованным

формированием, корректировкой или дополнением композиции городской застройки возможно лишь на основе применения современных средств информационных технологий проектирования.

С помощью средств информационных технологий элементы композиции города можно в информационном плане представить совокупностью цифровой модели рельефа (ЦМР) и цифровой модели планировочного каркаса застройки (ЦМЗ). При этом для подготовки ЦМР и ЦМЗ можно воспользоваться данными автоматизированных городских кадастров.

Композиционные акценты и требования к ним могут выступать в качестве ограничений к высотной характеристике проектируемого объекта. Выявленные в процессе исследований иерархичность акцентов (главные, второстепенные и дополнительные), а также модульные шаги узлов (для главных акцептов - 1-1,5 км; для второстепенных акцентов - 500-1000 м; для дополнительных - 100-500 м) могут учитываться в качестве ограничений.

Для определения факторов, ограничивающих планировочные параметры проектируемого объекта, проведено исследование основных условий, сказывающихся на определен™ местоположения и внешнем виде объекта композиции. К числу таких условий относятся:

а) природно-климатические: температурный, влажностный и ветровой режимы, свойственные климату данной местности; уровень солнечной радиации; рельеф местности и т.д.

б) градостроительные: местоположение и размеры участка, условия зрительного восприятия проектируемого объекта, морфология окружающей застройки, композиционно-художественные особенности окружающей застройки, влияние функциональной структуры городской среды и т.д. Кроме этого, огромную роль в моделировании городской среды играет учет противопожарных разрывов между зданиями и других нормируемых СНиГ! ограничений.

В процессе анализа природно-климатических факторов выявлены конкретные рекомендации для правильной ориентации объекта по странам

света, зависящие от географического пункта строительства (климатического района) и сказывающиеся: на конфигурации объекта в плане; для рационального расположения объекта по отношению к направлению рельефа территории, накладывающие ограничения на протяженность объекта; для обоснованного расположения объекта по отношению к существующим зданиям, связанного с инсоляцией.

При анализе градостроительных факторов выявлено, что они в основном влияют на размеры, необходимые для строительства объекта - элемента композиции города. В результате анализа формализованы требования нормативных документов в виде конкретных рекомендаций, накладывающих ограничения на размеры площадки строительства и зависящие от организации транспортного и пешеходного движения, конфигурации проездов и их классификации, наличия и классификации внутрядворовых площадок, обеспечения проезда пожарных автомашин, требований организации озеленения, морфологических свойств окружающей застройки и приемов ее пространственной организации и т.д.

С целыо выявления влияния типологии объекта на его планировочные параметры и ориентацию при включении в композицию города проведено исследование традиционных приемов композиционной организации жилой застройки и зданий общественного назначения. В процессе исследований на основании существующей классификации объектов составлены иерархические структуры (зависящие от типологии объекта, их пространственной и планировочной организации, особенностей геометрических характеристик). Каждая ветвь структуры заканчивается конкретной формой объекта в плане. Разработанные иерархические модели использованы в качестве структур §азы данных объемтгх параметрических библиотек типовых планировочных элементов.

Закономерности, ограничения и параметры, выявленные в результате анализа закономерностей плановой и высотной организации элементов

композиции застройки существующих городов положены в основу эвристических правил для автоматизированного решения задачи.

Учитывая предложенное выше описание объекта проектирования, можно сформулировать постановку задачи следующим образом: на участке территории существующего города с исторически сложившейся застройкой, с учетом всех заданных композиционных критериев разместить вновь возводимый объект (группу объектов) или провести экспертизу предложенного проектного решения таким образом, чтобы его высотные характеристики попадали в область ограниченную некоторой поверхностью, а плановые - в область, которая определяет некое планировочное "пятно".

Анализ традиционных подходов к композициошюму моделированию городской застройки, а также тезис, согласно которому разрабатываемая методика должна позволять осуществлять поиск параметров вновь возводимого объекта в условиях исторически сложившейся застройки и экспертизу предложенного проектного решения, послужили основой для формирования укрупненной модели автоматизированного моделирования процесса (рис. 1), которая сводится к выполнению следующих проектных этапов: анализ существующей ситуации; поиск силуэтного решения объекта; поиск вариантов планового решения объекта.

Этап I - "Анализ существующей ситуации" - предстазляет собой сбор и подготовку исходных данных для автоматизированного проектирования: характеристика существующей подосновы, куда входят топографический план и цифровая модель рельефа (процедуры 1.1. и 1.2.); сведения о климатическом районе строительства, таких как инсоляционный и аэрационный режимы, а также уклон рельефа местности, с последующим выявлением их влияния на положение, конфигурацию и параметры вновь возводимого объекта (процедура 1.4.); размеры и конфигурация площадки строительства; параметры и координаты существующих зданий и сооружений (процедура 1.З.); наличие и координаты транспортных коммуникаций; структура и тип окружающей застройки.

1. Анализ существующей ситуации

1.1. Подготовка ЦМР и изображения рельеф;!

1.2. Подготовка планировочного каркаса существующей застройки_

1.3. Параметры экспертизы

1.4. Анализ природно-климатических условий местности

2. Поиск высотного решении объекта

2.1. Построение "идеальной" поверхности

2.2. Выбор вариантов высотного решения объекта

2.3. Экспертиза высотного решения

3. Поиск планового решения объекта

3.1. Анализ градостроительных факторов утастка строительства__

3.2. Выбор рациональных варнаккт планового решения объекта_

3.3. Экспертиза планового решения

3.4. Дстсшгацня планового решения объекта с учетом различных тон восприятия и требований озеленению и благоустройству территории_

3.5. Визуализация полученного проектного решения

Рис. 1.

Укрупненная блок-схема процесса моделирования и экспертизы вновь возводимого объекта в условиях исторически сложившейся застройки

Этап 2 - "Поиск силуэтного решения объекта" - состоит из трех проектных процедур: построение "идеальной поверхности (процедура 2.1.); выбор вариантов высотного решения объекта (процедура 2.2.); экспертиза высотного решения (процедура 2.З.).

Для решения задач 2 этапа рассматривается следующая гипотеза: существующая исторически сложившаяся застройка может быть представлена в виде модели геометрического тела, ограниченного снизу поверхностью земли, а сверху - поверхностью натянутой на экстремумные точки существующих зданий. Сечення такого тела в необходимых направлениях представляют собой очерк застройки. Поскольку вновь возводимые здания в исторически сложившемся городе должны не нарушать, а только дополнить и обогащать силуэт города, их высотные характеристики должны вписываться в "ткань" существующей застройки.

Построение "идеальной" поверхности осуществляется на основании решения задачи размещения некоторой гладкой поверхности на произвольно расположенной системе заданных высот, которую предлагается решать путем построения двумерного естественного кубического сплайна. При этом сначала моделируется поверхность земли, а затем "идеальная" поверхность на участке проектирования. Высота проектируемого объекта без учета композиционных ограничений определяется как результат разности отметок поверхности земли и "идеальной" поверхности.

Для сужения области поиска вариантов, в качестве входных данных задается композиционная система существующих акцентов, при этом указывается иерархичность элементов, для которых установлены соответствующие модульные шаги узлов, и система исторически или функционально доминирующих акцентов.

Выразительность силуэта определяется соотношением высоты вертикальных сооружений к средней этажности окружающей застройки. При выборе высоты проектируемого объекта происходит сравнение с высотой

доминирующего акцента, который может быть историческим объектом или ведущим объектом застройки, влияющим на образ города.

Этап "Поиск вариантов планового решения объекта" представляет собой интерактивную процедуру получения рекомендации и выбора и визуальной оценки планового решения объекта и состоит из следующих проектных процедур: анализ градостроительных факторов участка строительства (процедура З.1.); выбор рациональных вариантов планового решения объекта (процедура 3.2.); экспертиза планового решения (процедура 3.3.); анализ условий зрительного восприятия проектируемого объекта с учетом различных зон восприятия относительно наблюдателя (процедура 3.4.).

Каждый этап моделирования завершается вычерчиванием соответствующего изображения на экране дисплея с учетом результатов проектирования и профессиональных нормативов, а также сопровождается занесением необходимых данных в специальные файлы, используемые при проектировании на последующих этапах в качестве исходных данных или для получения проектной документации в виде твердых копий. Кроме изображений, в результате работы пользователь получает, так называемую, "справку", фиксирующую значения всех параметров, полученных в результате проектирования.

Одной из основных задач системы является поиск высотного решения объекта. Решение этой задачи состоит из двух этапов: построение "идеальной" поверхности и выбор вариантов высотного решения. В соответствии с семантической моделью построения "идеальной" поверхности, ее математическая модель представляет собой функцию двух переменных Z=F(x у), заданных на прямоугольной топологически регулярной сетке с координатами в диапазоне от у mj„ до у тах с шагом Дх и Ду при Дх, Ду = const. Поскольку, создаваемая "идеальная" поверхность должна по условию, плавно огибать существующую застройку с вьгходом на поверхность земли на незастроенных участках, в настоящем диссертационном исследовании поставленную задачу предложено решать путем построения двумерного естественного кубического

сплайна. Выбор метода описания поверхности связан с тем, что с математической точки зрения доказано, что кубическая сплайн-функция является единственной функцией, обладающей свойством минимальной кривизны, среди всех функций, интерполирующих данные точки и имеющих квадратичноинтегрируемую вторую производную. В этом смысле естественный кубический сплайн - самая гладкая из функций, интерполирующих заданные точки (рис. 2).

Рис. 2.

Идея сплайн-интерполяции сводится к построению по и значениям в узлах п-1 фрагментов кубической кривой б(х), каждая из которых требует 4 параметра, то есть всего определяется 4п-4 параметра. Требование непрерывности з(х), ее первой и второй производной во всех п-2 внутренних узлах дает '3(п-2) уравнений. Равенства з(х!)=у| добавляют еше и уравнений. Последние 2 уравнения получаются из требования "естественности" сплайна 5"(х1)=з"(х„)=0. Совместное решение полученном системы дает 4п-4 искомых параметров.

Приведенная выше постановка задачи в настоящей работе реализована следующим алгоритмом. Поскольку в качестве входных данных имеется множество, состоящее из хаотически разбросанных опорных точек

(геодезические реперы, точки зданий, дорог и пр.), то было решено для построения сплайн-функций опираться на регулярную сеть точек.

Заданный для проектирования участок городской территории жестко фиксируется граничными минимальными и максимальными координатами точек. Для получения регулярной сети точек выделенная территория разбивается на горизонтальные и вертикальные полосы. Шаг разбиения таких полос задается пользователем по запросу системы. При этом считаем, что узлы регулярной сети располагаются на границах вычисленных горизонтальных и вертикальных полос.

Координата Z каждого узла регулярной сети определяется сначала по горизонтальным полосам, а затем, уточняется по вертикальным полосам. Прн определении узла рассматриваются точки, попавшие в диапазон следующих подмножеств {х + 0.5h, х - 0.5h) и {у + 0.5h, у - 0.5h} (т.е. половинные размеры шага горизонтальной (вертикальной) полосы (с обоих сторон от узла) и затем вычисляется одна усредненная по всем координатам точка. После этого для всех точек горизонтальной полосы сплайном достраиваются все Z координаты зданий и рельефа территории, по которым сплайн проводит вычисления Z = f (у) и Z = f (х).

Такой алгоритм принят поскольку при применении интерполяции, для отыскания "идеальной" поверхности, проходящей через заданные точки, проявляется зависимость начальных условий обработки сегмента поверхности от результатов обработки предыдущего сегмента и любое, даже незначительное, искажение приводит к нежелательным последствиям. Для устранения этих недостатков и проведено разбиение участка на множество полос с последующей обработкой при сохранении на их границах непрерывности свойств (кривизны).

Для получения высотного параметра архитектурной застройки двухмерное множество D*y преобразуется в одномерные подмножества D'x(npH у, = у = const, где i = l...n) и D'y (при xj = х = const, где j = l...m). При этом происходит вычисление новых значений с применением кубической одномерной сплайн-интерполяцию и сходимость приближенного решения к истинному (£) ç->0 при

п->оо, так как 11—>0, где п - число отрезков, Ь - шаг отрезка. Вычисление функции в каждом из подмножеств допускается при наличии не менее 5 точек, в противном случае первичный расчет не производится.

Задача определения планировочных параметров объекта сводится к определению некого планировочного "пятна", в которое вписывается проектируемый объект.

Поиск планировочного "пятна" представляет собой определение участка на территории города, заданного плановыми координатами существующих зданий и сооружений, который удовлетворяет климатическим, градостроительным, противопожарным, санитарным и другим нормативным ограничениям (рис. 3.).

Отведенная под строительство территория в общем случае представляет собой в общем случае п-связный многоугольник, где п=1, 2, ...., к; заданный отрезками прямых в порядке положительного обхода области. От границы многоугольника задаются ограничения Ас!, > 0, определяемые нормативными ограничениями. Таким образом, задача определения планировочного "пятна" сводится к поиску области решения множества из N линейных уравнений ах, +Ьу; +с;= 0 где ¡= 1, 2,...,к при ограничениях Д<1 ¡.

©

Рис. 3.

В процессе работы с системой автоматизировашюго проектирования "ОБРАЗЪ" существует возможность пользоваться графическими библиотеками типовых проектных блоков плановых проектных решений, что существенно сокращает сроки проектирования и облетает работу архитектора. Структура таких библиотек представляет собой графическую базу данных иерархической (древовидной) структуры. В базе данных типовых проектных блоков представлена библиотека форм жилых и общественных зданий. При выборе формы жилых зданий главным критерием классификации была принята пространственная протяженность и точечность (пространственная стабильность).

Кроме пунктов поиска планировочных параметров проектируемого объекта, библиотеки типовых элементов используются при выполнении работ по озеленению и благоустройству проектируемой территории. Так, например, при проектировании озеленения территории используется библиотека зелеттх насаждений, при этом в автоматическом режиме создается текстовой файл ведомости зеленых насаждений *.zel, который по окончанию работы можно вывести на печать. В процессе работы по благоустройству проектируемой территории возможно использование библиотеки элементов благоустройства, в которую включены фонтаны, скульптурные композиции, площадки с различными видами мощения, элементы уличного освещения и садово-парковая мебель.

Система автоматизировашюго проектирования "ОБРАЗЪ" предоставляет пользователю следующие возможности в его работе в процессе проектирования:

- использование уже созданных элементов, которые хранятся в библиотеке типовых проектных блоков;

- создание новых элементов стандартными средствами AutoCAD, их корректировка и, при необходимости, внесение в библиотеку для дальнейшего использования.

Каждый элемент библиотеки представляет собой стандартно созданный в системе AutoCAD слайд элемента, под который подключена программа его

отрисовки, написанная на встроенном языке AutoCAD AutoLlSP. Программа начинает работать при выборе изображения элемента из иконографического меню системы и включает его в общий чертеж в виде блока.

В основу структуры системы автоматизированного моделирования композиции городской застройки положен принцип построения экспертных систем. Известно, что в общем случае экспертные системы состоят из базы знаний, механизма принятия решений и интерфейса. Применительно к системе "ОБРАЗЪ" роль своеобразной базы знаний играют справочные и нормативные данные, представленные в виде рекомендации проектировщикам, предусмотренных для различных сочетаний входных данных, а также графическая БД облегчающая выбор формы и построение объема здания в зависимости от различных, влияющих на него факторов. Роль механизма принятия решений играют расчетно-диалоговые программные модули позволяющие осуществлять выбор высотных и плановых параметров объекта. В традиционных экспертных системах интерфейс, как правило, включает язык представления знаний и сервис, позволяющий пользователю работать в профессиональной среде. Поскольку логика поиска рекомендаций и параметров объекта решена традиционно и не использует принятых в экспертных системах фреймовых структур или продукционных правил, то нет необходимости в применении специального языка представления знаний, а достаточно использовать диалого-графические возможности языка AutoLlSP, включая в меню и запросы с использованием профессиональных терминов.

Структура системы автоматизированного моделирования композиции городской застройки "ОБРАЗЪ" опирается на укрупненную блок-схему процесса моделирования и экспертизы вновь возводимого объекта в условиях исторически сложившейся застройки, хотя и имеет некоторую специфику при построении иерархии задач.

Предложенное описание процесса композицношюго моделирования городской застройки осуществлено в виде системы автоматизированного проектирования (САПР) "ОБРАЗЪ" и реализовано в среде AutoCAD-12 для DOS.

Все интерактивные блоки и процедуры реализуются на встроенном в AutoCAD языке AutoLISP, а поисковые программы и вспомогательные модули - на языке С++.

С целью проверки работоспособности системы автоматизированного моделирования композиции городской застройки в условиях исторически сложившейся среды и соответствия результатов, полученных с применением предлагаемой методики, требованиям, предъявляемым к процессу композиционного моделирования, было проведено экспериментальное проектирование. Эксперимент проводился для двух типов жилых объектов различной типологии: дома-вставки в условиях центрального "ядра" исторического города и многосекционного жилого дома в периферийном районе. В результате применения разработанной САПР были предложены варианты планового и высотного решения объектов, а также проведена экспертиза предложенного проектного решения с получением справочно-рекомендательной документации. Экспериментальное проектирование показало работоспособность и эффективность разработанной методики САПР "ОБРАЗЪ".

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные в диссертационной работе исследования, а также результаты экспериментального проектирования позволили сделать ряд выводов.

1. Выполнен анализ основных закономерностей проектирования объектов в условиях исторически сложившегося города, позволивший сформулировать содержательную постановку задачи геометрического моделирования композиции городской застройки средствами построения "идеальной" поверхности, связанной с существующей застройкой исторически сложившегося города.

2. Разработана геометрическая модель решения задачи композиционного моделирования городской застройки, представленная следующим образом: при

соблюдении всех ограничений высогныс характеристики проектируемого объекта должны попадать в область, ограниченную поверхностью, опирающуюся на каркас существующей застройки и описываемую двумерным естественным кубическим сплайном; которая позволила решить задачи поиска высотного параметра проектируемого объекта и экспертизы предлагаемого высотою решения объекта.

3. На основе предложенного метода геометрического моделирования разработана система автоматизированного моделирования композиции городской застройки, включающая структуру информации для решения задачи; математическую модель и ¡шорт мы работы; расчешые и диалоговые графические программы для ПЭВМ. Информацией для решения задачи являются данные о рельефе территории, каркасе застройки, существующих доминирующих и рядовых акцентах,, а также композиционные требования к проектируемому зданию и его типологическая характеристика. Модель и алгоритм задачи представляют собой последовательность выполнения трех основных операций - анализ существующей застройки, поиск силуэтного решения, поиск планового решения.

Результирующая информация позволяет осуществить визуализацию принятого проектного решения в виде слайд-фильма, получить твердую копню результата на любой стадии моделирования и проследить весь ход решения задачи с помощью протокола, выводимого в виде справки.

4. Разработана графическая база данных позволяющая создавать, использовать и хранить в библиотеках иерархической структуры объемные типовые проектные блоки, существенно сокращая и облегчая процесс принятия решения.

5. Для реализации постановки задачи и алгоритма ее решения разработаны дналогово-графические модули, написанные на языке ЛиЮЬ^Р,

и расчетные модули, написанные на языке С++ для ПЭВМ IBM PC/AT, работающие под управлением собственного меню в среде AutoCAD-12 для DOS.

6. Разработанная методика геометрического моделирования композиции городской застройки и предложенное математическое обеспечение применены для решения задач композиционного моделирования городской застройки в условиях исторически сложившегося города.

7. Проведен морфологический анализ закономерностей формирования композиции существующих городов, позволивший сформулировать основные элементы составляющие вертикальную композицию города (природный ландшафт, система вертикальных акцентов, фоновая застройка), а также выявить установившиеся величины взаимосвязей между параметрами, зависящие от характера объекта (исторический, главная или второстепенная доминанта, рядовой) и условий зрительного восприятия (удаленность наблюдателя, угол зрения и пр.).

8. Проведен анализ существующих практических и теоретических подходов к моделированию застройки, позволивший разделить их на две большие группы: оперирующие в качестве объекта исследования планов города и работающие с объемными макетами комплекса зданий. Представители обоих подходов используют при проектировании многократные трансформации плоскостных изображений в трехмерные и обратно. Методики, использующие современные технические средства не решают полностью этих проблем.

Полный комплекс задач, связанных с научно обоснованным формированием, корректировкой или дополнением композиции городской застройки возможно решить на основе применения современных средств информационных технологий проектирования.

9. С целью выявления логического описания процесса проектирования, его критериев и ограничений проведен анализ существующих методов композиционного формирования городской застройки, позволивший построить функциональную модель, состоящую из четырех основных этапов: анализ существующей ситуации, поиск силуэтного решения объекта, поиск планового решения проектируемого объекта в контексте исторически сложившейся городской застройки.

10. На основании анализа условий, влияющих на определение местоположения и внешний вид проектируемого объекта, определены факторы (природно-климатические, градостроительные, противопожарные, санитарно-гигиенические и пр.), учет которых сказывается на архитектуре зданий, их пространственной и функциональной организации, выборе планировочных решений и других аспектах моделирования объемов и городской среды в целом.

Сформулированы конкретные рекомендации для учета этих факторов при проектировании объектов в условиях исторически сложившейся застройки.

11. Выявлена зависимость приемов композиционной организации объектов жилой функции от типологических признаков и пространственной организации окружающей застройки; планировочного типа жилого дома от этажности, коммуникаций и связи с уровнем земли; композиции объектов жилого назначения от размеров участка, планировочной структуры, этажности и конфигурации в плане, ориентации и климатического района строительства. Выявленные зависимости положены в основу структуры библиотеки типовых параметрических элементов жилой застройки.

12. С целью выявления актуальности проблемы и традиционных приемов организации композиции городской застройки проведен исторический ретроспективный анализ композиционных решений наиболее ценных в

историческом и образном плане городских образований, позволивший выявить исключительное значение для сохранения индивидуальной выразительности городской среды композиционной модели, которая выражается совокупностью высотных (силуэт и панорама) и плановых характеристик объектов, а также визуальными связями между ними.

13. Результаты проведенного экспериментального проектирования и внедрения САПР "ОБРАЗЪ" в учебный процесс и использование при реальной экспертизе объектов на градостроительном совете доказывают работоспособность разработанной системы и эффективность ее применения при различных входных данных и ограничениях.

Дальнейшая работа над совершенствованием процесса моделирования композиции городской застройки методами информационной технологии предполагает расширение и наполнение базы данных типовых проектных элементов, совершенствование и расширение справочно-консультативной части.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Мамчиц H.A., Иевлева О.Т. Предпроектный анализ для автоматизированного формирования силуэта городской застройки / Автоматизация архитектурно-строительного проектирования. - Ростов н/Д: Рост, государств, архит. ин-т. - 1994. - С.18-30.

2. Мамчиц H.A., Иевлева О.Т. Предпроектный анализ как стадия решения задачи формирования силуэта города с использованием ЭВМ / Тезисы докладов научно-практической конференции "Архитектура России: региональное своеобразие". - Ростов н/Д: Рост, государств, архит. инс-т. - 1994. - С.70-71.

3. Мамчиц H.A., Иевлева О.Т. Методологические основы информатизации процесса композиционного моделирования городской застройки / Сборник публикаций по МНТП "Архитеюура и строительство". - Томск, ТомГАС. - 1995. -С. 42-43.

4. Мамчиц H.A. О вопросах формирования критериев оценки построения вертикальной композиции города /, Тезисы докладов научно-технической конференции РАИ. - Ростов н/Д: Рост, госуд. архит. ин-т. - 1995. - С. 35-36.

5. Мамчиц H.A., Иевлева О.Т. Графическое моделирование композиции городской застройки / Тезисы докладов международной научно- практической конференции "ГРАФИКОН'96". - С.-Петербург: ГИПК. - 1996. - С. 42.

6. Мамчиц H.A. Постановка задачи моделирования композиции городской застройки / Тезисы докладов научно-технической конференции РАИ. - Ростов н/Д: Рост, госуд. арх. ин-т. - 1996. - С. 82-83.

7. Мамчиц H.A. Эскизное проектирование зданий в исторически сложившейся среде / Сборник статей к конференции "Опыт информатизации образования в высшей школе: состояние и перспективы". - Иваново: ИГАСА. -

1996,-С.211-214.

8. Мамчиц H.A. Автоматизированное моделирование композиции городской застройки в условиях исторически сложившегося города Международный сборник научных трудов. "Взаимовлияние культур Востока и Запада: развитие устойчивых поселений". - Иркутск: Госуд. тех. Университет. -

1997. - С. б6-69.

Подписано к печати 28.10.97г. Формат 64x80 1/16. Бумага писчая. П. л. 1,7. Усл. п л. 1,6. Уч. - изд. л. 1,4. Тираж 150 экз. Заказ 58

Редакционно-издательский отдел. Ростовского государственного архитектурного института, пр. Буденновск™,39 ООО «Святлена» г. Ростов - на - Дону, ул. Ленина, 92/1