Преодоление кризиса графических дисциплин

Истоки кризиса

О кризисе преподавания графических дисциплин говорят с 2005 года. В статьях [напр. 1; 2; 3] обсуждаются причины, следствия и пути преодоления негативных тенденций. Однако процесс маргинализации кафедр графики продолжается. Традиционно теоретической основой графических дисциплин считается начертательная геометрия. Ее практическое применение расходилось по двум направлениям. В рамках исследовательского направления с помощью операций над плоскими изображениями (проекциями) решались геометрически сложные пространственные задачи. В рамках коммуникативного направления проекции рассматривались как элементы языка, позволяющего создать общее согласованное представление о пространственной организации объектов.

В глубоком кризисе оба направления.

Кризис исследовательского направления стал следствием экспансии компьютерных техно-логий, обесценивших чертёжные методы решения геометрических задач. Вероятно, поделать тут ничего нельзя; надо просто уйти с этого поля, занятого математиками и программиста-ми.

Коммуникативная роль начертательной геометрии связана с использованием технических чертежей. Ниже перечислены основные требования к чертежам [см. напр. 4].

Чертёж должен быть:

• средством восприятия чужих и передачи другим своих собственных мыслей;
• наглядным, т. е. способным по изображению предметов на плоскости вызвать их пространственное представление;
• обратимым, т. е. таким, чтобы по нему можно было точно воспроизвести форму, размеры и положение предметов;
• осуществимым, т. е. обеспечивающим возможность изготовления по чертежам реальных объектов.

Теория утверждает, что поставленные задачи имеют универсальное решение в виде метода проецирования (метода точных проекций). Кризис коммуникативного направления заключается в том, что это утверждение расходится как с практикой, так и с нормами изготовления чертежей.

В сущности, есть только одно требование, без которого все остальные теряют смысл, — чертеж должен быть понимаемым. Проекционные чертежи не отвечают этому требованию. На чертежах, приведенных в ГОСТ 21.501 «Правила выполнения рабочей документации», все изображения либо явно не проекции, либо проекции, о которых нельзя определенно сказать: точные они или нет. В любом случае ГОСТ 2.307 «Нанесение размеров» запрещает измерения на чертежах. Запрет измерений и отказ от визуального сходства с реальными объектами говорят о том, что все изображения на строительных чертежах нужно рассматривать как условные обозначения, знаки некоторого технического языка.

Язык и все, что с ним связано, в первую очередь сотрудничество на основе знаний, — актуальная тема сегодня. Это как раз то, чем должны заниматься кафедры графики; то, что дает возможность выйти из тупика.

Язык чертежей

Рядовой чертеж (рис. 1), взятый из серии типовых конструкций, демонстрирует, к чему на сегодняшний день привела эволюция чертежей в строительстве.

Рис. 1. Задание на изготовление арматурных сеток

ГОСТ Р 21.1001 «Общие положения» определяет чертеж как документ, предназначенный для выполнения строительных и монтажных работ или изготовления конструкций, изделий, узлов. По существу, чертеж на рис. 1 является заданием на изготовление арматурных сеток.

Очевиден параметрический стиль оформления этого задания. Параметрическое задание включает в себя обобщенную (концептуальную) схему с привязанными к элементам схемы числовыми и символьными параметрами (см. рис. 2). Значения символьных параметров, как правило, задаются в табличной форме.

Рис. 2. Пиктограммы на чертеже
а) – концептуальная схема арматурных сеток; б) и в) – числовые, алфавитные и символьные параметры

То, что мы видим на рис. 2, обладает всеми признаками пиктографического текста [см. напр. 5].

Отличительный признак параметрически оформленного задания — плюрализм по отношению к геометрической точности. На чертеже на рис. 1 нет не то что точных проекций, но даже ни одной ровной линии. Судя по тому, что чертеж взят из типовой серии и, значит, использовался на тысячах объектов, его «неточность» никого не волновала. Вывод может быть только один: точность рисования никак не влияет на точность изготовления.

Параметрический подход является частным случаем концепт-ориентированного подхода к составлению строительных чертежей. Как правило, чертежи (элементы чертежей) в проектах представляют не конкретные объекты или проектные ситуации, а группы объединенных по какому-либо признаку объектов или ситуаций. Концепт-ориентированный подход кардинально чистит проекты от информационного шума, улучшая их восприятие.

На рис. 3а изображена схема армирования типового перекрытия многоэтажного монолитного здания. Внешними параметрами для этой схемы служат высотные отметки перекрытий. Схему 3а, в свою очередь, также можно очистить от шума. На рисунке 3б детализирована схема раскладки арматурных сеток на типовом участке размером 6000 на 3000 мм. Внешними параметрами для этой схемы являются координаты расположения типовых участков на перекрытии.

Рис. 3. Концептуальная схема армирования перекрытий
а) — исходный вариант; б) — вариант, очищенный от информационного шума

Понятно, что в рамках концепт-ориентированного подхода разговор о геометрической точности не имеет смысла. Чертёж должен быть семантически точен, т. е. должен содержать ровно столько текстовой, числовой и графической информации, сколько требует производственный процесс, реализующий то, что задано на чертеже.

Вся нормативно-справочная документация построена на основе концепт-ориентированного подхода; вследствие этого она органично вписывается в контекст чертежа. Например, на чертеже на рис. 1 все вопросы по соединениям арматурных стержней решаются ссылкой на нормативный документ, определяющий технологические требования к сварным соединениям.

С учётом сказанного, можно дать общее формальное определение чертежа.

Чертёж — концептуализированное, параметрически оформленное техническое задание, состоящее из фрагментов обычного и пиктографического текста.

Замечу, что все вышеприведенные чертежи без каких-либо изменений могут быть использованы в качестве заданий на изготовление цифровых моделей изделий и конструкций.

Подтверждение взгляда на чертёж как на текст

Проектную документацию принято делить на две части: графическую и текстовую. К первой относят чертежи, ко второй — текстовые документы. Однако чертежи сами состоят из графических и текстовых фрагментов. Если обнаружится, что между ними нет принципиальной разницы, что обе эти составляющие просто дополняют друг друга, то можно прийти к единым, однородным, текстовым по сути чертежам и, соответственно, к единой, однородной, текстовой по сути проектной документации.

Ниже перечислены свойства, подтверждающие сходство обычного (алфавитного) текста и графических изображений (пиктографического текста) на чертежах.

Дискретность (членимость)

В тексте всегда можно вычленить его составляющие: буквы, слова, предложения, абзацы, главы. Пиктограммы на чертеже обладают тем же свойством. В трудных случаях, когда пиктограммы примыкают друг к другу или пересекаются, есть графические приемы, позволяющие изобразить пиктограммы таким образом, чтобы их обособленность была очевидной.

Нечувствительность к точности изображения

Напечатанный или рукописный текст одинаково понимаемы. Аналогично пиктограммы (например схема арматурной сетки на рис. 1) не требуют тщательного выравнивания линий, соблюдения пропорций, углов наклона и т. п. При этом существует порог аккуратности и точности, за которым текст или пиктограммы становятся непонятными.

Различимость и конвенциональность взамен натуралистичности

Языковые знаки алфавитного текста (например, слова) имеют конвенциональные (договорные) связи с предметами, которые они замещают. То же самое относится к знакам пиктографического текста — пиктограммам. Визуальное сходство знаков с замещаемыми предметами не обязательно; обязательна лишь различимость знаков. Знаки, обозначающие разные предметы, должны зрительно отличаться друг от друга (см. например, пиктограммы арматурных сеток и проёмов на чертеже перекрытия на рис. 3).

Концептуальность

Ниже приведен пример текстового задания на чертеже.

«Перегородки армировать сетками С1 через 5 рядов кладки».

Концептуальными фрагментами в тексте являются языковые знаки: перегородки; армировать; сетки С1; ряды кладки. Короткой записи вполне достаточно для того, чтобы закрыть все вопросы по армированию перегородок многоэтажного здания. Понятно, что данный подход основан на предположении, что в голове человека хранятся знания, позволяющие на основе отдельных фрагментов восстановить полную картину. Например, квалификация каменщика должна обеспечивать наличие у него знаний о защитных слоях, перехлестах арматурных сеток и т. п.

Концептуализация графических изображений обсуждалась в предыдущем разделе на примере армирования перекрытий (см. рис. 3). На рис. 4 показан еще один вид концептуализации. Концептуальными фрагментами в данном случае являются элементы технологического оборудования, создающие нагрузку на перекрытия (обозначены темными тонами); и элементы, для пропуска которых в перекрытиях необходимо предусмотреть проемы (обозначены светлыми тонами). Все детали, не имеющие отношения к основной идее чертежа (чертеж является строительным заданием), удалены.

Рис. 4. Концептуализация графических изображений
а) – исходный вариант; б) – идеологизированный вариант

Иерархическое структурирование

Деление на разделы, главы, параграфы, предложения, слова — неотъемлемое свойство обычного текста, дающее возможность его понимания. Изображения (пиктографический текст) обладают тем же свойством. На рис. 5 представлены примеры структурирования пиктографического и традиционного текста.

Рис. 5. Структурирование пиктографического (а) и традиционного (б) текста

План типового этажа (рис. 5а) можно рассматривать как сложную пиктограмму, включающую в себя пиктограммы стен, помещений, оборудования и т. п. На плане выделены пиктограммы помещений угловой квартиры и помещений, лежащих на пути эвакуации из квартир. Текстовый фрагмент (рис. 5б) содержит требования к дверям на путях эвакуации. Для облегчения понимания текст иерархически структурирован по признакам «исполнения», «комплектации» и «запрета».

Контекстуальность

Обычный текст невозможно понять без учёта того, в каком контексте он «произносится». Чертежи в целом и графические изображения на чертежах обладают тем же свойством. Чертеж на рис. 1 понимаем в силу того, что он входит в состав раздела «Конструктивные решения», является ссылочным чертежом для схем армирования конструкций и содержит в основной надписи слово «Сетка».

Сходство по ряду признаков дает основания говорить о чертежах как о разновидности текста на естественном языке. Оба языка, язык чертежей и естественный язык, созданы для коммуникации, основанного на понимании. В связи с этим можно предположить, что именно общие свойства этих языков — концептуальность, иерархическая и контекстная зависимость и т. д. (см. выше) — являются ключевыми с точки зрения понимаемости любого текста на любом языке.

3D модели вместо чертежей?

На кафедрах графики преодоление кризиса часто связывают с переориентацией учебного процесса на преподавание современных методов компьютерного 3D моделирования [см. напр. 6]. Высказываются мнения о ненужности чертежей.

Не вызывает сомнений, что 3D моделирование успешно справляется с решением аналитических (прочностных, теплотехнических, геометрических и пр.) задач. Однако способность цифровых моделей «объяснять» самих себя далеко не очевидна. В языке моделей нет и не может быть абстрактных объектов, т. е. того, что нельзя увидеть и потрогать. Нет объектов «этаж», «перегородка», «расстояние»; есть только конкретные этажи, перегородки и расстояния. На рис. 6 показано, к чему приводит подход, основанный на необходимости копировать в модели каждый экземпляр объектов реального мира.

Рис. 6. Информационный шум в 3D модели

Менее радикальная точка зрения состоит в том, что чертежи нужны, но их автоматически можно получить из предварительно построенной 3D модели. Выше упоминалось, что самодостаточных чертежей (чертежей вне контекста) не существует. Из модели нужно извлечь генеральную концепцию объекта проектирования и последовательно детализировать ее, доведя до уровня проектной документации. Вряд ли сегодня можно серьезно говорить об этом.

В реальном проектировании 3D модели используются для получения недостающих знаний об объекте. Процесс добывания знаний состоит в следующем: на основе начальных параметров строится модель; производится испытание модели; полученные результаты (данные) анализируются, начальные параметры корректируются. Процесс повторяется, пока не будет достигнут приемлемый результат, фиксируемый в общедоступном для понимания виде, например в виде чертежей.

Реализуемость чертежей

Реализуемость чертежей полностью зависит от возможности связать чертежи с существующими технологиями: ментальными — для изготовления ментальных моделей; компьютерными — для изготовления цифровых моделей; производственными — для изготовления реальных объектов.

Если технология существует, достаточно нарисовать концептуальную схему, привязать к ней параметры и дать ссылку на технологию. Например, для типовой панели перекрытия (это сложная по форме, насыщенная арматурой конструкция) нужно на плане указать её габариты и привязку к разбивочным осям; на разрезе — высотную отметку; в спецификации — обозначение плиты и номер типовой серии.

Если для сложного задания специальной технологии не существует, применяется метод иерархической декомпозиции. Задание путём ссылки на детализирующие чертежи разбивается на более простые задачи. Процедура упрощения повторяется до тех пор, пока все задания на чертеже не получат технологической поддержки.

Если мы установили, что чертежи являются текстом на естественном языке, то процедура связывания текста с технологией изготовления как раз и есть то, что называется интерпретацией (пониманием) текста.

В случае человеческой интерпретации (человеческого понимания) мы имеем дело с переводом естественного языка на низкоуровневый (на уровне клеток человеческого мозга) язык. В результате получаем технологию (алгоритм) изготовления ментальных объектов. Эта технология при любом внешнем вызове, например появлении трещины в стене, позволяет построить ментальную модель, испытать ее и выдать заключение (например, «просто заделать раствором», или «заказать проект усиления фундаментов»).

Машинная интерпретация (машинное понимание, вычисление знаний) — это автоматический перевод естественного языка на низкоуровневый (исполняемый) машинный язык. На выходе получаем процедуру построения цифровой модели. В статье [7] приведен алгоритм машинного понимания на примере интерпретации чертежей.

Наконец, в случае использования программируемых производственных технологий, в результате машинного понимания чертежей получаем управляющую программу изготовления реальных объектов.

Преодоление кризиса — лингвистический поворот

Термин «лингвистический поворот» относится к истории философии и связан с переосмыслением (выдвижением на передний план) роли языка в решении философских проблем. Поворотной была мысль о том, что философия вносит вклад не в умножение знания, а в его понимание. Лингвистический поворот в отношении графических дисциплин заключается в переосмыслении роли языка в решении проблем строительного проектирования.

В основе проектирования лежат два процесса: первый — поиск, второй — распространение знаний. Невозможно сказать, что важнее: способность найти правильное техническое решение или способность объяснить свои намерения, донести свои знания до окружающих.

Единственным средством передачи знаний является язык. Лингвистический поворот означает смену парадигмы: от парадигмы «это всё о геометрии» к парадигме «это всё о языке». В сущности, речь идёт об отказе от языка проекций в пользу средств и методов естественного языка.

Кризис на кафедрах графики не означает кризиса реальных чертежей и реального проектирования. Чертежи, как и проекты в целом, всегда были лингвистическими моделями. Однако отставание теории от практики не безобидно. Например, представление о чертежах как о 2D моделях, лежащее в основе современных САПР, — анахронизм из времен Гаспара Монжа. К чему он приводит, можно увидеть, сравнив чертежи, взятые из ГОСТ 1980-го и 2018-го года (рис. 7).

Рис. 7. Деградация чертежей
а) – ручной чертеж; б) – чертеж, выполненный в программе 2D моделирования

Практические следствия лингвистического поворота

Техническую документацию в целом можно представить в виде многоуровневой пирамиды знаний. На верхнем уровне лежат федеральные законы и постановления правительства; ниже — отраслевые стандарты, нормы и правила; ещё ниже — типовые технические решения. Каждый нижележащий уровень является конкретизацией вышележащего. Рабочие проекты располагаются в основании пирамиды знаний и являются последней ступенью конкретизации перед осуществлением.

Лингвистический поворот отменяет выделение чертежей в особый вид технической документации. Все виды документов, начиная от правительственных постановлений и заканчивая деталировочными чертежами рабочих проектов, подпадают под одно общее определение — алфавитно-пиктографический текст на естественном языке.

В результате лингвистического поворота мы приходим к единой базе знаний, включающей нормативную, справочную, проектную, архивную и прочую документацию. Работа в этой базе предоставляет широкие возможности для исследований на наиболее востребованных в реальном проектировании направлениях. Ниже представлен перечень направлений.

Сотрудничество и его основы: знания, понимание и объяснение [8]; концептуализация, иерархическая декомпозиция, контекстная идентификация объектов; знаковые системы и роль языка; стандартизация языка; форматы хранения и распространения знаний [8].

Источники знаний: учебники, справочники, нормативные документы, типовые проекты, архивные документы.

Исследования в процессе проектирования с целью получения недостающих знаний: имитационное моделирование; результаты моделирования в виде данных; обработка данных и преобразование их в знания.

Алгоритмы составления и чтения чертежей: текстовая, естественно-языковая сущность чертежей; обычный и пиктографический текст на чертежах; параметризация; ментальные, компьютерные и производственные технологии реализации чертежей.

Машинная обработка знаний: машинопонимаемые документы; машинная обработка естественного языка, машинный перевод; поиск релевантных знаний; системы поддержки принятия решений; автоматическая проверка чертежей; машинная интерпретация чертежей.

Приведенный перечень может быть частью учебной дисциплины, рассматривающей общие вопросы технологии проектирования. Насколько я знаю, ее не преподают на строительных факультетах. У кафедр графики есть все основания для того, чтобы занять эту нишу.

Ссылки

1. Иванов Г.С. Предыстория и предпосылки трансформации начертательной геометрии в инженерную // Геометрия и графика. 2016. № 2.
2. Ротков С.И. и др. Проблема сокращения кафедр геометро-графической подготовки в университетах России // Омский научный вестник. 2023. № 4. С. 29-37.
3. Рукавишников В.А. Кризис графической подготовки – начало четвертой научно-технической революции // Инновационные технологии в инженерной графике: проблемы и перспективы : сборник трудов Международной научно-практической конференции. Брест – Новосибирск. 2024.
4. Четверухин Н.Ф. и др. Начертательная геометрия. М., Высшая школа, 1963.
5. Павленко Н.А. Краткий очерк истории письма. М., Высшая школа, 1965.
6. Хейфец А.Л. О реорганизации курса начертательной геометрии на основе 3D компьютерного геометрического моделирования. Вестник ЮУрГУ, № 14, 2012.
7. Ямпольский А.А. Когнитивные проблемы освоения графических дисциплин при подготовке инженеров // Онтология проектирования. 2024. Т.14, №3(53). С.335-343.
8. Ямпольский А.А. 19.02.2024 г. Цифровизация или цифровое болото.

Дополнительная литература

Хобсон и др. Обработка естественного языка в действии. СПб.: Питер, 2020.

Ямпольский А.А. Аксиомы проектирования. 8.06.2022 г.

Ямпольский А.А. Что вначале: чертежи или модели? 7.02.2022 г.

© 2025, А.А. Ямпольский