Переход на трехмерную технологию проектирования станций Санкт-Петербургского метрополитена на основе вертикальных решений компании Autodesk

Предыстория

Работа началась в 2010 году с обучения нескольких специалистов отдела проектирования трасс института инструментам AutoCAD Civil 3D, обучения группы архитекторов архитектурно-строительного отдела AutoCAD Architecture, а также с построения с помощью этих систем автоматизированного проектирования трехмерной подземной трассы и наземного вестибюля станции метрополитена. Поставленная перед специалистами института и компании-исполнителя задача была выполнена — построена трехмерная модель трассы одного из участков Cанкт-Петербургского метрополитена, где пересекаются три ветки, и создана модель наземного вестибюля новой станции. Тем самым была проверена возможность проработки и развития дальнейших решений, а также правильность выбранной платформы для трехмерного проектирования.

В процессе выполнения работ была выявлена недостаточность функционала AutoCAD Civil 3D для проектирования трасс метрополитена и принято решение о доработке необходимых функций. С целью адаптации продукта для решения требуемых задач были разработаны специальные программы, а именно: программа разбивки пикетов на трассе с учетом специфических требований к трассе метрополитена, программы расчета геометрии специфических осей тоннелей в прямых и кривых участках трассы, программа для расчета положения наклонного хода станции глубокого заложения.

В результате работ AutoCAD Civil 3D и разработанных программ был получен пакет двумерных чертежей в традиционном виде и трехмерные полилинии осей путей по уровню головки рельса (УГР) с разбивкой пикетов, которые являются исходными данными для проектирования подземных станций.

Первый опыт построения трехмерных моделей оказался не слишком удачным. Стало очевидно, что необходимо не только обучение специалистов владению САПР 3D, но и разработка самой технологии трехмерного проектирования, учитывающей особенности объектов, практически не имеющих аналогов в массовом строительстве, особенности существующей структуры института и используемой на протяжении многих лет технологии проектирования.

Полученный опыт предопределил направление дальнейшей работы — трехмерное проектирование подземной станции в части строительных конструкций платформенного участка комплекса станционных сооружений, которое осуществлялось с помощью AutoCAD Architecture. Было принято решение создать рабочую группу, состоящую из специалистов консалтинговой компании «CSoft-Бюро ESG», имеющих опыт подобного рода работ [1, 2, 3], разработчиков отдела автоматизированного проектирования (ПАПР) и специалистов-проектировщиков института. Такая группа должна разработать и опробовать технологию трехмерного проектирования строительных конструкций. По рекомендации специалистов консалтинговой компании в результате оценки уровня владения основным инструментом AutoCAD специалистамипроектировщиками, вошедшими в рабочую группу, было проведено предварительное обучение этой САПР. По мнению специалистов консалтинговой компании, такая оценка должна быть обязательным этапом при внедрении 3D-технологии. После обучения AutoCAD приступили к обучению AutoCAD Architecture.

Технология разрабатывалась на примере одной из проектируемых станций Санкт-Петербургского метрополитена в течение 2011-2012 годов. Столь длинный период (он не завершен и по сей день) обусловлен как нетривиальностью задачи, так и большой занятостью проектировщиков текущей работой, которые производят разработку новых технологий «без отрыва от производства».

К настоящему времени специалистами института совместно с сотрудниками компании «CSoft-Бюро ESG» практически завершены работы по созданию технологии 3D-проектирования строительных конструкций объектов метрополитена, краткое описание которой приведено далее.

Подготовительные мероприятия и виды работ при создании 3D-модели

Практика показывает, что прежде чем приступить непосредственно к разработке 3D-модели в рамках определенного проекта, необходимо провести ряд подготовительных мероприятий и работ. В общем случае перечень следующий:

1. определить состав объекта проектирования — зданий, сооружений (наземных и подземных), систем, сетей проекта, по которым требуется создать 3D-модель;
2. определить состав проектных дисциплин для создания 3D-модели, исходя из общего перечня дисциплин проекта;
3. определить группу специалистов по трехмерному моделированию и специалистов по разработке двумерной документации, функциональные задачи каждого участника работ и уровни доступа к функционалу среды проектирования в организационной структуре проекта;
4. принять соглашение о степени детализации 3D-модели на различных этапах проектирования;
5. создать структурно-иерархическую модель объекта проектирования (далее — СИМ);
6. определить перечень выходных форм модели;
7. принять соглашение о способе кодировки объектов и документации проекта;
8. определить состав САПР (тем самым архитектуру среды проектирования), которые будут использованы в создании 3D-модели; оценить степень готовности САПР по наполнению библиотек и/или элементной базы данных;
9. настроить САПР, а именно:
   а) принять соглашение по настройке и использованию единой среды проектирования (интерфейса);
   б) создать недостающие элементы, добавить их в библиотеки и осуществить настройку среды проектирования под проект;
10. определить процедуру групповой работы над 3D-моделью в общем процессе проектирования;
11. создать 3D-модель.

Выходные формы пункта 6 — это различные формы представления одной и той же 3D-модели, которые определяются потребностями заказчика.

Начало работы

При реализации пилотного проекта по созданию технологии трехмерного проектирования объектов метрополитена (на примере подземной станции) были последовательно выполнены практически все эти пункты (за исключением пункта 8):

1. в качестве исходного объекта для проработки технологии был выбран сложный объект Санкт-Петербургского метрополитена — пересадочный узел, включающий три станции метро;
2. были выделены два проектных отдела и соответственно только две проектные дисциплины: отдел ПТЭ (прокладка трассы) и отдел ПК (подземные строительные конструкции как основная дисциплина) — так как на начальном этапе было решено ограничиться созданием 3D-модели несущих конструкций станционного узла (далее — Обделка);
3. была сформирована группа 3D, в которую вошли инженеры по строительным конструкциям (далее — конструкторы);
4. была определена степень детализации модели.

После определения среды проектирования требовалось оценить степень готовности САПР AutoCAD Architecture к работе. Экспресс-оценка показала, что готовность по наполнению библиотек и элементов БД практически близка к нулю и все библиотеки придется создавать в процессе работы. Обусловливалось это в первую очередь спецификой проектируемого объекта — подземных строительных конструкций.

Вертикальные решения компании Autodesk, Inc. предполагают дополнительную работу: прежде чем создавать библиотеки, необходимо подобрать инструмент САПР (интеллектуальный объект), который бы наиболее полно удовлетворял требованиям проектируемого объекта (например, единичной строительной конструкции и ее сборки). При выборе инструмента необходимо учитывать, что 3D-библиотеки должны содержать укрупненные элементы модели, и в то же время понимать, что они не будут покрывать нужды проектировщиков на 100% при создании рабочей чертежной документации. Поэтому, кроме библиотек трехмерных элементов, сразу приступили к созданию библиотек элементов 2D.

Реализация пунктов 5, 6, 7 и 9 потребовала дополнительных работ, а именно — проведения обследования в отделе ПК. По результатам обследования были подобраны возможные варианты инструментов САПР для последующего апробирования и применения. Результаты работ по выбору инструментов использовались не только для построения 3D-модели, но и для создания СИМ станций метрополитена. Был создан первичный классификатор объектов и элементов станций как часть СИМ, который лег в основу создания 3D-технологии моделирования объектов метрополитена методом нисходящего проектирования [4].

Принципы построения классификатора станций метрополитена

Первичные классификаторы необходимы для создания общей единообразной структуры библиотек САПР. Построение классификаторов позволяет описать все конструктивные компоненты станции и создать наиболее полный каталог элементов в САПР 3D. В дальнейшем с помощью этих элементов собирается 3D-модель. В последующем к элементам каталога может быть добавлена необходимая или недостающая атрибутивная информация.

Классификация осуществлялась по следующему обобщенному алгоритму: выбор станционного узла — определение типа станции — создание перечня укрупненных элементов для каждого типа станции — создание конструктивных комплектов для каждого укрупненного элемента — определение конструктивных компонентов для каждого комплекта и инструментов САПР для каждого компонента.

Полученный классификатор уточнялся и изменялся в процессе дальнейшей работы. Часть первичного классификатора станции типа «пилонная» легла в основу каталога библиотеки основных элементов конструкций в САПР AutoCAD Architecture. Поэтому оглавление верхнего уровня каталога библиотеки содержит как разделы в соответствии с классификатором, так и иные разделы, необходимые для обеспечения работ проектировщиков в режимах 2D и 3D. Ниже, на рис. 1. показаны примеры оглавления разделов библиотеки компонентов для AutoCAD Architecture:
а — оглавление разделов верхнего уровня;
б — оглавление раздела «Несущие конструкции пилонной станции 8500-9800-8500»;
в — оглавление раздела «Библиотека укрупненных компонентов»; г — оглавление раздела «Внутренние конструкции».

Рис.1

На рис. 2 приведены примеры некоторых элементов, вошедших в библиотеку конструкций подземной части метрополитена: а — Обделка бокового тоннеля с демонтированным участком (несущий элемент); б — то же, что а, но с показом контуров в цветовом решении; в — типовой сборный участок бокового тоннеля, состоящий из колец Обделки с демонтируемой частью (несущий элемент) и рамы ходка (формообразующий элемент); г — типовой сборный участок, состоящий из колец Обделки боковых и среднего тоннелей (несущие элементы), рамы и ходки (формообразующие и несущие элементы); д — пример кольца Обделки с присоединенным к нему набором характеристик; е — пример рамы ходка с присоединенным к нему набором характеристик:

Рис.2

Краткое описание процесса коллективной работы над 3D-моделью

Рис. 3. Блок-схема коллективного взаимодействия участников пилотного проекта при создании 3D-модели объектов метрополитена

Технические аспекты трехмерного проектирования станций метрополитена в среде AutoCAD Architecture

Рис. 4. Технические аспекты проектирования объектов метрополитена в AutoCAD Architecture

Далее создается 3D-модель компоновки габаритов станционного узла с помощью AutoCAD Architecture. При создании этой модели осуществляется размещение укрупненных конструкций станционного узла с использованием простых геометрических фигур и в соответствии с классификатором для станций данного типа, а 3D-файл пикетов, в свою очередь, используется как подложка. Таким образом, из 3D-модели компоновки габаритов «видны» как пикеты, так и полилинии, благодаря ссылкам на файлы, содержащие эти элементы. После этого из 3D-модели компоновки габаритов станционного узла получают 3D-файл осей станционного узла в реальных координатах, а из него — 3D-файл осей станционного узла в нулевых координатах, в которых за точку отсчета берется так называемая точка БВН (база высотная нижняя — самая нижняя точка заложения главной оси станции, расположенная в основании наклонного хода).

Затем из 3D-файла осей станционного узла в нулевых координатах получают 3D-файлы шаблонов отдельных участков в пользовательской системе координат (ПСК). Каждый 3D-файл шаблона участка ссылается на 3D-файл осей станционного узла в нулевых координатах справочно, то есть последний служит только для просмотра.

Используя 3D-файл соответствующего заданию шаблона, каждый исполнитель создает рабочий файл и приступает к разработке в привычном для него виде (план). При этом ПСК каждого создаваемого пользователем узла имеет направление оси X вдоль оси конструкции, а точка вставки узла в файле 3D-модели габаритов совпадает с координатой 0,0,0 AutoCAD в рабочем файле исполнителя. При моделировании объекты участка могут детализироваться до уровня компонентов частей участка (в соответствии с классификатором для станций данного типа и принятым соглашением о детализации 3D-модели). Каждая 3D-модель объектов участка ссылается на соответствующий 3D-файл шаблона. То есть при корректировке 3D-файла шаблона участка изменения мгновенно отображаются в 3D-модели объектов участка.

С целью выявления коллизий и (или) ошибок, а также проверки полученных проектных решений создается 3D-файл общеувязочной модели станционного узла. Данный файл содержит ссылки на все файлы 3D-моделей объектов участков, размещенных в их истинном положении, а также на 3D-файл осей станционного узла в реальных координатах (справочно).

После получения 3D-модели требуемой детализации и устранения всех ошибок и коллизий из 3D-модели формируется традиционная 2D-документация, соответствующая требованиям данного проекта и ГОСТ.

На рис. 5 приведен пример 3D-модели сборки переходного узла комплекса станционных сооружений с несколькими разрезами, полученной в процессе создания описанной технологии.

Рис. 5. Пример 3D-модели сборки переходного узла комплекса станционных сооружений с несколькими разрезами

Выводы

Изложенные в статье материалы позволяют охарактеризовать полученные результаты следующим образом:

• определен комплекс мероприятий и видов работ при подготовке к созданию 3D-модели;
• предложен принцип классификации строительных конструкций объектов метрополитена;
• разработан и апробирован процесс коллективной работы над 3D-моделью, максимально соответствующий традиционному порядку проектирования объектов метрополитена и обеспечивающий надежный контроль проектных работ и двойную линию проверки 3D-модели;
• разработаны и апробированы технические аспекты технологии трехмерного проектирования объектов метрополитена в AutoCAD Architecture.

Можно сделать вывод о том, что использование описанной выше технологии трехмерного проектирования объектов метрополитена обеспечивает предприятию следующие очевидные преимущества:

• повышение наглядности принимаемых решений, а следовательно, сокращение времени на их принятие за счет наличия 3D-модели в целом,
• уменьшение количества требуемых ресурсов, сокращение сроков проектирования и увеличение производительности проектных работ за счет использования наработанных библиотек,
• повышение квалификации проектировщика, уменьшение затрат на обучение и сокращение времени на подготовку новых специалистов по 3D-проектированию,
• обеспечение быстрого внесения изменений за счет использования единой 3D-модели (благодаря наличию соответствующих ссылок файлов друг на друга).

Список использованной литературы:

1. Чиковская И.Н. Электронный кульман или информационная модель здания // REM. 2008. № 2.
2. Галкина О.М., Рындин А.А., Рябенький Л.М., Тучков А.А., Фертман И.Б. Электронная информационная модель изделий судостроения на различных стадиях жизненного цикла // CADmaster. 2007. № 6 (37).
3. Воробьев А.М., Данилова Л.Г., Игнатов Б.А. и др. Сценарий и механизмы создания единого информационного пространства // REM.2010,№ 4.
4. Гаршин О., Москвиченко А. Преимущества нисходящего проектирования на примере использования Pro/ENGINEER WILDFIRE // САПР и графика. 2004. № 11.