Что вначале: чертежи или модели?

Эта статья — расширенный вариант статьи «Недоразумение с чертежами». Она создавалась в три этапа: перевод на английский, редактирование Ральфа Грабовски (публикация в upFront.eZine, Issue #1,118), обратный перевод на русский. Ни один из этапов не ограничился построчным переписыванием. В итоге статья стала более логичной и информативной.

Строительное проектирование — это планирование

Две ключевые проблемы проектирования — планирование и конструирование. Возможно, капитальное отличие строительства от машиностроения состоит в том, что в первом преобладают вопросы планирования («Что можно и нужно сделать»), а во втором — вопросы конструирования («Как сделать?»).

Есть простой способ определить место человека в проектировании. Попросите его расставить виртуальную мебель в комнате.

Если он рисует прямоугольники, обозначает их словами: «диван», «стол», «кресло» — перед вами строитель-планировщик.

Если он пытается строить «перспективу», рисует диванные подушки и подлокотники, — похоже, что он конструктор, которому лучше попробовать себя в машиностроении.

Рисунок конструктора

«Зачем модель, если уже есть чертежи?». Этот вопрос мне задают по поводу возможности автоматической генерации 3D моделей по чертежам.

Люди не представляют, как можно делать чертежи без предварительно созданной компьютерной модели. Вот, например, «авторитетное» мнение разработчиков одной из программ 3D моделирования.

«Модель является единственным источником информации для чертежей. Чертежи — не более чем вид модели».

А что говорят ГОСТы и учебники?

Читаем: проецирование, проекционные изображения, разрезы, сечения.

Смотрим рисунок.

Ортогональное параллельное проецирование

Читаем дальше. План этажа — это сечение мнимой горизонтальной плоскостью на уровне оконных проемов или 1/3 высоты этажа.

Казалось бы, полное подтверждение первичности модели. Однако первый же пример, взятый, очевидно, из реального проекта, ставит этот вывод под сомнение.

План производственного здания

На чертеже предельно условно изображены приямки, стены, колонны, напольные и подкрановые пути, мостовые краны и прочие объекты, расположенные на разных уровнях по всей высоте подкровельного пространства.

Как это можно назвать горизонтальным сечением?

Это именно план, схематичное изображение того, что НУЖНО сделать. Разрез, кстати, такой же план, только при другом направлении взгляда.

Параметрическое моделирование как лингвистическое описание

Синтез пространственного объекта по его проекциям (так называемая обратная задача начертательной геометрии) — это нерешенная техническая проблема. Тем не менее проектировщики и строители сотни лет синтезируют ментальные модели зданий и сооружений исключительно по чертежам. Строители затем превращают ментальные объекты в реальные. Как они это делают?

Построить модель по проекциям нельзя, а по условным изображениям с привязанными к ним параметрами — можно.

Если мы на чертеже нарисуем окружность (пусть не идеально ровную), добавим к ней размерную линию и напишем два слова, например: «Сфера d1800», то мы создадим параметрическое описание пространственного объекта «сфера».

Параметрическое описание целиком состоит из условных знаков, т.е. является лингвистическим описанием. Параметрическое моделирование суть лингвистическое моделирование.

Параметрическое описание, как правило, включает в себя следующие элементы:

• текстовое обозначение типа объекта (например, «Сфера»);
• условное графическое изображение объекта (например, окружность);
• текстовые обозначения параметров (например, «d1800»);
• условные вспомогательные изображения (например, размерные и выносные линии).

Обозначение типа объекта может явно не присутствовать. В таком случае, оно должно быть восстановлено на основании контекста. Заголовок чертежа, например «Схема расположения колонн», является важным элементом контекста.

Любое параметрическое описание предполагает существование связанной с ним «исполнительной процедуры»: математической формулы, компьютерной программы, алгоритма детализации в виде деталировочных чертежей.

С точки зрения программирования, параметрическое описание — это вызов функции с передачей ей параметров. Будучи исполненной, функция превратит условные изображения в ментальную или цифровую модель.

На основании сказанного можно сделать вывод, что основным методом анализа чертежей является восстановление для каждого элемента здания его параметрического описания. На чертежах одни и те же элементы здания, как правило, описываются в нескольких контекстах. Это значит, что отдельные фрагменты (параметры) полного параметрического описания присутствуют на разных видах, на разных чертежах, в разных комплектах чертежей. Цель анализа — собрать из отдельных фрагментов полное параметрическое описание объекта.

Попробуем в качестве примера восстановить параметрическое описание для колонн, расположенных по оси "А".

Источники извлечения параметров для колонн по оси "А"

Тип объектов — «колонна» — определяется из контекста. Сечение колонн — прямоугольник. Однако больше никакой информации к объектам не привязано.

Тогда применяем известное правило.

Если в группе одинаковых по виду и назначению объектов имеется только один объект с привязанными к нему параметрами, то все остальные объекты группы наследуют эти параметры.

Мы видим, что в группе крайних колонн по оси "А" колонна по оси "4" находится в зоне действия разреза "1-1", а колонна по оси "7" обозначена как выносной элемент под номером "4". По изображению на узле "4" определяем размеры сечения колонны и привязки сечения к координационным осям. По изображению на разрезе "1-1" определяем продольный профиль и высотные отметки низа и верха колонны.

Фрагменты параметрического описания колонны

Полученное параметрическое описание можно применить ко всем (кроме угловых) колоннам ряда "А".

Пошаговая детализация объектов

Выше мы определили упрощенную «архитектурную» колонну.

С помощью короткого параметрического описания невозможно полностью определить сложную конструкцию, такую, например, как реальная колонна. К тому же на ранних стадиях проектирования наши знания о проектируемых объектах весьма приблизительны и расплывчаты.

По мере развития проекта вслед за архитектурными чертежами появятся конструктивные чертежи, на которых колонны будут замаркированы. Появятся отдельные чертежи абстрактных колонн — представителей колонн данной марки. Структурные элементы этих колонн — опалубка, армирование, закладные изделия — в свою очередь будут детализированы.

Суть пошаговой детализации можно описать двумя предложениями:

• любая деталь проекта сама является проектом;
• любой проект сам является деталью проекта.

Другое название пошаговой детализации — иерархическая декомпозиция сверху вниз. Это метод структурного анализа, направленный на понимание системы прежде, чем приступить к ее воплощению. С этой точки зрения чертежи можно назвать алгоритмом понимания.

Знания и данные

Параметрические описания и связанные с ними исполнительные процедуры являются знаниями о том, что и как должно быть сделано.

В результате выполнения параметрического описания мы получаем 3D модель объекта, которая является базой данных объекта.

Рассмотрим это подробнее.

На рисунке ниже — фрагмент чертежа, поясняющий принцип армирования плиты перекрытия.

Чертеж армирования плиты как форма представления знаний

Получатель чертежа извлечет из него параметрическое описание, применит соответствующую исполнительную процедуру и в итоге получит ментальную модель армирования плиты. Если получатель — строитель, он превратит ментальную модель в реальное поле армирования.

Процесс создания модели в программе 3D моделирования принципиально ничем не отличается от традиционного черчения. Тем или иным способом будет определен контур армирования, заданы диаметр, класс стали, шаг и возможный перехлест арматурных стержней. Однако конечный результат будет другим.

Исполнительная процедура создаст компьютерную модель в виде набора арматурных стержней с привязанными к ним атрибутами. Модель будет сохранена.

На рисунке ниже представлен вид в плане компьютерной модели поля армирования.

Вид модели армирования плиты как форма представления данных

Ментальные модели строятся исключительно на основе визуального восприятия.

Сравним два верхних рисунка с этой точки зрения.

На чертеже мы видим абстрактный стержень с привязанной к нему информацией. Этот стержень определяет размеры, расположение и атрибуты всех стержней планируемого поля армирования. Мы не видим отдельных стержней, но очень хорошо видим идею армирования плиты.

Вид модели содержит множество стержней, к которым, как правило, вручную добавляются аннотации и размеры. Для габаритных плит с интенсивным армированием получается «грязное», плохо читаемое, безыдейное изображение. Такие изображения являются причиной построения неадекватных ментальных моделей и, как следствие, плохого понимания.

Сотрудничество изначально основано на понимании. Поневоле приходится делать то, что в технологии BIM называется «автоматическим» извлечением чертежей из модели.

Напрашивается сравнение. Мы по рецепту сварили борщ, выбросили рецепт, а затем, используя сложные алгоритмы, пытаемся извлечь из готового борща (из модели) рецепт его приготовления (чертежи).

Параметрический стиль создания чертежей

Параметрический стиль создания чертежей основан на предположении, что получатель чертежа обладает профессиональным набором алгоритмов анализа чертежа и построения на основе результатов анализа ментальной модели.

Практически это означает, что чертежи должны быть сделаны так, чтобы для каждого конструктивного элемента здания могло быть восстановлено его полное параметрическое описание. Ментальный объект моделируется путем вызова соответствующей исполнительной процедуры, связанной с параметрическим описанием.

Параметры определяют точность чертежа

Во многих случаях отступление от масштаба и точности изображения способствует (а неуклонное следование — препятствует) читаемости чертежа и легкости его корректировки.

Параметрический стиль лишает смысла скрупулезную точность графических изображений. Соответственно, нет смысла что-то измерять на чертеже (ГОСТ запрещает подобные измерения). Геометрическая точность параметрических чертежей — это точность размерных чисел (размерных параметров). В большинстве случаев корректировка ограничивается корректировкой параметров, не затрагивая изображений. Вместе с тем понятно, что грубое искажение пропорций изображаемых объектов затрудняет читаемость чертежей.

Как видим, параметрический стиль зеркально противоречит «автокадовскому» стилю черчения с его ассоциативными размерами. Автокадовский стиль основан на точности изображений и на корректировке изображений как основном методе корректировки чертежа.

Машинная интерпретация чертежей

Если профессиональные алгоритмы перенести в компьютер — получим возможность автоматического анализа чертежей и создания на основе результатов анализа компьютерных моделей.

Комплект чертежей можно рассматривать как программу, записанную на профессиональном языке — аналоге языка программирования высокого уровня.

Эта программа компилируется как единое целое; машинный интерпретатор чертежей, по сути, является компилятором. В результате компиляции создается текстовое (неграфическое) описание здания в стандартизированном формате, например в формате IFC. В конечном итоге создается компьютерная модель.

Напомню, что в основе программирования с помощью чертежей лежит метод пошаговой детализации объектов, так называемое проектирование «сверху вниз».

Чем моделирование на основе анализа чертежей отличается от традиционного способа создания моделей с помощью программ 3D моделирования?

Все они используют командный интерпретатор в качестве интерфейса ввода объектов. Сложные объекты создаются путем сборки из заранее подготовленных компонентов. Эта технология реализует принцип «снизу вверх»; она имитирует процесс строительства (синтеза) и не имеет ничего общего с планированием (анализом).

Понятно, что для многих «игра в кубики» более простое и увлекательное занятие, чем лингвистическое описание здания с помощью чертежей. К сожалению, кроме моделей в памяти компьютера нужны модели в головах. Комплект чертежей — это алгоритм понимания. Заменить чтение этого алгоритма чем-то другим, например блужданием по компьютерной модели, невозможно.

Критически важным является также то, что разграничение юридической ответственности в рамках алгоритма понимания не является проблемой.

Машинная интерпретация эскизов

Параметрический стиль черчения позволял инженерам тупым карандашом на разболтанном кульмане создавать абсолютно точные (не в «автокадовском» смысле) чертежи. Инструментальная независимость параметрического стиля создает принципиальную возможность интерпретации ручных эскизов и чертежей.

Ниже приведен пример такой интерпретации.

Стоит задача — превратить «ручную» линию (возможно, изображение балки) в точную двумерную модель.

Шаги интерпретация «ручной» линии

Шаг 1. Устранение разрыва.

Величина разрыва незначительна и численно не указана. Следовательно, разрыв является небрежностью рисования.

Шаг 2. Выпрямление линии.

Радиус изгиба и размер отклонения линии от прямой, проходящей через конечные точки линии, незначительны и численно не указаны. Следовательно, линия является отрезком прямой.

Шаг 3. Уточнение координат X конечных точек отрезка.

Горизонтальные отклонения конечных точек отрезка от координационной оси "А" и от выносной линии размера "6000" незначительны и численно не указаны.

Следовательно, отрезок начинается от оси "А" и заканчивается на расстоянии 6000 от этой оси.

Шаг 4. Уточнение координат Z конечных точек отрезка.

Вертикальные отклонения конечных точек отрезка от выносной линии высотной отметки "3.000" незначительны и численно не указаны. Угол наклона отрезка численно не указан. Следовательно, координаты Z конечных точек отрезка одинаковы и равны 3000. Мы полностью восстановили параметрическое описание объекта.

Стандарты на составление чертежей

Современное нормотворчество в области создания чертежей остановилось на попытке совместить наследие Гаспара Монжа с чертежной практикой 80-х. В восьмидесятые годы, на мой взгляд, строительное черчение в России достигло пика своего развития. Дальше — движение вниз, подмена чертежей 2D-моделями вследствие повсеместного «автокадовского» стиля черчения. Масштаб деградации виден при сравнении рисунков из ГОСТ 1980 и 2018 года.

Деградация чертежей (вверху — 1980 г., внизу — 2018 г.)

Грамматика чертежей

В связи с появлением программ 3D моделирования возникла дискуссия по поводу актуальности преподавания начертательной геометрии в технических вузах.

Кризис начертательной геометрии — следствие такого же недоразумения с чертежами, как и в инженерной практике.

Уже в 19 в. чертежи называли языком техники, а начертательную геометрию — грамматикой этого языка. Однако полного осознания того, что чертежи обладают всеми свойствами языка в его прямом, буквальном смысле, так и не произошло.

Соответственно, не были до конца продуманы последствия такого осознания. Например, если мы говорим о чертежах как о тексте, то непонятно, при чем здесь точные проекции.

Начертательная геометрия может и должна развиваться в направлении машинного анализа чертежей: от классической начертательной геометрии к параметрической (лингвистической) начертательной геометрии — разновидности аналитической геометрии.