Система автоматизированного проектирования цементного завода с помощью 3D моделирования, этапы его выполнения. Традиционные и современные методы трехмерного моделирования, критерии их выбора. Классификация и алгоритмы проектирования в каждом из видов 3D.
При низкой оригинальности работы "Внедрение на промышленном предприятии компьютерной технологии 3D", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Готовые 3D модели могут быть изменены в любое время в процессе проектирования или изменения, переделки и т.д., при минимальных затратах по сравнению с перепроектированием или изменением готовой модели. На сегодняшний день все большее развитие получает 3D моделирование. Если раньше данная технология использовалась по большей части лишь для того, чтобы создавать демо-3D модели, то сейчас такие модели используют в качестве наглядного примера-образца при создании конечного изделия. Это открывает замечательные перспективы и делает 3D моделирование востребованным направлением деятельности человека. Такие модели нужны в первую очередь для презентаций: при участии в тендере на проектирование ее представляет Проектировщик, при рассмотрении кредита в банке представляет Заказчик, нужна она и при освещении проекта в СМИ.Классифицировано современное 3D моделирование по наличию истории построения объекта (параметрическое, непараметрическое, комбинированное) и по элементам построения модели (каркасное, полигональное, поверхностное, твердотельное, конечно-элементное, генеративное). Генеративный и интерактивный методы моделирования имеют меньше этапов, сроки моделирования и позволяют моделировать максимально сложные формы объекта в отличие от традиционного и инверсионного методов. Разработаны рекомендации: рекомендуется использовать традиционный и инверсионный методы моделирования: 1 - каркасное моделирование; 2 - основы поверхностного и твердотельного моделирования; 3 - конечно-элементное моделирование; 4 - синтез методов моделирования. Два современных метода поможет применить актуальные тенденции в теории моделирования, а также позволит применять данные методы для изучения разновариантных задач, когда требуется вынесение каких-либо параметров для последующего изменения исходных данных. Традиционный и инверсионный методы проявляются в форме моделировании где, появляется пространственное трехмерное мышление для принятий решений.
Введение
21 век, век информационных технологий. Ранее мы все проекты в основном выполняли в двумерных пространствах, а сейчас требуется 3-мерное, да еще с показом видеороликов в 3- формате. Это также требует от создателей программных продуктов новых прикладных программ, которые могли бы работать на стационарных компьютерах, планшетах и смартфонах и.т.
В данной работе мы не проводим анализа существующих программ. Но, хотели отметить есть простые программки, которые работают на всех платформах и операционных систем. Как из наиболее профессиональных программ мы можем отметить только программы фирмы AUTOCAD, Arc Cad с возможностью использования 2ПСК и перехода на 3ПСК (программная система координат).
3D моделирование является важным шагом и необходимым условием в современном мире для отображения конструкторских или дизайнерских идей. Оно получило широкое распространение в различных сферах деятельности: в архитектуре - создание зданий и сооружений, а также ландшафтов различной степени сложности, что делает трехмерное моделирование неотъемлемой частью производственного процесса; в промышленности - создание объектов, например деталей машин и механизмов. Изготовление трехмерных моделей необходимо для проработки сложных узлов конструкции и проверки взаимного расположения.
Готовые 3D модели могут быть изменены в любое время в процессе проектирования или изменения, переделки и т.д., при минимальных затратах по сравнению с перепроектированием или изменением готовой модели.
1. Практическое использование компьютерного 3D моделирования
На сегодняшний день все большее развитие получает 3D моделирование. Если раньше данная технология использовалась по большей части лишь для того, чтобы создавать демо -3D модели, то сейчас такие модели используют в качестве наглядного примера-образца при создании конечного изделия. Это открывает замечательные перспективы и делает 3D моделирование востребованным направлением деятельности человека. Рассмотрим, как на практике можно применить созданные компьютерными программами объемные трехмерные модели.
В работе мы использовали данные статьи Ившин К.С., Башарова А.Ф. «Принципы современного трехмерного моделирования в промышленном дизайне» [15].
Например, проектирование товаров. Для наглядности и увеличения сбыта продукции предприятия стала пользоваться спросом 3D, этой продукции необходимо придать своеобразный, фирменный внешний вид и при этом важно сохранить все эксплуатационные свойства изделия. 3D моделирование в этом деле незаменима. При помощи программных средств (ПС) и вычислительной техники (ВТ) дизайнер может воплотить в наглядное, объемное изображение любую свою фантазию. Затем созданная модель тщательно изучается и осматривается заказчикам. Если будут замечания, то вводятся свои коррективы. Таким образом, промышленный дизайн делает идею материальной, а продукцию предприятия конкурентоспособной на рынке товаров.
Еще одной распространенной сферой применения 3D моделирования является сеть Интернет. Если вы решили открыть свой Интернет магазин, то товары в нем станут лучше продаваться лишь в том случае, если вы сможете показать их в выгодном свете. В этом отношении лучшей демонстрацией может стать объемная модель товара, которую пользователь сможет рассмотреть со всех сторон, что поможет ему принять решение о покупке представленной вещи.
2. 3D моделирование в проекте промышленного предприятия
В последние годы все чаще можно услышать о необходимости 3D моделирования. Если в машиностроении, дизайне и архитектуре можно видеть достаточное количество примеров "мейд ин раша", то вот в промышленном проектировании очень сложно найти достойные работы.
Пример трехмерное проектирование цементного завода. Когда на стройке и монтаже встречаются железобетон, металлоконструкции, оборудование и инженерные системы становится, очевидно, что многих ошибок, накладок и переделок можно было бы избежать, если бы при проектировании учли всю будущую “картину” в комплексе. Хотя бывалый проектировщик или строитель скажет, что классическая схема проектирования и так подразумевает сопоставление различных стадий и разделов проекта в процессе разработки.
Система автоматизированного проектирования выглядит следующим образом: Технологи, исходя, из потребностей заказчика определяет переделы будущего производства, представляют технологическую схему, просчитывает материальные затраты, балансы и прочее, выбирает подходящее оборудование, режимы работы. Далее на основании своих исследований технологи выдает задание инженеру-конструктору изобразить все это при помощи компьютерного черчения, т.е. связать все единицы оборудование в единую систему чертеж-модель. На этом этапе рождается предварительная компоновка оборудования и вид требуемого для этого земельного участка, помещения, планировка объектов на объекте и т.д. Конструктор оформляет свое задание с учетом всех норм экологии, безопасности, рациональности планировки и обслуживания, и передает его архитекторам-проектировщикам, рис. 1 и 2. Они при помощи прикладных программ выполняют трехмерную модель объекта с использованием перемещения и разных ракурсов наблюдения, подсветки и т.д.
Рис. 1. Цех по изготовлению цемента (бункера в 3D)
Рис. 2. 3D схема технологии производства на цементном заводе
Архитектор рисует здание уже по своим архитектурным нормам. Оно уже может значительно поменяться, как и его расположение на плане. При всем главенстве технологии технологу-конструктору приходится идти навстречу и корректировать свои решения в соответствии с новой архитектурой.
После этого в процесс включаются конструктор-железобетонщик, конструктор-металлист, далее электрик, водянщик, газовик, вентиляционщик, автоматчик, эколог, пожарник (рис.3).
Теперь представим, что каждый из проектировщиков, выполняя свой раздел, преследует свои задачи и идет к их выполнению по пути наименьшего сопротивления, т.е. его решения зачастую могут конфликтовать с решениями смежных разделов. Каждый специалист вносит свою лепту в пространственную компоновку помещения и/или оборудования. Несложно понять, что количество нестыковок может быть велико.
Рис. 3. 3D модель здания цеха-завода
Чтобы избежать подобного при классической схеме, заводится журнал передачи заданий между специалистами, главный инженер проекта следит за тем, чтобы все чертежи согласовывались между собой. Тут основная в опытности специалистов и вероятность человеческой ошибки, которая бывает очень часто. Ведь сложить в голове в единую картину двухмерные чертежи архитектуры, оборудования и инженерии не так просто.
Вот и получается, что все эти 2D чертежи складываются в трехмерную картину уже в натуре, на стройке и монтаже, где оказывается, что на месте стены должен стоять фильтр, сквозь метровую толщу бетона нужно было предусмотреть трубу или металлическая балка почему-то преграждает ход передвижного механизма.
А ведь если бы все специалисты сложили свои чертежи воедино, то, покрутив общую картинку на мониторе, можно было бы избежать многодневных и порой многомиллионных убытков в период строительства. Но это эмоции, теперь попробуем немного разобраться, хоть и по-дилетантски, но все же.
Заказчик, обращаясь к проектировщику, очень часто в последнее время обуславливает необходимость создания 3D модели будущего проекта, хотя сам для себя не всегда понимая, что же вкладывает в это понятие.
Разные 3D модели проектов могут нести разную смысловую нагрузку, могут быть выполнены различными путями и различными инструментами.
Все начинается и зачастую заканчивается красивой презентационной моделью, которая в целом похожа на желаемый результат. Такие модели нужны в первую очередь для презентаций: при участии в тендере на проектирование ее представляет Проектировщик, при рассмотрении кредита в банке представляет Заказчик, нужна она и при освещении проекта в СМИ.
Такую модель-картинку при большом желании можно получить в обычных CAD - программах с функциями выдавливания (также отметим, есть отечественная программа Компас (АСКОН, С-Петербург), она очень удобна). Однако модель нормального проекта получится весьма тяжелой, да и красоты в ней будет немного. Подобная модель обычно рисуется один раз и, когда возникнет необходимость выполнить модель другого завода, все рисуется заново. И так несколько раз.
Но ведь 3D модель нашего цементного завода можно выполнить более детально и с большей привязкой к действительности. При этом модель будет не просто картинкой, которую можно покрутить, а станет финалом работы всех проектных подразделений. И в зависимости от вложенного функционала трехмерная модель может служить рабочим инструментом или готовым пространством для последующих проектных работ. Для того, чтобы выполнить приближенную к реальности 3D модель завода, уже потребуется использовать более продвинутые 3D-программы, рис. 4.
Рис. 4. Изображение здание в плане, 3D-модель.
В частности для трехмерного проектирования цементного завода в современной российской действительности придется пробовать поднимать 2D чертежи западных поставщиков.
И вроде бы все замечательно, в продвинутой САПР присутствует уже удобный инструментарий, всякие программные фишки, облегчающие работу, но нарисовав один объект, понимаешь, что было бы неплохо иметь стандартную библиотеку оборудования, т.к. каждый раз прорисовывать вентилятор или фильтр не очень благодарное занятие. Казалось бы такие библиотеки в том или ином виде воплощены в разных САПР, но вот незадача: оборудование цементного завода не то чтобы совсем необычное, но среди популярных в других отраслях железяк его найти не удастся скорее всего. Немного отвлекусь, чтобы отметить всеобщий акцент разработчиков на трубах, каких-то стандартных инженерных линиях, магистралях и подобном. Это программы умеют делать быстро, качественно и хорошо, но нам навряд ли поможет, в виду не первой роли трубопроводов на цементном заводе, особенно по сухому способу.
Для автоматизации работы по проектированию необходимо создавать свою личную библиотеку типовых элементов. Но как бы ни были похожи заводы один на другой, аналогичное оборудование хоть немного, но часто различается. Поэтому встает вопрос: как бы так обрисовать типовую модель, чтобы потом меняя какие-то базовые параметры (самое простое-линейные размеры), подгонять имеющуюся модель к требуемым характеристикам. На этом этапе в наш лексикон входит понятие параметризация т.е. программа, которая поддерживает библиотеки типовых элементов, да еще и позволяет прописывать параметрические зависимости для элементов, вероятно будет очень неплоха для нужд проектировщика цементного или другого завода стройматериалов.
Но мало сделать библиотеку 3D элементов с параметрическими зависимостями, необходимо уметь сделать сборку, и чтобы программа тоже не зачахла при склеивании отдельных элементов в цех, отдельных цехов в технологическую линию- завод. Достигается это специальным инструментарием, присутствующим в программных пакетах некоторых разработчиков. Такой инструмент-программа позволяет собрать все цеха на отрисованных реалистичной или похожей поверхности- объемном генплане, при необходимости облегчая исходные модели, для обеспечения высокой работоспособности общей сборки.
И так получается реалистичная трехмерная модель предприятия.
Что же она нам дает? В первую очередь - это поиск коллизий. То есть то, о чем я и говорил в самом начале. Если объекты прорисованы с внутренними элементами и наружными габаритами в соответствии с реальными размерами, то становится все как на ладони: мешающиеся балки, лишние колонны, пересечения оборудования и строительных конструкций.
Причем поиск коллизий можно провести как просто покрутив картинки, так и с помощью виртуального человечка походить, на самолетике облететь, а в совсем продвинутых версиях можно еще и задавать минимально допустимые расстояния между пространственными элементами, чтобы они автоматически двигались относительно друг друга.
Это уже рабочая 3d модель завода, при разработке которой на начальных этапах тратится с первого взгляда больше усилий, однако это может окупаться в дальнейшем (рис.5.)
Рис. 5. Наглядное изображение на поверхности 3d модель завода
Вершина проектирования - это комплексная работа всех отделов в едином пространстве 3D проектирования.
Разные 3D программы устроены по разному, по разному алгоритму строится 3D модель, так же и система совместной работы представлена по разному у разработчиков. У кого-то более продуманная, у кого-то попроще. Но в идеале получается так: технолог строит модель, она сохраняется на сервере. Архитектор видит построение в режиме реального времени и может вносить свои корректировки прямо в этой модели. Хорошо связанные алгоритмы могут трансформировать итоговую модель и при корректировках в отдельных 2D видах, так и в самой модели.
Все коммуникации между отделами уже происходят в режиме реального времени в едином пространстве. Уже не нужны журналы учета выдачи заданий, лишние обходы ГИПА по отделам. В этой системе все прозрачно, все централизованно, содержится вся история ревизий.
Несомненным плюсом работы в таком пространстве будет являться и то, что если все элементы и их взаимосвязи отстроены параметрически, то система может обеспечивать автоматическое изменение уже начерченных элементов, например, при перемещении стены архитектором, проложенный технологом газоход изменит свою трассу в соответствии с новой компоновкой.
Время работ по проектированию сокращается в разы при условии, что все участники процесса уже имеют достаточную квалификацию. Кроме этого опять же в зависимости от продвинутости программы присутствует возможность собрать все отдельные объекты на одном генплане. В продвинутых вариантах существует отдельные инструменты для облегчения файла и более удобного просмотра. Создание площадки завода (рельефа земли, с учетом инженерной геологии, геодезии и современной картографии, ГИС-проектов) может производиться также по-разному. В одном случае просто делаются плоскости или выдавливания, но это не технологично. В другом случае может присутствовать инструмент для 3D визуализации 2D генплана. Делается это обведением тополиний и последующей их обработкой. Так же есть вариант совмещения с программой, в которой работает генпланист, где он рассчитывает объемы земляных масс, чертит математическую визуальную модель поверхности (есть ГИС-приложения, которые стыкуются с CAD - программами).
Имея итоговую 3D модель, конструктор каждого отдела выбирает необходимые слои, указывает необходимые разрезы, виды, форматы листов и др., и распечатывает готовый комплект чертежей.
3. Классификация
По классифицикации трехмерное моделирование определяется по наличию истории алгоритма построения объекта и по элементам самого построения модели. Известно, на данное время [15], по классификации четыре метода 3D моделирования в промышленном дизайне: традиционный, инверсионный, генеративный, интерактивный. Есть классификация и дифференциация полисоставных поверхностей по визуальному качеству, и которому выявлено три класса поверхностей «А», «В» и «С».
3D моделирование в современном дизайн-проектировании является основным средством реализация художественного замысла формы объекта, от эскизов художественного образа до инженерных чертежей. В настоящее время 3D моделирование классифицируется по наличию алгоритма или истории построения 3 D объекта (табл. 1) и по элементам построения: каркасное, полигональное, поверхностное, твердотельное, конечно-элементное, генеративное (табл. 2) [1-4]. Каждый из методов 3D моделирования нашел использование в процессе дизайн-проектирования промышленных изделий.
Таблица 1.
Методы 3D моделирования по алгоритму наличия истории построения объекта [15]
Методы моделирования Описание Примеры
Параметрическое 3D по набору заданных варьируемых параметров операций CATIA
Непараметрическое 3D 3D без сохранения параметров построения (истории построения) Rhinoceros
Комбинированное Историю построения в любой момент можно удалить/отключить Alias Studio Tools, Rhinoceros Grasshopper
Таблица 2.
Методы 3D моделирования по элементам построения [15]
№ Методы моделирования Элементы построения Программы Модель
6. Генеративное компоненты, связи между компонентами Rhino Grasshopper Генеративная
Дизайн это обновления и оно существует постоянно. Особенно в потребности в обновления форм, в переосмыслении и взаимодействия, организации объектов и пространства [15]. Современная система дизайн 3D проектирование ориентирована на снижение сроков моделирования будущего изделия. Эти задачи позволяет решить внедрение междисциплинарных, например, в строительстве от рытья котлована до отделки, методов трехмерного моделирования с учетом новейших технологий производства, в процесс проектирования.
В основу и цель изучения является разработка методов 3D, выявление междисциплинарных связей в изучении современных [15] методов моделирования для решения задач устойчивого дизайна и поиска новых решений форм объектов, исследование новых методов моделирования. Внедрение методов в процесс проектирования позволит приобретать знания о 3D не как об отдельной дисциплине, а как о целостном процессе: от создания эскизов до прототипов и производства. Методы выстроены по нарастанию сложности, позволяя последовательно овладевать компетенциями теории и практики современного 3D моделирования.
С появлением 3D сканеров, 3D принтеров реализация методов стала возможной не только в дорогостоящих дизайн-студиях, но и простым инженерам в любых условиях (дома, в университете, в офисе и пр.).
Освоение и понимание разработанных ниже методов 3D трехмерного моделирования позволяет грамотно выбирать рациональный [15] способ моделирования в конкретной проектной ситуации, искать новые способы воплощения идей, развивать новое мышление и инновационный подход к моделированию как средству проектирования.
В практике дизайн - проектирования методы 3D моделирования используются в синтезе, формируя определенный метод для создания формы объекта. В результате анализа применения методов моделирования сформулированы и разработаны четыре метода моделирования: традиционный, инверсионный, генеративный, интерактивный.
Традиционный метод 3D включает 4 этапа (рис. 6): творческое (Sketch modeling), или полигональное, моделирование (Polygonal and mesh modeling) ---> поверхностное моделирование класса «A»/«B»/«C» (Surface modeling) ---> твердотельное моделирование (Solid modeling) ---> прототипирование (Prototyping).
Рис. 6. Пример алгоритма
Знание данного метода позволит с использованием, например программы ARCHICAD для дизайнеров реализовывать концепции на компьютере в трехмерном пространстве, изучать систему формообразование и просто выводить объект на установки быстрого прототипа. Этот самый распространенный способ позволяет нам в короткие сроки создавать разнообразные формы моделей по чертежам, и рукотворным эскизам. Все это используется, например, для моделирования арт-проектов и проектирования автомобилей, концепций и итоговых форм промышленных изделий с простой, средней и повышенной сложности геометрией формы.
Этап творческого 3D моделирования (полигонального или рукотворного) подразумевает создание графической двухмерной информации об объекте (рукотворные наброски, чертежи, сечения или эскизы) либо трехмерной (эскизная электронная полигональная модель). Графическая информация служит основой для последующего поверхностного моделирования. Качественная поверхностная модель служит основой для последующей проработки модели твердотельной модели. Твердотельное моделирование происходит на основе получившейся поверхностной модели: создается толщина материала, добавляются конструктивные и технологические элементы. Для расчета в CAM- и CAE-системах можно использовать и твердотельную, и поверхностную модель, в зависимости от вида расчета и требований для конкретного программного обеспечения. Полученную твердотельную модель можно отправлять в печать и изготовление, например, на 3D принтере и пр. В противоположной последовательности, но схожие по типу ступени лежат в основе инверсионного метода 3D моделирования.
Требования к поверхностному моделированию постоянно возрастают одновременно с удешевлением технологий быстрого прототипов, использованием системного дизайна (где одна из моделей одновременно идет на создание рекламы, выставки, на производство), продажей продукции через интернет (где выставляются еще не выпущенные объекты, а фотореалистичные 3D-модели-банеры). В процессе дизайн-проектирования необходимо стремиться к снижению срока проектирования, количества материальных ресурсов (математический компьютерный анализ на прочность, аэродинамику и др. с использованием прикладных расчетных программ), это влечет за собой снижение стоимости конечного макета и изделия. Данные задачи в настоящее время решаются с помощью высококачественных поверхностных моделей.
Класс «А» наиболее востребован в процессе 3D моделирования объектов дизайна. Они применяются при сквозном дизайн-проектировании: в создании модели и изготовлении ее методами быстрого прототипирования; в создании высокореалистичной визуализации, видеоролика и презентации; в нюансной проработке деталей и последующей визуализации. Особое место занимает дизайн квартир, транспортных и других средств, например кузов автомобиля непременно создается с помощью поверхностей класса «А», для достижения высокого качества бликов и светотени. В настоящее время отсутствуют сформулированные требования и научное обоснование 3D моделирования поверхностей класса «А» (поверхностей разного качества).
В ходе изучения единого термина поверхности класса «А» выявлено не было, также как и критериев оценки, методов построения поверхностей, разделение на какие-либо классы. На рисунке 7 представлен анализ и дифференциация полисоставных поверхностей по визуальному качеству и выявлено три класса поверхностей «А», «В» и «С». трехмерный моделирование алгоритм автоматизированный
Рис. 7. Примеры классов полисоставных поверхностей
Эти все классы характеризуются в основном количественными показателями: наличием или отсутствием определенных типов кривых, сопряжений (рисунок 8): G0 (ребро), G1 (разные округления, зависимость по углам, по первой производной), G2 (сглаживание, зависимость по кривизне, по второй производной), цельностью поверхности (отсутствие непреднамеренных разрывов) и качественным показателем: материалом - глянцевый/матовый.
Рис. 8. Применения кривых Безье для отображений сопряжения поверхностей на основе данных кривых
Класс «А» - это полисоставная поверхность, созданная с использованием непрерывностей высокого порядка G2, G3 в местах плавного перехода и G0 для моделирования ребер. При визуализации обладает неразличимыми стыками и плавными цельными бликами по всей своей поверхности (рис. 6, 7). Применяется для моделирования объектов с глянцевыми методовыми поверхностями, объектов со сложной оболочковой формы, для изделий премиум сегмента.
Класс «B» - это полисоставная поверхность, созданная с использованием непрерывностей не выше G1 (G1, G0) для всей модели. При визуализации обладает неразличимыми стыками, но приобретает некоторое искажение бликов (рис. 6). Применяется в производстве промышленных изделий с матовыми, полуматовыми поверхностями любого типа: пылесосы, фены, мобильные телефоны и т.д.
Класс «С» (использование непрерывности во всей модели не выше по G0). При визуализации обладает незначительно различимыми стыками и ломаными бликами. Используется в самых малозначимых местах модели и практически всегда при проектировании разных деталей, таких как двигатель, коробка передач и т.д. Основное использование в моделировании деталей, где дизайн не имеет большого значения. Используется также в связке с классами «B» и «А» для создания характерной, агрессивной формы объекта. Использование исключительно поверхности класса «С» приводит к техническому моделированию.
В сложной глянцевой методовой поверхности, например, кузова легкового автомобиля, встречаются все Методы непрерывности G0, G1, G2, использование каждого из них зависит от поставленных задач перед дизайнером и того, как будет разбита сложная поверхность на простые. Задача дизайнера при моделировании сложной поверхности в классе «А» - дробить модель на простые поверхности и добиваться визуального эффекта цельной оболочки, т.е. когда блик переходит от одной части полисоставной поверхности до другой гладко, изменяя свое направление и характер в соответствии с художественной задачей, а не с проблемами моделирования.
Целесообразными объектами моделирования поверхностей класса «А» являются объекты с методовыми плоскостями с закрытой оболочковой объемно-пространственной структурой и сложной вогнуто-выпуклой формой. Например, кузов легкового автомобиля, самолета, корпус сложного по форме изделия (прибор, шлем, и др.), некоторые предметы культурно-бытового назначения, где требуется нюансная проработка формы изделия и высококачественные поверхности (товары сегмента «премиум»). В других случаях моделирование поверхностей класса «А» будет экономически нецелесообразно в связи с затратой большого количества времени.
Основные критерии выбора традиционного метода моделирования это оболочковая структура формы, не фрактальная, не требует изменений во времени и пространстве где исходными данными для моделирования являются скетчи и чертежи.
Обоснование выбора по классу «А»: по техзаданию (ТЗ) стоит нюансная проработка формы объекта, так как криволинейные элементы, стыки и фаски являются в этом объекте носителями смысловой и художественной нагрузки, а также по ТЗ требуется фотореалистичная визуализация для последующей демонстрации объекта в конкурсе. Выделив два требования к модели, можно сделать вывод о целесообразности моделирования в поверхностях класса «А». На основе данного метода можно представить проект чайного сервиза (рис. 9), состоящий из чашки, вазы и подставки-крышки.
Инверсионный метод по этапам имеет сходства с традиционным, однако, для создания поверхностной модели используются данные, полученные сканированием рукотворного макета или прототипа изделия на 3D сканере. Этот метод находит все большее использование среди инженеров и небольших дизайн-студий в связи с возможностью собрать недорогой 3D сканер в домашних условиях, используя условно-бесплатное программное обеспечения, например David [6].
Основываясь на данных, полученных посредством объемного сканирования, появляется возможность моделировать форму объекта максимально точно, можно оперировать данными о крепежных элементах. Формообразование базируется на результатах сканирования, т.е. исходными данными является поле точек или полигональная модель. Подходит для моделирования объектов приближающихся к конечной стадии производства, либо для рестайлинга существующей формы объекта, применяется для создания объектов с частично унифицированными элементами. Данный метод более трудоемкий, по сравнению с традиционным, в связи с тем, что требуется создать макет или иметь в наличии готовый прототип, затрачивать время на сканирование, однако достигается максимальная точность параметров объекта к реальному предмету или макету.
В инверсионном методе моделирования наиболее важную роль имеет этап поверхностного моделирования.
Критерии выбора инверсионного метода моделирования: по ТЗ в качестве исходных данных для проектирования - пластилиновый макет, форма не фрактальная, не требует изменений во времени и пространстве, но сложная закрытая оболочковая.
Выбор моделирования поверхностей класса «А»: сложная оболочковая форма объекта, с методовыми поверхностями, материал высокоглянцевый, требуется управление бликами и последующая реалистичная визуализация.
Данный метод был апробирован на проекте легкового автомобиля Lancia Delta, результатом поискового макетирования являлся пластилиновый макет (масштаб 1:100). На первом этапе собирался 3D сканер с бесплатным ПО, например типа David, производилось сканирование, далее - математическое моделирование поверхностей класса «А».
Рис. 11. Модель кузова легкового автомобиля
Генеративный метод состоит из трех этапов (рис. 12): информационное моделирование (Information modeling) ---> геометрическое моделирование (Geometry modeling) ---> прототипирование (Prototyping).
Рис. 12. Генеративный метод
Большую популярность среди архитекторов и дизайнеров приобретает генеративное моделирование, которое на сегодняшний день широко используются в параметрической и генеративной архитектуре, выставочном дизайне, интерактивном дизайне. Актуальность применения данного метода возникает в случае необходимости изменять параметры предметной системы в пространстве и времени либо при наличии системы объектов со сложной многочастной неповторяющейся структурой. Использование интерактивного метода в промышленном дизайне на сегодняшний день является эксперементальным. Продукт: форма со сложной структурой, члененная на сектора, узоры, фракталы и пр.
Параметризм и ее философия генеративной архитектуры, дизайна [7], основывается на изучении и создании алгоритмов предметных систем, использовании фрактальных методов геометрии, визуализации физических, биологических, математических явлений. Так, например, минимальные поверхности, еще в недавнем прошлом выведенные в форме формул математиками, с помощью программ с генеративным методом моделирования стали доступны инженерам. Объекты, основанные на минимальных поверхностях, максимально экономят материал, являются жесткими и в эстетическом аспекте выразительными [8]. Мембраны и поверхности Гауди также являются вдохновением для конструкций и образов параметристов, например, Gaudi Stool дизайнера Bram Geenen [9].
Генеративный метод основывается на генеративном моделировании сочетающие информационные и геометрические типы моделирования. На этом этапе информационного моделирования создается смысловая концепция объекта, отраженная в информационных графических формах. Разработанную концепцию реализуют посредством генеративного метода моделирования (например, ПО Rhino Grasshopper).
Информационная модель объекта позволяет в последующем свободно исправлять объект на разных этапах дизайн-проектировании, вынесение определенных параметров модели, в ряд изменяющихся для разных условий эксплуатации, изменения окружающей среды и пр. Позволяет создавать системы объектов, основанные на сложных, неповторяющихся модульно методах формообразования (фрактальная геометрия, математические последовательности, физические явления - мембраны). Разработанную информационную модель на третьем этапе можно сгенерировать в линейную, поверхностную и твердотельную модель, для последующего быстрого прототипирования (рис. 12). Современные программы генеративного моделирования позволяют создавать схемы для развертки объемных форм на плоскость, вывод на плоскость сложных сечений формы, нумерацию элементов. Данные возможности облегчают процесс создания реального объекта на основе генеративной модели.
Выяснилось, что адаптация генеративной модели к различным видам производства либо требованиям к модели для 3D печати проходит быстрее, эффективнее, так как многие параметры (например, толщина материала, количество секций можно изменять в реальном времени). Также он позволяет сжать сроки моделирования сложных, многосоставных объектов, структурных, а также обладает возможностью исправлять любые параметры объекта на конечной стадии моделирования, когда результат - геометрическая модель - уже смоделирована. Данная особенность позволяет осуществлять дополнительный поиск формы в объеме, оптимизировать параметры системы под обстановку, окружающую среду, создавать одновременно линейки объектов со сходными чертами, но различными пропорциями или некоторыми параметрами.
На сегодняшний день промышленные дизайнеры редко изучают пакеты генеративного моделирования, уделяя внимание двум первым методам. Задача данной статьи: подчеркнуть важность изучения двух последних методов моделирования для создания оригинальных объектов.
Кардинально новые формы и новая конструкция часто появляются с появлением новых технологий в производстве, однако и новые технологии в моделировании также могут повлечь за собой совершенно новое формообразование. Результат этого мы видим в работах Захи Хадид, которая, используя существующие технологии в производстве, внедрила уникальное формообразование, основанное на малоосвоенном параметрическом фрактальном моделировании.
Активное изучение и использование промышленного дизайна данных двух методов позволит совершить коренные изменения в процессе производства и потребления.
Критерии выбора генеративного метода моделирования: сложная многочастная структура, возможность редактирования объекта после информационного моделирования.
Авторский концепт садово-парковой скамейки (рис. 13, 14) был разработан по генеративному методу моделирования. 3D-модель обладает изменяемым комплексом параметров для приспособления объекта проекта к окружающей среде и видам эксплуатации. Изменяемые параметры: длина скамейки, количество сидячих мест, путь для размещения в пространстве - прямой, дугой, волной, толщина фанеры или дерева (в зависимости от выбранного производства), количество сегментов или сечения, лежащие в основе формы изделия.
Рис. 13. Малые архитектурные формы, садово-парковая скамейка [5]
Рис. 14. Копирование прототипов и печать
Все данные об этих параметрах хранит генеративная модель и в реальном времени актуально изменяет геометрическую модель на вебсайте дизайнера либо производителя, создавая реальное взаимодействие между потребителем и дизайнером.
Представим пример будущего алгоритма способа потребления: потребитель заходит в электронный магазин или дизайн студию для заказа, например, садовой скамейки. Так как он ограничен, в площади, и он хочет владеть неповторимым объектом на своем участке. Ему нужен дом, который похож, например, на «раковину морского животного» или еще чего-то. Он находит понравившуюся ему по форме скамейку, однако, его не устраивает заявленная производителем длина, нажимает кнопку «изменить параметры» и вводит параметры: 3 человека, длина 1,5 м, цвет. Нажимает «оплатить» и «произвести». После этого индивидуальная модель поступает на FABLAB и производится машинами-роботами, некоторые процессы конечной сборки и подобное остаются за покупателем или это за него делают сборщики. Разработка рынка таких изделий позволит сделать революцию в способах потребления изделий.
В этом случае модель является системой объектов, подобием приспособляемого игры Лого или робота - трансформера, способного менять свой облик в зависимости от потребностей потребителя, ландшафта. Дизайнер, проектируя одну модель, может получать на выходе множество вариантов изделий. Таким образом, экономятся средства на разработку и время.
Например, при покупке мебели для дома. Выборе светильников, мебели для открытых мест (дач, парков), малых архитектурных форм (беседки, павильоны) и многое другое.
Соответственно, новая структура проектирования и моделирования также может создать новую структуру производства и потребления.
Примерами генеративного метода моделирования являются проекты Zaha Hadid [10], Института архитектуры и дизайна «С
Вывод
Классифицировано современное 3D моделирование по наличию истории построения объекта (параметрическое, непараметрическое, комбинированное) и по элементам построения модели (каркасное, полигональное, поверхностное, твердотельное, конечно -элементное, генеративное).
Разработаны четыре метода современного трехмерного моделирования в промышленном дизайне: традиционный, инверсионный, генеративный, интерактивный.
Генеративный и интерактивный методы моделирования имеют меньше этапов, сроки моделирования и позволяют моделировать максимально сложные формы объекта в отличие от традиционного и инверсионного методов. При генеративном методе моделирования можно оперировать отдельно геометрией и информацией о геометрии. Это позволяет нам исправлять параметры формы объекта на любом временном этапе моделирования.
Они распределены по классификации, дифференциации в полисоставные поверхности по визуальному качеству и выявлено три класса поверхностей «А», «В» и «С». Однако моделирование класса «А» доступно на сегодняшний день только для двух первых методов.
В первых двух методах базой (основой для моделирования) является геометрическое моделирование, во вторых двух - информационное моделирование. Это значит, что, например, в генеративном методе большую часть времени дизайнер работает не с кривыми и поверхностями как они есть, а с их системами компонентов, хранящими информацию о том или ином действии (изгибе, перемещении, положении в пространстве) и наборами входных и выходных данных (параметров). Более того, различия в методах моделирования носят системный характер и затрагивают изменения во многих процессах проектирования
Разработаны рекомендации: рекомендуется использовать традиционный и инверсионный методы моделирования: 1 - каркасное моделирование; 2 - основы поверхностного и твердотельного моделирования; 3 - конечно-элементное моделирование; 4 - синтез методов моделирования. Далее использовать два современных метода моделирования: генеративный и интерактивный. Два современных метода поможет применить актуальные тенденции в теории моделирования, а также позволит применять данные методы для изучения разновариантных задач, когда требуется вынесение каких-либо параметров для последующего изменения исходных данных.
Традиционный и инверсионный методы проявляются в форме моделировании где, появляется пространственное трехмерное мышление для принятий решений.
Данные методы подготовки к работе на производстве дают базу для использования двух последующих методов. Использование двух последующих методов позволяют оперировать большим количеством данных при моделировании для решения теоретических и практических задач промышленного дизайна.
Итого алгоритм проектирования и использования 3-мерного моделирования, под которым мы понимаем моделирования в осях z, y,z будет выглядеть так: 1. Получения задания, им могут любые инвесторы.
2. Уточнения объемов и сроков выполнения.
3. Стоимость и место привязки, или кому.
4. Выбор программного документа, технологий. Патентный и литературный анализ.
5. Выполнение. Желательно представлять несколько вариантов.
6. Макеты. Дизайн.
7. Апробация.
8. Испытания.
9. Сдача инвесторам.
10. Получения документов государственной регистрации (патенты, свидетельства и т.д.). Авторские права.
11. Гарантийное обслуживание (до 3 лет, далее не выгодно, лучше до одного года).
Список литературы
1. Basharova A. Bishenka design, [online] Режим доступа: http:// www.cargocollective.com/bishenka [accessed 01/03/2012].
2. Lombard M. Solid Works 2011 Bible.
3. Khabazi M. Algorithmic modeling with Grasshopper, 2009, [online] Available at: http:// www.proquest.safaribooksonline.com/1587050773 [accessed 01/03/2012]
4. Krьger R. Three Dimensional Finite Element Analysis of Multidirectional Composite DCB, SLB and ENF Specimens / R.Krьger// ISD-Report 1994. No.2
5. Zaha Hadid Arcitects [online] Available at: [accessed 01/03/2012].
6. Shumacher P. Parametricism as Style - Parametricist Manifesto, 2008, [online] Available at: [accessed 01/03/2012].
7. DAVID Vision Systems GMBH. David 3.x user manual pages [online] Available at: [accessed 01/03/2012].
8. Brakke K. Triply Periodic Minimal Surfaces, 2000, [online] Available at: [accessed 01/03/2012].
9. Strelka. Institute for media, architecture and design. [online] Available at: [accessed 01/03/2012].
10. Russo M. Polygonal Modeling: Basic and Advanced Techniques (Wordware Game and Graphics Library), 2005
11. Geenen B. Gaudi Stool [online] Available at: [accessed 01/03/2012].
12. Elsacker E., Bontinckx Y. Kinetic pavilion, 2011, [accessed 01/03/2012].
13. Zalek Y. Another Wave in the Wall: Vertical Lake Building Faзade, 2010, [online] Available at: [accessed 01/03/2012].
14. Johnson J.K., Payne A. Firefly Primer - version 1.006, 2011, [online] Available at: [accessed 01/03/2012]. Branchpoint project, 2010. [online] Available at: http:// www.branchpoint.ru [accessed 01/03/2012].
15. Ившин К.С., Башарова А.Ф. Принципы современного трехмерного моделирования в промышленном дизайне. // «Архитектон: известия вузов» № 39, Сентябрь, 2012. - с. 101-113.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
