CC BY
2
УДК 624.04
doi: 10.55287/22275398_2023_2_51
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ОБЪЕКТА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ
Э. К. Агаханов* Г. М. Кравченко ** Е. В. Труфанова ** М. К. Агаханов ***
* Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала ** Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
*** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
О
г
м О
Аннотация
Основной целью работы является исследование эволюции формообразования поверхности эпициклоидного цилиндра с применением информационных технологий. Рассмотрены вариации параметров функций аналитической поверхности. Разработаны принципы моделирования совмещения аналитических поверхностей, проведен анализ по выбору рационального концепта уникального комплекса параметрической архитектуры. Для исследования эволюции формообразования эпициклоидного цилиндра применяется современный программный комплекс САПФИР. При варьировании параметров исследуемой поверхности получены формы, пригодные для дальнейшего использования в проектировании уникальных зданий. Выполнено
совмещение полученных поверхностей и разработаны три, наиболее удачных с эстетической стороны, модели комплекса. Высота различных частей здания выбрана, исходя из правила «Золотого сечения». Получены формы объекта параметрической архитектуры максимальной высотой 120 м, которые могут использоваться для проектирования уникального здания многофункционального назначения. Для выбранных форм разработаны конструктивные решения каркаса здания по пространственной плитно-стержневой схеме.
Ключевые слова
информационные технологии, цифровое моделирование, параметрическая архитектура, формообразование объекта
Дата поступления в редакцию
01.03.2023
Дата принятия к печати
05.03.2023
Введение
Параметрическое моделирование—это проектирование с использованием вариаций параметров аналитической поверхности.[1]. Информационные технологии позволяют не только исследовать эволюцию формообразования, но и сократить срок проектирования объекта сложной геометрической формы [2].
5
а с
■ 5 а I* I
5 О
0 £
* <и
1
Ш X
у 2 ш I
< £
* §
¿1
И
ё 11 7г а
< Ш I- I
< <и . 2
* 5
. а т с
Параметризм появился достаточно недавно, как следствие внедрения новых технологий в архитектуру, и стал новым стилем, способным наиболее точно согласовать здания с функциональным назначением. [3 - 4]. В проектной деятельности при изменении геометрических параметров элементов каркаса здания возможно регулирование внутренних усилий, что позволяет принять наиболее рациональную конструктивную схему [5].
В строительстве нашли применение ограниченное число аналитических поверхностей, описанных в научной литературе: линейные поверхности, к которым относятся торсовые, конические и цилиндрические; поверхности вращения; поверхности второго порядка; винтовые и другие (рис. 1).
Рис. 1. Применение аналитических поверхностей в строительстве: а) собор в Маринге, Бразилия; б) торгово-выставочный комплекс «Мир БМВ», Мюнхен
Цилиндрические поверхности используют для трубопроводов, подземных коммуникации, башен. Цилиндрическую поверхность вращения, эллиптический и параболический цилиндр, цилиндрическую винтовую полосу можно увидеть почти в каждом городе мира (рис. 2).
В математике исследовано большое количество поверхностей, на которые архитекторы-проектировщики до сих пор не обратили внимание. Информационные технологии при создании моделей уникальных зданий и сооружений выходят за рамки простейших привычных форм, что соответствует новому инженерному мышлению.
Рис. 2. Применение в строительстве цилиндрических поверхностей: а) торговый центр Хаас-Хаус, Вена; б) церковь Риббон Чэпел, Япония
С развитием новых технологий проектирования и цифрового моделирования параметрическая архитектура прочно укрепляет свои позиции. В программных комплексах ПК Сапфир, Revit, AutoCAD и ArchiCAD за короткий промежуток времени можно изменить геометрию здания, создать более сложную и неповторимую форму [7, 8].
Постановка задачи
Анализируя большое количество литературных источников, можно отметить, что такая поверхность как эпициклоидный цилиндр применялась достаточно редко.
В каждом программном комплексе существуют особенности, связанные с созданием формы объекта, а затем переноса его в расчетный комплекс для формирования конечно-элементной модели и определения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций каркаса методом конечных элементов [9].
Параметрическая форма задания поверхности эпициклоидного цилиндра сводится к уравнениям:
х = f(u, v) = (R + r) • cos(v) - r • cos((l + m) • v); y = f(u, v) = (R + r) • sin(v) - r • sin((l + m) • v); z = f(u, v) = u,
(1)
R
где т = — ; R — радиус неподвижной окружности, Г—радиус катящейся окружности (рис. 3); пара-Г
метры V и и изменяются в пределах: 0 < V < 2п; 0 < и < 4п .
Рис. 3. Формообразующая эпициклоида
Для анализа формообразования аналитической поверхности необходимо выполнить варьирование данных параметров, чтобы определить наиболее рациональный набор с эстетической и функциональной точки зрения объекта параметрической архитектуры.
и
Z н
Û -I н
D
CÛ
s a с
>s ■ s
IL I* i s о
0 S
* (U
1
Ш X
y 2
CÛ i
< s
* §
¿1
to f
g 11
tr a
4 s
< <u
I- I
< (U
. z
* s
. a
m с
Методы исследования
При исследовании эволюции формообразования эпициклоидного цилиндра применяется ПК САПФИР [10]. На рис. 4 показана изометрия исследуемой поверхности.
Рис. 4. Изометрия эпициклоидного цилиндра (m = 3)
Для корректировки высоты поверхности необходимо ввести дополнительный параметр h, значение которого при умножении на величину u влияет на формообразование (рис. 5а). Так при сокращении интервала, определяющего значения параметра v, форма перестает быть замкнутой (рис. 5б), а при увеличении становится гофрированной формы (рис. 5в).
Рис. 5. Корректировка параметров поверхности: а) влияние параметра h на форму поверхности; б) уменьшения параметра V; в) увеличение параметра У
При изменении таких важных параметров, как Я и Г изменяются радиусы эпициклоидного цилиндра (рис. 6): бежевым цветом обозначена исходная форма, синим — со значениями параметров Я = 6 м, Г = 2 м, красным — со значениями параметров Я = 30 м, Г = 10 м.
Рис. 6. Влияние параметров Я и Г на форму поверхности
03
г
м О
При изменении параметра т меняется количество лепестков эпициклоидного цилиндра, что четко прослеживается на рис. 7.
СО
Рис. 7. Варьирование параметра т: а) т = 2; б) т = 3; в) т = 4
Обсуждение результатов
Новым направлением в проектировании является совмещение поверхностей. Общая концепция создания формы сооружения заключается в соединение нескольких форм одинакового генезиса с таким варьированием их частных параметров, чтобы это не противоречило общим расчетным, конструктивным и эстетическим требованиям. Широкий анализ вариантов компоновки и объединения поверхности эпициклоидного цилиндра привел к созданию трех, наиболее удачных с эстетической стороны, моделей с высотами и частными параметрами соответственно:
• модель № 1: Н1 = 120 м, Н2 = 74 м, Н1 = 30 м, Я1 = 10 м, Г1 = 5 м, т1 = 2; Н2 = 18,5 м, Я2 = 20 м, Г2 = 5 м, т2 = 4 (рис. 8а);
5
а с
■ 5 а I* I
5 О
0 £
* <и
1
Ш X
у 2 ш I
< £
* §
¿1
И
ё 11 7г а
< Ш I- I
< <и . 2
* 5
. а т с
• модель № 2: Н1 = 120 м, Н2 = 74 м, Н1 = 30 м, Я1 = 16 м, Г1 = 4 м, т1 = 4; = 18,5 м, Я2 = 20 м, Г2 = 5 м, т2 = 4 (рис. 8б);
• модель № 3: Н1 = 120 м, Н2 = 74 м, Н3 = 46 м, Н1 = 30 м, Я1 = 15 м, ^ = 5 м, т1 = 3; Н2 = 18,5 м, Я2 = 20 м, Г2 = 5 м, т2 = 4; Н3 = 11,5 м, Я3 = 16 м, Г3 = 8 м, т3 = 2 (рис. 8в).
Рис. 8. Варианты компоновки: а) модель № 1; б) модель № 2; в) модель № 3
Следует отметить, что индексы варьируемых параметров соответствуют составляющим объект частям и возрастают при уменьшении высоты отдельного здания Н. При выборе высот различных частей комплекса по эстетическим требованиям необходимо руководствоваться правилом Золотого сечения, т.е. правилом такого деления отрезка на составные части, чтобы отношение этих частей друг к другу составляло значение близкое к числу 1,618 [11].
Полученная форма объекта с максимальной высотой 120 м может использоваться для проектирования уникального здания многофункционального назначения.
В качестве несущей конструктивной системы выбрана каркасно-ствольная схема с несущими колоннами, несущими стенами ядра жесткости и горизонтальными дисками плит перекрытий. Программный комплекс ПК САПФИР по контурам аналитических поверхностей позволяет принять конструктивное решение, задав высоту первого этажа 4.5 м, со 2-ого по 37-й этаж — 3.3 м.
Конструктивные решения разработанных моделей представлены на рис. 9.
Рис. 9. Конструктивные решения сооружения: а) модель № 1, б) модель № 2, в) модель № 3
Вывод
Применение инновационных технологий при моделировании объекта параметрической архитектуры сокращает процесс проектирования, способствуют развитию параметризма. Проектирование сложных аналитических поверхностей на основе исследования эволюции формообразования с использованием совмещения форм одинакового генезиса становится реальностью. Объекты параметрической архитектуры придают уникальность внешнему облику городской застройки [12].
Библиографический список
1. Кравченко Г. М., Подолько К. П., Литовченко Т. А. Дигитальная архитектура // Инженерный вестник Дона, 2017, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4517.
2. Г. М. Кравченко, Е. В. Труфанова, М. В. Полетаев, Л. И. Пуданова. Эволюция формообразования здания параметрической архитектуры с учетом аэродинамики// Инженерный вестник Дона, 2021, № 8 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n8y2021 7171.
3. Надыршин Н. М. Параметризм как стиль в архитектурном дизайне // Вестник ОГУ. 2013. № 1. С. 53 - 57.
4. Кравченко Г. М., Манойленко А. Ю., Литовка В. В. «Параметрическая архитектура».
5. Бабич В. Н., А. Г. Кремлев. О фрактальных моделях в архитектуре // Архитектон: известия вузов. 2010. № 30. С. 3 - 7.
6. Мамиева И. А. «Аналитические поверхности для параметрической архитектуры в современных зданиях и сооружениях».
7. Кравченко Г. М., Труфанова Е. В., Ладная Е. В. Рациональное проектирование элементов пространственного каркаса здания // Инженерный вестник Дона, 2017, № 1 URL: ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n1y2017/3989
8. «Аналитические поверхности: материалы по геометрии 500 поверхностей информация к расчету на прочность тонких оболочек» / С. Н. Кривошапко, В. Н. Иванов, С. М. Халаби.—М.: Наука, 2006—544 с.
9. Кравченко Г. М., Манойленко А. Ю., Литовка В. В. Применение параметрического проектирования при моделировании методом конечных элементов // Инженерный вестник Дона, 2019, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2019/5051.
10. Г. М. Кравченко, Е. В. Труфанова, И. Ю. Данилейко, В. А. Забейворота. Исследование принципов формообразования объектов параметрической архитектуры // Инженерный вестник Дона, 2019, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5513.
11. Правило «Золотого сечения» в архитектуре: https://homius.ru/zolotoe-sechenie-v-arhitekture.
html
12. Поморов С. Б., Исмаил Халед Д. Альдин. Терминология нелинейной архитектуры и аспекты ее применения // Вестник ТГАСУ 2014. № 3. С. 78 - 87.
и
Z м
О
-I
м
D CD
s а с
>s
■ S
IL I* i S О
0 jg
* <u
1
Ш X
у 2
CQ I
< £
* §
¿1 Ш f
s 11
tr U 4 s
< <u
I- I
< <U
. z
* s
. а
m с
APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGIES
IN THE MODELING OF A PARAMETRIC ARCHITECTURE OBJECT
E. K. Agahanov* G. M. Kravchenko** E. V. Trufanova** M. K. Agahanov***
* Dagestan State Technical University, Makhachkala ** Don State Technical University, Rostov-on-Don
*** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
The main purpose of the work is to study the evolution of the shaping of the surface of an epicycloid cylinder using information technology. Variations of the parameters of the functions of the analytical surface are considered. The principles of modeling the combination of analytical surfaces are developed, an analysis is carried out on the choice of a rational concept of a unique complex of parametric architecture. To study the evolution of the epicycloid cylinder formation, a modern software package SAPPHIRE is used. By varying the parameters of the studied surface, shapes suitable for further use in the design of unique buildings were obtained. The combination of the obtained surfaces was performed and three models of the complex, the most successful from the aesthetic side,
were developed. The height of the various parts of the building is chosen based on the "Golden Section" rule. The forms of a parametric architecture object with a maximum height of 120 m are obtained, which can be used to design a unique multifunctional building. For the selected forms, constructive solutions of the building frame have been developed according to the spatial plate-rod scheme.
The Keywords
information technologies, digital modeling, parametric architecture, object shaping
Date of receipt in edition
01.03.2023
Date of acceptance for printing
05.03.2023
Ссылка для цитирования:
Э. К. Агаханов, Г. М. Кравченко, Е. В. Труфанова, М. К. Агаханов. Применение информационных технологий при моделировании объекта параметрической архитектуры. — Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 51 - 58.
