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

Ирина Чиковская

Лариса Данилова

Александр Лянда

Предыстория

В последние годы возросшие требования к достоверности и темпам проектирования станций метрополитена привели ведущих проектировщиков ОАО «Ленметрогипротранс» (далее — институт) к пониманию необходимости внедрения технологий создания 3D­моделей объектов метрополитена, в частности подземных конструкций. В качестве платформы для создания 3D­технологии в институте были выбраны решения компании Autodesk, Inc. и определены основные требования — сквозное 3D­проектирование должно быть похоже на традиционное, объединять несколько отделов традиционной структуры, обеспечивать возможность совместной разработки, синхронизации работ, а также давать возможность автоматизированного выпуска проектной документации. Очевидно, что переход на новые технологии должен происходить, по­возможности, без нарушения планов и графиков основных проектных работ, осуществляемых в рамках текущих договоров и контрактов.

Работа началась в 2010 году с обучения нескольких специалистов отдела проектирования трасс института инструментам AutoCAD Civil 3D, обучения группы архитекторов архитектурно­строительного 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 компании­исполнителя задача была выполнена — построена трехмерная модель трассы одного из участков Cанкт­Петербургского 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 «CSoft­Бюро ESG», имеющих опыт подобного рода работ [1, 2, 3], разработчиков отдела автоматизированного проектирования (ПАПР) и специалистов­проектировщиков 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 3D­технологии. После обучения AutoCAD приступили к обучению AutoCAD Architecture.

Технология разрабатывалась на примере одной из проектируемых станций Санкт­Петербургского метрополитена в течение 2011­2012 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 «CSoft­Бюро ESG» практически завершены работы по созданию технологии 3D­проектирования строительных конструкций объектов метрополитена, краткое описание которой приведено далее.

Подготовительные мероприятия и виды работ при создании 3D­модели

Практика показывает, что прежде чем приступить непосредственно к разработке 3D­модели 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 3D­модель;
2. определить состав проектных дисциплин для создания 3D­модели, 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 3D­модели на различных этапах проектирования;
5. создать структурно­иерархическую 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 3D­модели; 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 3D­моделью в общем процессе проектирования;
11. создать 3D­модель.

Пункт 9 и его подпункты являются ключевым моментом в подготовке к трехмерному проектированию.

По пунктам 7, 9а и 10 рекомендуется выпуск стандартов предприятия. Тогда в каждом конкретном проекте принимается решение, следовать ли принятым стандартам по этим пунктам или требуются какие­либо отклонения от них. Например, если работы по проекту выполняются на субподрядной основе, то головной исполнитель может потребовать использование иных способов кодировки объектов и документации проекта, отличных от принятых в стандарте. Процедура групповой работы при этом тоже может отличаться от принятой, если часть 3D­модели будет разрабатываться головным исполнителем или другим субподрядчиком.

Глубина и степень детализации 3D­модели (пункт 4) зависят от стадии проектирования: концептуальное проектирование, проект (П), рабочая документация (Р), а также от назначения модели. Например, если 3D­модель разрабатывается только для получения принципиального решения или как презентационный материал, то степень детализации может быть ограничена.

Выходные формы пункта 6 — это различные формы представления одной и той же 3D­модели, 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 Санкт­Петербургского 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 3D­модели 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.

Пункт 8 не был реализован в виде работ, так как платформа проектирования была задана заказчиком — использовались решения компании Autodesk, Inc. на базе AutoCAD. Для создания 3D­модели трассы была выбрана уже апробированная AutoCAD Civil 3D. Для моделирования несущих конструкций (Обделки) нужно было выбирать между САПР: AutoCAD MEP или AutoCAD Architecture. С учетом того, что основными сборочными единицами Обделки являются строительные конструкции, предпочтение было отдано AutoCAD Architecture, как более дешевому решению без избыточного функционала AutoCAD MEP.

После определения среды проектирования требовалось оценить степень готовности САПР AutoCAD Architecture к работе. Экспресс­оценка 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 3D­библиотеки 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 3D­модели, но и для создания СИМ станций метрополитена. Был создан первичный классификатор объектов и элементов станций как часть СИМ, который лег в основу создания 3D­технологии моделирования объектов метрополитена методом нисходящего проектирования [4].

Принципы построения классификатора станций метрополитена

Все станции метро, строящиеся в Санкт­Петербурге, делятся на подземные станции глубокого и мелкого заложения, и на наземные крытого типа. Станции глубокого и мелкого заложения, в свою очередь, по типу конструкций делятся на колонные, пилонные, односводчатые и так называемые станции закрытого типа.

На основе технической (чертежной) документации, выпускаемой отделом ПК, и при непосредственном участии сотрудников этого отдела, было проведено обследование станций типа «пилонная» и «односводчатая». В процессе обследования были выявлены следующие особенности: терминологические расхождения; отличия в разбиении станций пилонного и односводчатого типов на участки. По результатам обследования были получены первичные классификаторы станций этих типов.

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 3D­модель. 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 (рис. 1). Все каталоги конструктивных элементов 2D и 3D, хранящиеся на сетевом ресурсе для общего доступа к ним специалистов­проектировщиков, были размещены на инструментальные палитры САПР.

На рис. 2 приведены примеры некоторых элементов, вошедших в библиотеку конструкций подземной части метрополитена.

a

b

в

г

Рис. 1. 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»

Наполнение библиотек в процессе выполнения пилотного проекта происходило силами рабочей группы. В дальнейшем должно быть организовано сопровождение системы силами специалистов отдела ПАПР, включающее пополнение и корректировку библиотек.

а

б

в

г

д

е

Рис. 2. Примеры элементов библиотеки 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

Краткое описание процесса коллективной работы над 3D­моделью

Основные требования института к внедрению технологии трехмерного моделирования — максимально сохранить традиционный, выверенный годами порядок проектирования, с одной стороны, и иметь возможность в любой момент собрать полную 3D­модель (по текущему состоянию «как есть») и представить ее руководящему составу для обсуждения и изменения проектных взаимоувязанных решений, а также для обсуждения коллизий (ошибок, пересечений) еще на стадии проектирования — с другой. С учетом этого создание новой технологии началось с проработки схемы коллективного взаимодействия при работе над 3D­моделью для основного выпускающего отдела (ПК) и отдела разработки трасс (ПТЭ), не нарушающей традиционный порядок проектирования. В дальнейшем эта схема будет использоваться и для других отделов института (см. рис. 3).

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

Как видно из рис. 3, процесс создания 3D­модели объекта метрополитена (на примере станционного узла) начинается с создания 3D­модели трассы отделом ПТЭ, на которой необходимо расположить станционный узел (подземную часть). С помощью 3D­модели трассы менеджер проекта совместно с отделами ПК и ПТЭ получает трехмерную модель компоновки станционного узла в габаритах. При создании такой модели происходит размещение укрупненных конструкций станционного узла в соответствии с классификатором станции выбранного типа. При этом вся модель делится на основные узлы (участки), проверяются основные технические проектные решения, и уже на этом этапе устраняются ошибки и коллизии (при их обнаружении). На основании укрупненной 3D­модели отдел ПК получает 3D­файл осей основных узлов. Затем менеджер проекта, используя этот файл, формирует 3D­файлы шаблонов по числу основных узлов. ГИП выдает задания исполнителям. Каждый исполнитель, используя соответствующий заданию файл шаблона, разрабатывает детальную 3D­модель участка (или отдельного объекта участка) в соответствии с принятым соглашением о степени детализации 3D­модели. В любой момент исполнитель может компоновать свою часть модели с частью другого исполнителя для взаимной увязки размещенных конструкций. При обнаружении коллизий они устраняются. Менеджер проекта периодически (например, в конце каждого рабочего дня) с целью контроля выполняемых работ и выявления ошибок и (или) коллизий компонует и проверяет 3D­модели каждого основного узла. Если обнаруживаются несоответствия, то они доводятся до исполнителей для их устранения. Периодически (например, раз в неделю) для осуществления контроля над ходом выполнения проекта в целом производится полная сборка 3D­модели станционного узла. В случае обнаружения ошибок и (или) коллизий 3D­модель может вернуться на доработку на любой из предыдущих шагов. Для примера: на рис. 3 показан возврат на доработку на стадию создания укрупненной модели станционного узла. Разрешение сложных коллизий ГИП может вынести на обсуждение, например, на диспетчерском совещании с демонстрацией 3D­модели для выработки коллегиального решения.

Преимуществом такого процесса является то, что каждый его участник выполняет привычную для него работу, но только в среде 3D, а 3D­модель при этом проходит две линии проверки при ее проработке: сначала сверху  вниз (от укрупненной модели до модели отдельных объектов), а потом снизу  вверх (при проверке на местах исполнителей, сборке отдельных участков и сборке полной детальной 3D­модели).

Технические аспекты трехмерного проектирования станций метрополитена в среде AutoCAD Architecture

Основные технические аспекты технологии трехмерного проектирования объектов метрополитена в AutoCAD Architecture на основании СИМ объекта отражены на рис. 4.

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

Как видно из рис. 4, начинается создание 3D­модели станции метрополитена с получения с помощью Autodesk Civil 3D файла полилиний (то есть главных осей трассы), затем на его основе создается графический файл пикетов. При этом 3D­файл полилиний используется в качестве подложки при создании 3D­файла пикетов (то есть файл пикетов содержит ссылку на файл полилиний). Такой подход определяется традиционной технологией проектирования: при выпуске рабочих чертежей проектировщикам нужны пикеты без трасс.

Далее создается 3D­модель 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 3D­файл пикетов, в свою очередь, используется как подложка. Таким образом, из 3D­модели компоновки габаритов «видны» как пикеты, так и полилинии, благодаря ссылкам на файлы, содержащие эти элементы.

После этого из 3D­модели компоновки габаритов станционного узла получают 3D­файл осей станционного узла в реальных координатах, а из него — 3D­файл 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 3D­файла осей станционного узла в нулевых координатах получают 3D­файлы шаблонов отдельных участков в пользовательской системе координат (ПСК). Каждый 3D­файл шаблона участка ссылается на 3D­файл осей станционного узла в нулевых координатах справочно, то есть последний служит только для просмотра.

Используя 3D­файл 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 3D­модели 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 3D­модели). Каждая 3D­модель объектов участка ссылается на соответствующий 3D­файл шаблона. То есть при корректировке 3D­файла шаблона участка изменения мгновенно отображаются в 3D­модели объектов участка.

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

После получения 3D­модели требуемой детализации и устранения всех ошибок и коллизий  из 3D­модели формируется традиционная 2D­документация, соответствующая требованиям данного проекта и ГОСТ.

На рис. 5 приведен пример 3D­модели 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 сделать следующие выводы:

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

- обеспечение быстрого внесения изменений за счет использования единой 3D­модели (благодаря наличию соответствующих ссылок файлов друг на друга). 

Список использованной литературы:

1. Чиковская И.Н. Тихая революция. Электронный кульман или информационная модель здания // CADmaster. 2008. № 2.
   http://www.esg.spb.ru/articles/22.
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). http://www.esg.spb.ru/articles/103 .
3. Воробьев А.М., Данилова Л.Г., Игнатов Б.А. и др. Сценарий и механизмы создания единого информационного пространства // REM. 2010. № 4. http://www.esg.spb.ru/articles/41.
4. Гаршин О., Москвиченко А. Преимущества нисходящего проектирования на примере использования Pro/ENGINEER WILDFIRE // САПР и графика. 2004. № 11. http://www.sapr.ru/article.aspx?id=14915&iid=707.

САПР и графика 9`2012