3 - 2014

Быстрое макетирование инфраструктурных моделей с помощью Autodesk InfraWorks

Алина Юсупова, Эрик Ерзин

В данной статье авторы делятся практическим опытом градостроительного моделирования, который позволяет поверить, что мечты сбываются, если выбрать для этого правильный инструмент.

Анализ ситуации

В рамках подготовки к международному форуму Autodesk University Russia 2013 перед нами была поставлена задача — в очень сжатые сроки создать цифровую модель Сокольнического района г.Москвы, по сути — макет части городской застройки. Модель должна была быть реалистичной и содержать все основные элементы окружающей застройки с учетом настоящего рельефа местности. При этом нужно было обеспечить интерактивность данной модели, чтобы определенные объекты были связаны ссылками на видеоролики, демонстрирующие процесс их создания.

Алина Юсупова,

Алина Юсупова,
ведущий специалист по направлению «инфраструктура» ГК «ИНФАРС»

Эрик Ерзин,

Эрик Ерзин,
главный конструктор проектов САПР ГК «ИНФАРС».

Для решения этой задачи мы сначала провели анализ ряда программных средств, которые могли бы нам помочь. Приложения Autodesk Civil 3D и Autodesk Map 3D обеспечивают возможность работать с данными о территориях и формировать элементы инфраструктуры, но средства трехмерного моделирования зданий и их визуализации показались нам недостаточно эффективными. Autodesk 3ds Max позволяет получить максимально качественные фотореалистичные сцены, но при моделировании обширных территорий возникают неизбежные сложности, так как он заточен на детальную проработку небольшого количества отдельных компонентов. В итоге, ключевым инструментом для решения нашей задачи был выбран достаточно новый продукт — Autodesk InfraWorks. Программа предназначена именно для концептуального проектирования больших территорий, а главное, делать это можно почти «играючи». Уникальные возможности данной программы позволяют быстро представить проекты зданий в контексте существующей застройки, создать несколько вариантов компоновки территории, сформировать впечатляющую наглядную модель целого города. На базе этой модели программа позволяет решать ряд важнейших практических задач рационального проектирования территорий.

Использование данных OSM позволяет достаточно быстро сформировать модель местности

Использование данных OSM позволяет достаточно быстро сформировать модель местности

Сложность поставленной задачи заключалась еще и в том, что исходных данных для моделирования предоставлено не было. К слову сказать, подобная ситуация является типичной, так как на этапе концептуального проектирования участок застройки, как правило, находится на стадии согласования и материалов изысканий (топоосновы) еще может не быть. Конечно, в идеале нужно иметь актуальные данные ГИС, с помощью которых можно быстро создать необходимую модель, но доступ к таким данным обычно ограничен.

В таком случае есть два способа создания модели инфраструктуры:

  • формирование собственных источников данных с помощью комплекса программ Autodesk — AutoCAD Civil 3D, AutoCAD Map 3D, Raster Design. Этот способ не подходит для быстрого создания крупной инфраструктурной модели, так как все объекты необходимо создавать и классифицировать вручную. Этот достаточно трудоемкий метод применяется при создании небольших моделей, если участок застройки имеет невысокую плотность, или при необходимости дополнить уже имеющуюся базу данных ГИС;
  • использование данных ГИС из свободных источников. Например, для России и СНГ есть возможность применения данных Open Street Map (OSM) в формате shape­файлов. В рамках проекта Open Street Map генерируются ежедневно обновляемые наборы слоев по странам бывшего СССР и регионам РФ. Данные наборы слоев доступны в виде shape­файлов, что позволяет использовать их практически в любой ГИС.

Решение было принято в пользу именно этого метода, так как требовалось построение крупной модели московского района Сокольники.

Применение InfraWorks для анализа развития территории

Когда перед правительством швейцарского полукантона Аппенцелль­Иннерроден встала задача стимулирования экономического развития без ущерба сельской природе и живописным видам, к работе была привлечена специализирующаяся на градостроительном планировании компания PlanIng, которой удалось наглядно продемонстрировать воздействие роста застройки на окружающую среду.

Правительство было заинтересовано в анализе развития застройки и роста численности населения на существующую территорию. Компания Plan Ing использовала Autodesk InfraWorks для создания 3D­модели кантона на основе данных ГИС и аэрофотосъемки.

Было рассмотрено три различных подхода для размещения жилой и коммерческой недвижимости:

строительство новых зданий на существующих открытых пространствах;

расширение существующих зданий в стилобатной части;

надстройка (повышение этажности) существующих зданий.

Для каждого варианта была создана цветовая кодировка зданий для облегчения восприятия.

Аналитические данные, представленные в виде информационной 3D­модели, обеспечили глубокое понимание перспектив каждого варианта развития территории. Этот анализ послужил основой для принятия решений.

Район Сокольники (г.Москва),

Район Сокольники (г.Москва)

3D-модель гостиницы Holiday Inn Sokolniki была выполнена в Autodesk Revit, а жилой дом напротив импортирован из библиотеки Google Sketh Up

3D-модель гостиницы Holiday Inn Sokolniki была выполнена в Autodesk Revit, а жилой дом напротив импортирован из библиотеки Google Sketh Up

Создание модели района Сокольники

В качестве основных источников для моделирования применялись данные OSM в формате shape­файлов. Они разбиты по слоям, содержащим информацию о зданиях, автомобильных и железных дорогах, водных объектах, участках растительности и пр. Для создания информативной модели даже этой информации вполне достаточно.

Данные OSM сгруппированы по субъектам РФ. Поэтому для начала нам необходимо было ограничить нужную территорию застройки — район Сокольники. Для этой цели мы использовали программу AutoCAD Map 3D, в которой данные ГИС всей Москвы были ограничены интересующим нас участком.

После импорта всех слоев и обрезки данных в AutoCAD Map 3D был проведен их анализ. Здания были представлены в виде полигонов, с встроенными атрибутами. И что самое главное для нас — эти полигоны имели атрибут, характеризующий числовое значение высоты. На основе данного параметра в InfraWorks можно создавать здания нужной этажности. Но тут возникли первые затруднения. При ближайшем рассмотрении оказалось, что далеко не всем зданиям задано это значение. Около половины зданий «лежали» на нуле.

В подобной ситуации неизбежно возникает необходимость в ручном редактировании этих данных. В Map 3D была проведена кропотливая работа по внесению в базу данных необходимых значений высот. После этого из Map 3D экспортировались в виде shape­файлов уже обновленные данные, которые затем были импортированы в InfraWorks. Таким образом были построены все здания на нашей территории.

К сожалению, информации о текстурах и материалах в базе данных нет, поэтому здания в InfraWorks выглядели как серые «коробки». В таком случае можно применить Правила стиля и выбрать разнообразные стили фасадов, которые будут применяться для всех зданий. Стили фасадов разбиты по каталогам в соответствии с материалом отделки: кирпич, бетон и стекло, мрамор и камень, метал и стекло и пр. После применения правил зданиям будут в случайном порядке назначены выбранные стили. Качество отображения этих стилей в модели весьма высокое, элементы отделки фасадов объемные. При необходимости более точного отображения стилей зданий следует создать дополнительный атрибут, согласно которому каждому зданию будут заданы нужные материалы и текстуры.

Следующий важный этап в создании модели — это импорт автомобильных и железных дорог. Данные элементы также имели атрибуты. Для нас главным оказался атрибут, характеризующий количество полос. К сожалению, выяснилось, что база данных и здесь имела существенные недостатки. Далеко не всем элементам были назначены числовые значения атрибутов. Поэтому, так же как и для зданий, для дорог они задавались вручную. Кроме того, были обнаружены такие ошибки, как появление лишних трасс или врезка некоторых трасс в здания. Эти недостатки увеличили временные затраты на подготовку исходных данных. Но в итоге дороги были импортированы в InfraWorks, а стили были назначены в соответствии с заданными атрибутами.

После этого были импортированы водные пространства и растительность. Они в базе данных были представлены полигонами. Здесь проблем не было: импорт полигонов в формате shape, а затем назначение стилей отображения в программе. Надо отметить, что качество отображения водных пространств очень высокое: блики на воде, мягкие волны, отражение — все это обеспечивает реалистичность и зрелищность модели.

Наверное, одним из самых важных элементов в создании модели является снимок Земли из космоса. Зачастую именно от качества растра зависит реалистичность модели. К сожалению, качество получаемых российских спутниковых снимков намного ниже, чем снимков, полученных в европейских странах. Но в данном проекте нам провезло — снимок со спутника Google оказался весьма неплохого качества. Для получения растра с высоким разрешением была использована программа SAS Planet. В этой программе можно автоматически привязать растр в нужной системе координат. После этого был успешно выполнен импорт растра в модель.

Детализация модели

Таким образом, основная часть была выполнена, но в центре Москвы существует множество узнаваемых зданий и сооружений — исторических и культурных памятников, современных индивидуальных строений. Типовые стили фасадов и объектов неспособны передать их внешний вид. В таких случаях удобно воспользоваться бесплатными библиотеками готовых 3D­моделей. InfraWorks позволяет импортировать 3D­модели практически всех форматов (*.dae, *.3ds, *.dxf, *.rvt, *.skethup, *.fbx, *.obj). Для данной территории было найдено много готовых 3D­моделей хорошего качества, например жилой дом на ул. Русаковская, станция метро «Сокольники», Русаковский клуб, здание МИЭП и др.

Ключевым участком нашей модели являлось здание гостиницы Holiday Inn Sokolniki и прилегающая к ней территория. Вся модель, по сути, была создана как декорация для главных объектов. Поэтому было очень важно внешнее сходство модели здания в InfraWorks с оригиналом. Но, к сожалению, именно этот, главный объект в готовых библиотеках не был найден. В такой ситуации необходимо создать нужный объект в специализированных программах (Revit, Sketch Up, 3ds Max и др.) и импортировать его в InfraWorks. В нашем случае модель здания была специально разработана в Autodesk Revit и затем «посажена» в окружающую застройку.

Качество в деталях. Отображение элементов улиц и дорог

Качество в деталях. Отображение элементов улиц и дорог

Отображение водных и растительных элементов в модели очень красочное, поэтому пренебрегать ими не стоит

Отображение водных и растительных элементов в модели очень красочное, поэтому пренебрегать ими не стоит

Стандартные стили из встроенного каталога довольно качественные, но их не всегда бывает достаточно, поэтому стиль Русаковской улицы был создан вручную

Стандартные стили из встроенного каталога довольно качественные, но их не всегда бывает достаточно, поэтому стиль Русаковской улицы был создан вручную

Особое внимание было уделено элементам благоустройства прилегающих к гостинице территорий. В среде InfraWorks элементы создаются быстро и просто, но, к сожалению, отсутствует возможность задания углов и привязок. Такой метод хорош для эскизного проектирования, а нам требовалось более точное построение. Для этого очень удобно создавать данные в Civil 3D, где построение максимально точное, четкое и быстрое. Так были созданы участки асфальтобетонного покрытия и зеленых насаждений, а также парковки, пешеходные дорожки и пр.

Для того чтобы «оживить» участок, мы воспользовались встроенными каталогами и добавили 3D­модели людей, автомобилей, трамваев, ограждений. Кстати, в программе предусмотрен большой выбор очень качественных 3D­объектов, разбитых по каталогам. Кроме того, эти каталоги можно дополнять собственными моделями.

Последним штрихом в создании модели стало размещение объектов растительности. В программе доступен встроенный каталог, содержащий большое количество деревьев и кустов. Отображение растительных элементов в модели очень красочное, поэтому пренебрегать ими не стоит. Добавлять деревья необходимо в последнюю очередь, так как из всех элементов именно для них требуется наибольшая производительность системы.

Для рядовой застройки использовались стандартные стили отображения фасадов

Для рядовой застройки использовались стандартные стили отображения фасадов

Анализ рельефа по высотным отметкам в расширенном диапазоне цветов. Тип палитры RGB

Анализ рельефа по высотным отметкам в расширенном диапазоне цветов. Тип палитры RGB

Анализ рельефа по высотным отметкам

Анализ рельефа по высотным отметкам

После создания модели нам предстояло сформировать ссылки на ряд объектов таким образом, чтобы при наведении на них мышкой запускались видеоролики. Эти видеоролики создавались путем запуска специализированной программы при построении модели и демонстрировали процесс построения каждого из ее элементов. Затем видео было смонтировано, а скорость клипов увеличена в несколько раз. Для добавления этих роликов к объектам была использована команда Подсказки.

В результате качественная и детальная модель района Сокольники была получена в течение двух недель. Данные Open Street Map имели существенные недостатки, тем не менее, их использование позволило достаточно быстро создать модель.

Что дает модель

Насыщенная информацией модель — это прекрасная основа для концептуального проектирования. Программа позволяет быстро смоделировать существующую подоснову практически при отсутствии исходных данных, и проектировать объекты в контексте окружающей среды, что в будущем позволит избежать множества ошибок. На вооружении у проектировщика имеется большой набор эффективных инструментов — например, инструменты для проектирования дорог позволяют создать оптимальный профиль дороги с учетом стоимости строительства в данной местности. Есть возможность вписывания кривых, переходных кривых, редактирования дороги на профиле и в 3D. Импорт 3D­моделей из таких программ, как Revit, 3ds Max и пр., позволяет вписать проект в существующую застройку. Удобное проектирование жилых застроек и кварталов сделает программу незаменимой для градостроителей. Программа позволяет создать несколько вариантов проекта в одном файле, сравнить их и выбрать оптимальный.

История Autodesk InfraWorks

Впервые InfraWorks был представлен пользователям как экспериментальный продукт Project Gallileo в начале 2011 года на Autodesk Labs. Уже тогда он привлек внимание многих проектировщиков простотой в использовании и красочными моделями. После успешного тестирования в «лаборатории» в 2011 году выходит самостоятельный коммерческий продукт Autodesk Infrastructure Modeler, который сразу же хорошо себя зарекомендовал в ходе выполнения первых проектов по созданию крупных инфраструктурных моделей. В 2013-м программа снова меняет свое имя и выпускается уже как Autodesk InfraWorks. Функционал программы значительно расширяется, и сегодня можно с уверенностью утверждать, что программа предназначена не только для моделирования существующей застройки, но и для полноценного концептуального проектирования. В  течение 2013 года программа несколько раз обновляется — выходят версии InfraWorks R2 и InfraWorks R3, в которых были исправлены недостатки первой версии. В 2014 году стал доступен новый продукт — InfraWorks 360 Pro, который существенно отличается от предыдущей версии, поскольку содержит мощные инструменты для проектирования мостов, дорог, имеет принципиально новый расширенный интерфейс и многое другое.

Важным этапом концептуального проектирования является анализ. Модель в InfraWorks позволяет получить большое количество необходимой информации. Есть возможность произвести анализ освещенности, затененности проекта, инсоляции. Кроме того, проводится анализ объектов модели по различным параметрам, например разделение зданий по цвету согласно этажности, численности населения, материалам и пр. Инструменты InfraWorks позволяют получить наглядную информацию о высотности рельефа, отметках, уклонах, а также результаты анализа территории на подтопление. Статистика рельефа дает информацию об объемах насыпи и выемки грунта. Использование этих данных позволяет быстро сформировать технико­экономическое обоснование проекта.

Модель InfraWorks отличается высокими презентационными качествами. Есть возможность выполнять визуализацию сцен, получать изображения заданного разрешения для печати полнометражных плакатов, получать красочные видеоролики с подписями, заголовками и водяными знаками. Для создания еще более профессиональных презентационных материалов возможен экспорт в 3ds Max в формате FBX.

Анализ по высоте зданий

Анализ по высоте зданий

После утверждения концепции в InfraWorks проект передается в Civil 3D для дальнейшей проработки и получения рабочей документации. Поверхности, трассы и профили без потерь информации импортируются в формате IMX. В итоге еще на этапе концептуального проектирования можно получить около 30% рабочей документации.

Возможности программы действительно впечатляют. Теперь в линейке продуктов Autodesk появился мощный инструмент, который способен не только создавать реалистичные модели инфраструктуры, но и решать ряд важнейших практических задач. Помимо традиционного представления проекта в виде 2D­чертежей, вы предоставите заказчику впечатляющую реалистичную модель проекта, что, несомненно, обеспечит вам конкурентное преимущество на стремительно развивающемся рынке услуг.

САПР и графика 3`2014