8 - 2005

SolidWorks в архитектуре и строительстве

Артем Аведьян

Проектирование мостов, дорог и элементов ландшафта

Проектирование зданий и промышленных объектов

Проектирование и анализ конструкций

Заключение

В областях архитектурного дизайна и строительного проектирования активно осваиваются новые информационные технологии, которые позволяют повысить качество выполняемых работ и становятся надежной основой для укрепления позиций проектных бюро на рынке промышленного и гражданского строительства. Преимущества электронной документации по сравнению с бумажной, как и неоспоримое превосходство объемного моделирования над плоскими чертежами, дают все основания утверждать, что использование современных программных решений позволяет достичь сокращения сроков проектирования, уменьшения количества ошибок, выявляемых на этапе строительно-монтажных работ, а также обеспечить надежное хранение документов, быстрый поиск информации и доступ к ней.

Строители знают, что при проведении конкурса на строительство того или иного объекта необходимо не только обеспечить полное соответствие проектной документации строго определенным нормативам, но и сократить сроки, снизить себестоимость работ, что на современном этапе развития науки и технологий уже практически невозможно себе представить без использования систем геометрического моделирования и компьютерной графики. Как следствие, растущая потребность в САПР обусловливает постоянный рост требований проектных организаций к программному обеспечению, причем как в области 3D-моделирования, так и в разработке проектной документации (2D-чертежей, спецификаций и т.п.). Наращивая год от года свои функциональные возможности, современные САПР уже на ранних этапах разработки проекта позволяют увидеть объемную модель здания или сооружения, вписанную в окружающий ландшафт, получить комплект чертежей, ассоциативно связанных с моделью и обновляемых при внесении в нее каких-либо изменений. Таким образом, САПР становятся неотъемлемыми рабочими инструментами архитекторов и проектировщиков.

В данной публикации мы рассмотрим особенности использования САПР SolidWorks в архитектурном и строительном проектировании. Мы остановимся не только на специфических функциях базового конструкторского пакета, позволяющих проектировать мосты и автомагистрали, здания и промышленные объекты, но и на интегрированных прикладных модулях SolidWorks, оказывающих помощь при проектировании и анализе различных строительных конструкций.

Проектирование мостов, дорог и элементов ландшафта

В распоряжении конструктора, работающего в базовом конструкторском пакете SolidWorks, имеется множество инструментов по объемному параметрическому моделированию. Традиционно считается, что они предназначены в основном для машиностроительного проектирования, однако проекты, выполненные нашими пользователями, свидетельствуют о том, что функционал SolidWorks подходит и для разработки серьезных проектов в области архитектуры и строительства. Приведем в качестве примеров некоторые из них.

Начнем с проекта реконструкции трассы Москва — Холмогоры (развязка участка Мытищи — Королев), выполненного специалистами инжиниринговой компании «Кремний» (г.Москва). В рамках проекта требовалось выполнить визуализацию проектируемой развязки с привязкой к реальной геоподоснове (рельефу местности), провести взаимную увязку и проверку соответствия плановых проекций на уровне 3D-модели (рис. 1), разработать фото- и видеоматериалы для демонстрации геометрической модели заказчикам. Проект стал финалистом конкурса «SolidWorks AWARD 2005» в номинации «Комплексный подход».

Разработанная модель состоит из совокупности твердотельных объектов (модели отдельных эстакад, дорожного полотна (существующего и проектируемого), зданий и архитектурных элементов) и криволинейных поверхностей, описывающих рельеф местности. По модели получены фотореалистичные изображения и видеоматериалы. В общей сложности на выполнение проекта затрачено четыре человеко-месяца (рис. 2).

В начало В начало

Проектирование зданий и промышленных объектов

При проектировании зданий важной составляющей процесса проектирования является архитектурная (дизайнерская) проработка проекта, требующая от САПР возможности описания внешних и внутренних форм будущего объекта. Для этого недостаточно создать интересные по форме геометрические объекты — требуется присвоить элементам 3D-модели текстуры соответствующих материалов из встроенной библиотеки текстур SolidWorks. Для получения фотореалистичных изображений могут быть также использованы возможности модуля PhotoWorks, входящего в пакет SolidWorks Professional.

В качестве примера приведем проект «Фасад развлекательного комплекса» (рис. 3), представленный на конкурс «SWR-Академия AWARD 2005» А.В.Луканцовым, МИИТ (г.Москва). Целью проекта ставилась разработка оригинального артдизайна развлекательного комплекса, создание трехмерной модели в системе SolidWorks и подготовка фотореалистичных изображений (вид на фасад здания и с других ракурсов) с помощью PhotoWorks. Технические особенности проекта: число компонентов в сборке — 740, деталей в сборке — 551, узлов — 189. Проект был выполнен за полтора месяца.

Другим интересным направлением использования САПР SolidWorks в строительном проектировании являются работы, проводимые на стыке решения технических и машиностроительных задач и учитывающие функциональное назначение проектируемых промышленных объектов. В качестве примера можно привести проект «Агрегат комбикормовый автоматизированный», разработанный специалистами ЗАО «ВИК «Тензо-М» (п. Красково Люберецкого р-на Московской обл.) и ставший финалистом конкурса проектов «SolidWorks AWARD 2003/2004» (рис. 4).

Другим примером проектирования промышленных объектов может служить проект «Комплекс УРП00.00.000» (рис. 5), разработанный специалистами ОАО «Гипроуглемаш» и предназначенный для угледобывающей отрасли. Головная сборка проекта состоит из 23 тыс. деталей; первый лист чертежа и модель концевой рамы: количество деталей — более 300, общий формат — четыре листа формата А1, количество видов, разрезов, сечений — 60.

С помощью SolidWorks были выполнены работы по проектированию составляющих частей комплекса и по взаимной увязке деталей и узлов и по окончательной сборке. На рис. 5 показаны такие узлы комплекса, как опора ленточного конвейера, место погрузки угля в вагоны, бункер-питатель передвижной, место сортировки и устройство натяжное конвейера.

Специально для предварительной подготовки монтажа изделия в SolidWorks были разработаны технологические карты и технологические схемы монтажа сложных составных частей изделия, поставляемых на монтажную площадку в разобранном виде. Изготовление и монтаж изделия происходили при непосредственном участии проектировщиков, что ускорило монтаж, упростило понимание конструкции и последовательности сборки изделия. Важно отметить, что практически безошибочная собираемость была достигнута благодаря предварительной компьютерной сборке виртуальной модели комплекса в среде SolidWorks. Выявленное на этапе сборки расхождение на 200 мм в местах сопряжения механизмов объекта невелико по сравнению с общей длиной комплекса, составляющей более 200 м. Количество ошибок, обнаруженных при изготовлении узлов, сконструированных с помощью SolidWorks, было в несколько раз меньше, чем количество погрешностей узлов, спроектированных карандашом или с помощью систем 2D-моделирования.

Описание функциональных средств SolidWorks было бы неполным без упоминания специальной функции «Камера» модуля Animator, входящего в пакет SolidWorks Professional, которая позволяет указать характеристики и траекторию движения камеры наблюдения для записи анимации (рис. 6). Благодаря ей проектировщик может создавать анимации, допускающие проникновение наблюдателя внутрь 3D-объектов, что бывает необходимо для демонстрации заказчикам новых проектов.

В начало В начало

Проектирование и анализ конструкций

Итак, в предыдущих главах мы рассмотрели ряд примеров того, каким образом могут быть использованы на практике функциональные возможности САПР SolidWorks по созданию объемных моделей мостов, дорог, зданий, промышленных объектов и элементов ландшафта. Однако мы не акцентировали внимание на том, что важной частью строительного проектирования являются конструктивно-силовая проработка и инженерный анализ несущих конструкций, а также прокладка технических коммуникаций. Поэтому в данной главе мы рассмотрим особенности проектирования сварных конструкций, железобетонных изделий, трубопроводов в среде SolidWorks и специальные возможности программного комплекса по выполнению различных видов инженерного анализа.

Проектирование сварных конструкций

Рамные и ферменные сварные конструкции находят широкое применение в промышленном и гражданском строительстве. Сварные фермы используются в силовых конструкциях подъемно-транспортной техники, радиобашен и мачт, в перекрытиях цехов и ангаров и т.п. Фермы по сравнению со сплошными балками более экономичны по затрате металла, им можно легко придать любую форму в соответствии с условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры; они относительно просты в изготовлении. Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках и, в зависимости от назначения, придают им различную конструктивную форму — от легких прутковых конструкций до тяжелых, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. К примеру, в строительстве наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы — как самые простые в изготовлении и монтаже.

Постоянный рост требований к качеству выполнения проектно-конструкторских работ, а также необходимость точного расчета массовых и прочностных характеристик сварных конструкций на этапе проектирования являются важными факторами, заставляющими проектировщиков применять в повседневной практике различные средства автоматизации. Этот вопрос особенно актуален, например, для ферм подвижных крановых установок и покрытий больших пролетов строительных сооружений, где уменьшение веса дает большой экономический эффект.

Все эти факторы обусловили появление в начале 2000-х годов в базовой конфигурации SolidWorks специального инструментария для проектирования сварных конструкций. Создание сварной конструкции проводится по любому набору плоских или трехмерных эскизов в файле детали. Такой подход позволяет использовать для детального проектирования компоновочные эскизы без сложной прорисовки конструктивно-силовой схемы. Любой профиль определяется параметрами «Стандарт» (ГОСТ, ISO или ANSI), «Тип» и «Размер». Каждый тип профиля включает несколько типоразмеров. Указав в графической области тот или иной эскиз и выбрав нужный профиль из списка, можно несколькими движениями мыши сформировать основание рамы (рис. 7).

К сварным элементам в SolidWorks относятся: сортамент (уголки, швеллеры, двутавры, трубы круглого, квадратного, прямоугольного сечения и т.д.), элементы разделки под сварку, концевые заглушки, косынки и элементы сварного шва. База данных профилей настраивается под конкретный набор типоразмеров профилей, используемых в производстве, и может быть пополнена пользователем. Компания SolidWorks-Russia поставляет лицензионным пользователям SolidWorks библиотеку сортамента по ГОСТ.

Сварная конструкция может состоять как из отдельных профилей, так и из набора узлов, что делает работу с моделью более удобной. Вновь создаваемые профили привязываются к линиям каркаса сварной конструкции и к уже существующим элементам рамы, причем возможны различные варианты взаимного сопряжения (обрезки или удлинения) профилей. Завершающим этапом создания 3D-модели сварной конструкции является добавление сварных швов. Швы могут быть рабочими или связующими, сплошными или прерывистыми. Сварному шву для улучшения зрительного восприятия автоматически присваивается текстура.

При оформлении чертежа сварной конструкции SolidWorks позволяет проставлять позиции на составляющие элементы (несмотря на то, что проектирование идет в файле детали) и составлять спецификацию на входящие в конструкцию составляющие. На чертеж может быть добавлена специальная таблица вырезов с указанием наименования и длин обрезаемых профилей. Элементы таблицы вырезов наследуют свойства пользователя от эскиза профиля и элемента сварной конструкции. Можно назначать новые свойства или изменять существующие. Например, можно добавить свойство «Масса» и связать его с массовыми характеристиками модели. Создание связи между двумя этими свойствами позволит программе SolidWorks рассчитать массу твердого тела и отобразить ее в таблице вырезов. Система также автоматически выполнит расчет свойства «Длина» и покажет его в таблице вырезов. Таким образом, SolidWorks имеет достаточный набор средств для проектирования рамных и ферменных металлоконструкций с использованием сварных соединений.

Проектирование железобетонных изделий

Для проектирования ЖБИ вполне можно воспользоваться стандартным инструментарием базового конструкторского пакета SolidWorks. Однако для значительного ускорения и упрощения работы существует специальный модуль, называемый StructureWorks (рис. 8). Он разрабатывается с 2003 года и является результатом интенсивной исследовательской работы консорциума StructureWorks LLC (www.structureworks.net), образованного лидерами американской промышленности сборных ЖБИ, компаниями Finfrock Industries (Орландо, Флорида), Rocky Mountain Prestress (Денвер, Колорадо) и PTAC Consulting Engineers (Пенсакола, Флорида).

StructureWorks базируется на технологиях ассоциативного параметрического моделирования и коренным образом изменяет и максимально автоматизирует технологию конструирования сборных ЖБИ. Сокращение времени проектирования достигается благодаря использованию расширяемой библиотеки типовых конструктивных элементов, поиску и подбору конструкционных материалов по спецификациям, просматриваемым в режиме реального времени. StructureWorks использует базу данных Microsoft SQL Server. Весь пакет проектной документации (чертежи, спецификации) создается на основе 3D-модели и автоматически обновляется в случае, если в модель вносятся какие-либо изменения (рис. 9).

Модуль StructureWorks адресован в первую очередь производителям ЖБИ для сборных панельных домов, однако, несомненно, он окажется полезен и другим специалистам, имеющим отношение к данному виду строительного бизнеса, — архитекторам, конструкторам, подрядчикам и эксплуатационщикам. Компании, уже взявшие на вооружение связку SolidWorks — StructureWorks, оценили экономию средств, достигнутую в результате сокращения проектной фазы и заметного уменьшения количества ошибок в выпускаемой документации.

Инженерный анализ строительных конструкций

В практике строительства часто возникают задачи оценки несущей способности и деформативности конструкций, зависящие от большого количества факторов. К таким факторам относятся многовариантный характер нагружения, сложные физические свойства материалов, особенности технологии изготовления и монтажа объектов, дефекты конструктивных элементов, приобретенные как во время изготовления, так и при эксплуатации сооружений. Поэтому судить о несущей способности можно только после большого количества расчетов, испытаний материалов и фрагментов конструкций.

SolidWorks предлагает мощные средства компьютерного моделирования и инженерного анализа характеристик строительных конструкций, позволяющие значительно продвинуться в решении этой задачи. В первую очередь к ним можно отнести функцию COSMOSXpress, входящую в базовый конструкторский модуль и предназначенную для быстрого анализа прочностных характеристик проектируемых блоков. Во-вторых, одним из серьезных и функциональных средств анализа является специализированный модуль COSMOSWorks, предназначенный для выполнения детальных расчетов с учетом различных факторов нагружения, оптимизации конструкции и вариантов решения задач. Работа COSMOSXpress показана на рис. 10.

В качестве примера использования COSMOSWorks в строительном проектировании можно привести работы по реконструкции несущих стен сцены Театра оперы и балета в Самаре, работы по исследованию прочностных характеристик многослойных стеновых панелей для сборных панельных домов, а также работы по созданию методик использования COSMOSWorks для проектирования быстровозводимой опалубки для отливки монолитных бетонных зданий, которые были выполнены специалистами лаборатории технологии и качества строительства ОАО «Оргтех­строй» и Самарской государственной архитектурно-строительной академии (результаты исследований приведены в статье «Моделирование строительных конструкций при оценке их несущей способности, совершенствовании технических решений и проведении испытаний» Г.Вайнгартена, В.Грачева и Ю.Найштута).

Проектирование трубопроводов

Для проектирования трубопроводов в пакете SolidWorks Premium предусмотрен специальный модуль, получивший название Routing (рис. 11). Модуль позволяет выполнять трехмерную прокладку трасс трубопроводов в сборочных моделях SolidWorks. Routing включает библиотеку стандартных изделий, которая содержит более 1700 стандартизованных деталей и узлов с различными вариантами исполнения. Библиотеку можно пополнять (предусмотрена возможность создания пользовательских библиотек элементов или добавления их в стандартную).

Пользователи Routing могут проектировать как типовые, так и гнутые или гибкие трубопроводы. SolidWorks не только автоматически вычислит длину каждого такого сегмента, но и автоматически создаст таблицу гибов для передачи ее на трубогибочный станок. Как и любые другие объекты SolidWorks, все отчетные таблицы, создаваемые в модуле проектирования трубопроводов, ассоциативно связаны с реальным трехмерным проектом и автоматически корректируются при каждом внесении изменений. Разумеется, все отчетные таблицы могут быть отображены на чертеже трубопровода. Используя данные функциональные возможности, пользователи системы могут моделировать не только металлические гнутые трубопроводы — например змеевики систем охлаждения, — но и разного рода гибкие шланги — например, подводные шланги гидравлических и пневматических систем. Гнутые элементы могут стыковаться с прямыми или другими гнутыми трубами в любом порядке и в любом сочетании как с использованием трубопроводной арматуры, так и с помощью сварки. Более того, при необходимости для каждого стандартного библиотечного элемента трубопроводной арматуры можно задать, какие его точки должны стыковаться только с гнутыми, а какие — только с традиционными трубами. Так можно создать, например, фитинг для стыковки отвода трубопровода с гибким шлангом.

В начало В начало

Заключение

Итак, мы сделали краткий обзор основных решений в области строительного проектирования на базе САПР SolidWorks. Из всего вышеизложенного следует, что SolidWorks позволяет построить достаточно гибкий комплекс автоматизации работ для проектных организаций. За справками и более подробными описаниями упомянутых в статье программных продуктов можно обращаться в компанию SolidWorks-Russia — наши специалисты будут рады ответить на ваши вопросы.

В начало В начало

САПР и графика 8'2005