АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУСТОРОННЕЙ ИНТЕГРАЦИИ ДАННЫХ МЕЖДУ САПР В СРЕДЕ BIM-ТЕХНОЛОГИЙ

АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУСТОРОННЕЙ ИНТЕГРАЦИИ ДАННЫХ МЕЖДУ САПР В СРЕДЕ BIM-ТЕХНОЛОГИЙ

КУКУШКИН ИГОРЬ СЕРГЕЕВИЧ

Аннотация. В статье рассматривается технология информационного моделирования зданий на основе системы двусторонней интеграции данных между различными программными продуктами. Разработана схема процесса проектирования разделов конструктивных решений. На основе схемы выведены графы обработки информации в зависимости от используемого метода проектирования. Произведен анализ использования технологии двусторонней интеграции данных с помощью графа обработки основных потоков информации. Основным критерием анализа являются необходимые трудозатраты в сравнении с традиционными методами проектирования

Ключевые слова: технология информационного моделирования, марковский процесс, граф обработки основных потоков

2022-08-08

Рубеж конца ХХ - начала XXI веков, связанный с бурным развитием информационных технологий, ознаменовался появлением принципиально нового подхода в архитектурно - строительном проектировании, заключающемся в создании компьютерной модели нового здания, несущей в себе все сведения о будущем объекте - Building Information Model (BIM) [1].

Процессы и технологии информационного моделирования эволюционировали на протяжении нескольких десятилетий и берут свое начало задолго до рождения многих современных гуру BIM-моделирования. Понятие Информационной модели здания, в которое вошли идеи параметрического проектирования, было впервые предложено профессором Технологического института Джорджии Чаком Истманом (Chuck Eastman) в 1975 году в журнале Американского Института Архитекторов под рабочим названием Building Description System (Система описания здания).

В его трудах [2] информационное моделирование зданий (BIM) обозначается как наиболее перспективная разработка в сфере архитектуры, проектирования и строительства (ACE). С помощью BIM – технологий возможно создание более точной виртуальной модели здания. Технология поддерживает представление конструкции в любом ее состоянии, что позволяет точнее проводить анализ и контроль, чем с использованием технологии черчения в плоскости. Информационная модель содержит все данные, необходимые для строительства, изготовления и закупки материалов. 

В США по оценкам экспертов около 71% проектно-строительных организаций используют BIM технологи. Компании, использующие технологии информационного моделирования напрямую связывают свои финансовые успехи с решением о внедрении BIM и планируют наращивать долю применения этой технологии. [3].
В 2009 г. компания McGraw-Hill Construction провела опрос среди действующих американских строительных компаний. По результатам, которого 41% опрошенных посчитали, что прибыль увеличилась за счет внедрения BIM [4].
Одно из направлений развития BIM - технологий является разработка методов связи различных автоматизированных систем, в результате использования которой исключаются ошибки, разногласия между разноплановыми отделами, занимающимися проектированием определенного объекта. Система двусторонней интеграции, описанная в статьях [5, 6] подразумевает передачу трехмерной модели между разными САПР с определенными свойствами (геометрия, материалы, профиля). Для передачи дополнительных свойств, таких как нагрузки, как правило используются внешние программы-утилиты или макросы [7].
Необходимо произвести оценку системы двусторонней интеграции в сравнении с существующими методами проектирования исходя из трудозатрат, необходимых для ее использования.
Выделим из общего процесса проектирования традиционную технологию проектирования разделов конструктивных решений (КМ, КМД, КЖ и КЖИ) в виде следующей схемы (рис. 1).

Рис. 1. Схема процесса проектирования.

В действительности можно выделить четыре вида деятельности: 1 – подготовка исходных данных, 2 – непроизводственные процессы (анализ, согласование и утверждение), 3 – разработка графической части, 4 – аналитическая часть (расчетная).

Произведем оценку трудоемкости рассматриваемой технологии при использовании двухмерных систем автоматизированного проектирования (2D CAD) и расчетных комплексов (CAE); трехмерных информационных систем автоматизированного проектирования (3D CAD) и расчетных комплексов (CAE); трехмерных информационных систем автоматизированного проектирования (3D CAD) в связке с расчетными системами (CAE). Оценка будет производится с помощью графа обработки основных потоков информации [8].

Рассматривается граф, удовлетворяющий следующим условиям: 

  • имеется только одна начальная и только одна конечная вершина;
  • для каждой вершины, кроме начальной, существует по крайней мере один путь, ведущий в эту вершину из начальной; 
  • выход из любой вершины должен вести только к одной вершине графа;
  • при любых значениях логических условий существует путь из начальной вершины в конечную, при этом любому фиксированному набору значений условий соответствует только один такой путь. 

Кроме этого любому программному комплексу всегда можно поставить в соответствие граф алгоритма, удовлетворяющий указанным условиям. Расчет трудоемкости позволяет определить количество информации, проходящее через основные вершины. Если в некоторой вершине графа проверяются условия и выполняются действия, то такую вершину условно разделяют на две: в одной вершине только проверка условий, в другой - только выполнение действий. Если в какой-то вершине графа наряду с функциональными действиями производится прием (ввод) и выдача (вывод) информации, то такая вершина условно делится на функциональную вершину, вершину приема (ввода) информации и вершину выдачи (вывода) информации.

Для оценки трудоемкости процесса обработки информации разбивается множество вершин графа на классы К0, К1 ..., Кn. К0 - класс основных вершин (функциональные вершины и вершины условий), Кi - вершины ввода-вывода информации i-го типа (i = 1, ..., n).      К0 = {V1, V2, …, Vn}, Кi = {Wi1, Wi2, …, Win}.

При обработке информации в основной вершине Оi выполняется некоторое количество операций ki. При приеме или выдаче информации в вершине Wh можно определить среднее количество передаваемой информации qi. Вершина с условием (предикатная вершина) определяет порядок перехода к другим вершинам. Этот переход можно рассматривать как случайное событие и характеризовать его вероятностью.

Через Рij обозначается вероятность перехода из вершины с номером i в вершину с номером j. Переход выполняется по дуге (i, j). Процесс обработки информации не может приостановиться в вершине i, не являющейся конечной, поэтому с вероятностью 1 произойдет переход к какой-либо вершине графа. С учетом этого вероятности переходов должны отвечать условию:

Формула (1)

Если через К обозначить объединение вершин всех классов, то вершин получится R+2.

Формула (2)
Формула (3)

где: v0 - начальная вершина, vR+1 - конечная вершина.

При допущении, что процесс обработки информации, соответствующий графу, является марковским процессом [9], среднее число обращений nj, (j = 1, …, R) к вершинам vj определяется корнями системы линейных алгебраических уравнений.

Формула (4)

где δ1i = 1 при i = 1, δ1i = 0 при i ≠ 1.

Уравнения строятся следующим образом. Значение ni будет равно по крайней мере 1, если процесс начинается от вершины 1. В остальных случаях процесс попадает в вершину vi только из других вершин vj, (j = l,..,R) с вероятностями Рij. Если процесс находился в вершине j ni раз и Pij ≠ 0, то процесс из этой вершины попадет в вершину i в среднем Рijnj раз. Суммированием значений Рijnj по всем j находится число попаданий процесса в вершину i из всех других вершин j.

После определения ni можно определить среднее количество информации, обрабатываемой в вершине, среднее число операций, выполняемых в одной вершине, среднее число операций в сети при ее инициализации r0), среднее число обращений к информации i-то типа (Ni), среднее количество информации i-го типа, передаваемое при одном обращении (СКИi).

Характеристики Сr0Ni, СКиi вычисляются по следующим формулам:

Формула (5)
Формула (6)
Формула (7)

Количество элементарных операций в вершинах графа зависит от количества действий, выполняемых проектировщиком при обработке информации (расчетов, сравнения, анализа, запросов, поиска и т.д.). Вероятность перехода из одной вершины в другую принимается исходя из практики современных проектных институтов.

Условно принимаем за элементарное действие – действия проектировщика, адекватные выполнению вычислений по уравнению средней сложности, или действия, адекватные нанесению на чертеж или занесению в модель элемента. Таким образом можно с определенной степенью приближения оценить количество действий в каждой вершине графа (рис. 2).

Рис. 2. Граф, соответствующий технологии проектирования (0 – вод задания на разработку; 1 – ввод исходных данных и необходимой документации; 2 – ввод типовой проектной документации; 3 – ввод данных из проектов аналогов; 4 – анализ введенных данных; 5 – результат анализа (прототип найден или нет); 6 – разработка графической конструктивной схемы объекта; 7 – определение нагрузок; 8 – определение материалов; 9 – ввод приближенных сечений конструктивных элементов; 10 – согласование; 11 – разработка расчетной конструктивной схемы; 12  - ввод данных по сечениям; 13 – ввод данных по материалам; 14 – ввод данных по нагрузкам; 15 – ввод связей; 16 – расчет и анализ результатов; 17          - оформление результатов расчета; 18    - уточнение графической конструктивной схемы; 19 – ввод системы маркировок; 20 – конструирование узлов; 21 – расчет ведомостей и спецификаций; 22 – оценка разработанного проекта на соответствие заданию; 23 – утверждение)

Количество элементарных действий в соответствии с принятой шкалой их оценки по этапам разработки представим исходя из создания элементарной конструктивной модели, состоящей из 100 конечных стержневых элементов и сведем в таблицу 1.

№ операцииНаименованиеКоличество элементарных действий
2D CAD+CAE3D CAD+CAE3D CAD↔CAE
0Ввод задания на разработку151515
1Ввод исходных данных и необходимой документации202020
2Ввод типовой проектной документации202020
3Ввод данных из проектов аналогов202020
4Анализ введенных данных101010
5Результат анализа (прототип найден или нет)111
6Разработка графической конструктивной схемы объекта100100100
7Определение нагрузок202020
8Определение материалов5100100
9Ввод приближенных сечений конструктивных элементов20100100
10Согласование111
11Разработка расчетной конструктивной схемы250250

50

полувтомат.

12Ввод данных по сечениям100100автомат.
13Ввод данных по материалам100100автомат.
14Ввод данных по нагрузкам2020автомат.
15Ввод связей200200

100

полувтомат

16Расчет и анализ результатов202020
17Оформление результатов расчета111
18Уточнение графической конструктивной схемы100100

50

полувтомат.

19Ввод системы маркировок100автомат.Автомат.
20Конструирование узлов200

100

полувтомат.

100

полувтомат.

21Расчет ведомостей и спецификаций300автомат.Автомат.
22Оценка разработанного проекта на соответствие заданию202020
23Утверждение111
Таблица 1. Количество элементарных действий в соответствии со шкалой их оценки.

Система уравнений для расчета количества проходов через вершины при обработке информации в соответствии с рис. 2 будут иметь вид:

  • для графа 2D CAD+CAE
Формула (8)
  • для графа 3D CAD+CAE
Формула (9)
  • для графа 3D CAD↔CAE
Формула (10)

Решение систем уравнений и расчет общего количества операций технологии проектирования сведем в таблицу 2.

№ Операции2D CAD+CAE3D CAD+CAE3D CAD↔CAE
KNK x NKNK x NKNK x N
0151151511515115
1201,1122,2201,1122,2201,1122,2
2201,1122,2201,1122,2201,1122,2
3201,1122,2201,1122,2201,1122,2
4101,1111,1101,1111,1101,1111,1
511,111,1111,111,1111,111,11
61001,141141001,141141001,14114
7201,1422,8201,1422,8201,1422,8
851,145,71001,141141001,14114
9201,1422,81001,141141001,14114
1011,141,1411,141,1411,141,14
112501,03257,52501,03257,5501,0351,5
121001,031031001,0310301,030
131001,031031001,0310301,030
14201,0320,6201,0320,601,030
152001,032062001,032061001,03103
16201,0320,6201,0320,6201,0320,6
1711,031,0311,031,0311,031,03
181001,031031001,03103501,0351,5
191001,0310301,03001,030
202001,032061001,031031001,03103
213001,0330901,03001,030
22201,0320,6201,0320,6201,0320,6
23111111111
  Итого1714,58 Итого1399,08 Итого811,98
K - Количество элементарных действий
N - количество проходов через вершины при обработке информации
Таблица 2. Решения систем уравнений

Исходя из данных расчетов очевидно, что при внедрении технологии трехмерного информационного моделирования производительность увеличивается на 18,4% по сравнению с традиционным двухмерным конструированием, а при внедрении технологии двусторонней интеграции между системами автоматизированного проектирования – на 52,6%.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Талапов, В.В. Основы BIM: введение в информационное моделирование. / Талапов В.В. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 392 стр.
  2. Eastman, C. BIM Handbook. A guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers and contractors [BIM справочник. Справочник информационного моделирования зданий для застройщиков, менеджеров, дизайнеров, инженеров и подрядчиков] / Chuck Eastman, Paul Teicholz, Rafael Sacks, Kathleen Liston – 2nd ed. - John Wiley & Sons, Inc., 2011. – 634 p.
  3. Селютина, Л.Г. Конкурентные процессы в современном строительстве / Вестник ИНЖЭКОНа. – 2013. – № 1(60). – С.101-106.
  4. Green BIM. How Building Information Modeling is Contributing to Green Design and Construction [«Зеленый» BIM. Как информационное моделирование зданий способствует развитию «зеленого» проектирования и строительства] – McGraw-Hill Construction, 2010.
  5. Кукушкин И.С. Реализация двусторонней связи между программными комплексами Tekla Structures и SCAD Office v.21 / Промышленное и гражданское строительство. г. Москва. 2014г. № 9 С. 63-65
  6. Кукушкин И.С., Любимов И.Ю. Современные методы проектирования объектов при использовании технологии связи SP3D - TEKLA Structures - Расчетный САПР / Сфера. Нефть и газ. г. Москва. 2014г. №1(39).С. 76-77
  7. Кукушкин И.С., Любимов И.Ю., Письмеров К.А. Пути автоматизации процесса передачи нагрузок в TEKLA Structures при проектировании промышленных объектов / САПР и графика. г. Москва. 2015г. №1. С. 36-37
  8. Ильичев, Н.Б. Технологии проектирования тепловых электростанций и методы ее компьютеризации. / Ильичев Н.Б., Ларин Б.М., Мошкарин А.В., Салин А.Г., Серов В.А., Сокоушин Г.И., Целищев Е.С.; Под ред. Нуждина В.Н., Мошкарина А.В. – М.: Энергоатомиздат, 1997. – 234 стр.
  9. Тихонов, В.И. Марковские процессы / Тихонов В.И., Миронов М.А. – М.: «Сов. радио», 1977. – 488 стр.