Modelowanie 3D

Przykłady opisania obiektów za pomocą siatek (dwa pierwsze) i powierzchni NURBS w programie Rhinoceros
Rys. Paweł Przybyłowicz

Modelowanie 3D nie wyparło całkowicie technik 2D, które są z powodzeniem nadal stosowane w projektowaniu. Jednak nowe technologie, takie jak opisywany w poprzednich numerach „Informatyki w Budownictwie” BIM (Building Information Modeling) nie mogą się obejść bez trójwymiarowej prezentacji projektowanych elementów, a stopniowe adaptowanie tych technologii w projektowaniu będzie wypierało dotychczasowe rozwiązania 2D.

Wspomaganie projektowania w technice 2D przez wiele lat było podstawowym narzędziem ułatwiającym pracę projektantom różnych branż. Łatwe wdrażanie tej techniki wynikało z bezpośredniego nawiązania do tradycyjnego sposobu pracy. Aplikacje 2D CAD zastąpiły dotychczas wykorzystywane deski kreślarskie odwzorowując związane z nimi procesy projektowania jednocześnie znacznie je unowocześniając poprzez ułatwienie i przyspieszenie wprowadzania zmian, zwiększenie dokładności, wykorzystanie elementów powtarzalnych lub automatyzację działań związanych np. z wymiarowaniem. Taki sposób pracy wiąże się jednak z wieloma ograniczeniami wynikającymi z konieczności ciągłego transformowania trójwymiarowych idei projektowych na dwuwymiarowy system zapisu i w drugą stronę w celu oceny zgodności z zamysłem projektanta.

Wprowadzenie modelowania 3D pozwoliło na trójwymiarowy zapis poszczególnych etapów pracy i zrozumienie wielu zagadnień i problemów występujących w projektowaniu. Ułatwiło również komunikację pomiędzy wszystkimi uczestnikami procesu projektowego.

Z uwagi na konieczność wykorzystania dużej ilości informacji związanych z trójwymiarową prezentacją projektowanych obiektów rozwój modelowania 3D uzależniony był od mocy obliczeniowej komputerów oraz technik informatycznych zapisu i przetwarzania elementów trójwymiarowych. Dynamiczny rozwój sprzętu komputerowego spowodował upowszechnienie się rozwiązań 3D w programach CAD. Sposób ich realizacji uzależniony był od potrzeb użytkowników i wymagań poszczególnych dziedzin projektowania. Powstały wyspecjalizowane programy i techniki modelowania dedykowane dla architektów, konstruktorów, instalatorów, projektantów mechaniki lub projektów wzornictwa przemysłowego. Aktualnie modelowanie 3D jest nieodłącznym elementem wszystkich aplikacji CAD. Nie oznacza to jednak powszechnego wykorzystania tej techniki wśród projektantów, z których duża grupa nadal korzysta tylko z rozwiązań 2D.

Zapis modeli trójwymiarowych
Każda z dziedzin projektowania wymaga odpowiedniego sposobu zapisu elementów modelu trójwymiarowego. Podstawową techniką wykorzystywaną w tym zakresie jest zastosowanie siatek wieloboków. Obiekty trójwymiarowe zapisywane są w postaci wielu połączonych ze sobą wieloboków trójkątnych lub czworokątnych. Sposób zapisu przy pomocy siatek ma wiele zalet i jest najbardziej rozpowszechniony wśród programów CAD. Podstawową jest ich prostota i wnikająca z niej łatwość modyfikacji i przekształcania. Problemem jest natomiast zależność pomiędzy dokładnością powierzchni obiektu a wielkością i ilością elementów siatki. Ma to niewielkie znacznie w przypadku modelowania obiektów o prostych kształtach wykorzystywanych w architekturze lub budownictwie. Nie nadaje się jednak do odwzorowania wielu swobodnych kształtów związanych z projektowaniem części mechanicznych lub wzornictwa przemysłowego, w których dokładność odwzorowania kształtu jest niezwykle istotna.

Pomocą jest w tym przypadku wykorzystanie kolejnego sposobu opisu obiektów geometrycznych – krzywych i powierzchni NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline). Jest to technika wykorzystująca matematyczny opis krzywych i powierzchni. Obiekty przedstawione w ten sposób są płynne, a ich dokładność nie jest już uzależniona od gęstości opisującej je siatki. Ten rodzaj powierzchni jest głównie stosowany w przypadku oprogramowania wspomagającego projektowanie elementów przemysłowych, jachtów lub biżuterii. Przykładem programu wykorzystującego tę technologię jest Rhinoceros firmy Robert McNeel & Associates. Zastosowanie matematycznego opisu powierzchni pozwoliło również na rozwój narzędzi modelowania parametrycznego i generatywnego wykorzystującego metody algorytmiczne w tworzeniu obiektów trójwymiarowych. Narzędzia takie pozwalają na zastosowanie algorytmów i metod programistycznych w modelowaniu obiektów trójwymiarowych. Poprzez specjalnie opracowane interfejsy graficzne funkcje te dostępne są również dla użytkowników nie znających języków programowania np. w przypadku wtyczki Grasshopper3D do programu Rhinoceros. Należy pamiętać, że akceleratory grafiki 3D w kartach graficznych optymalizowane są jedynie pod kątem przetwarzania trójkątów. Dlatego, niezależnie od źródłowego sposobu zapisu geometrii, aby skorzystać ze wsparcia sprzętowego podczas jej wyświetlania musi ona zostać przetworzona na zbiór trójkątów. W praktyce dzisiejsze karty graficzne potrafią wyświetlić wiele milionów trójkątów na sekundę.


Modelowanie w technologii BIM. Przykład instalacji powstałej w dodatku Graphisoft MEP Modeler do programu ArchiCAD 16
Fot. Graphisoft

Technologia BIM
Możliwość trójwymiarowej prezentacji projektowanych obiektów jest podstawowym narzędziem związanym z technologią BIM w projektowaniu. Polega ona na tworzeniu pełnego modelu przestrzennego i informacyjnego budynku, i była już wielokrotnie opisywana na przykładzie programu ArchiCAD 16 firmy Graphisoft. Modelowanie 3D jest podstawowym narzędziem pozwalającym na koordynację pomiędzy elementami budynku i projektami branżowymi. Idea BIM wymaga, aby wszystkie elementy budynku takie jak elementy architektoniczne, konstrukcyjne oraz instalacje były reprezentowane przez obiekty 3D dokładnie przedstawiające ich realne wielkości i położenie. Koordynacja międzybranżowa polega na zestawieniu poszczególnych modeli i kontroli ich pod kątem występowania wzajemnych kolizji. Z uwagi na różnorodność aplikacji wspomagających projektowanie w technologii BIM konieczne jest wykorzystanie wspólnego formatu zapisu i wymiany plików. Powinien on nie tylko uwzględniać informacje przestrzenne o elementach architektonicznych i konstrukcyjnych ale również informacje o strukturze wewnętrznej, przeznaczaniu, lokalizacji i powiązaniach z innymi elementami modelu. W tym celu opracowany został format zapisu IFC, którym posługuje się większość aplikacji BIM w tym ArchiCAD 16.

W programie ArchiCAD 16 znajduje się wiele narzędzi wykorzystujących różne rodzaje modelowania 3D. Oprócz standardowych narzędzi architektonicznych takich jak ściany, stropy, słupy i belki dostępne są narzędzia umożliwiające swobodne modelowanie obiektów. Należą do nich powłoki i narzędzie kształt. Pozwalają one na tworzenie elementów budynku o dowolnych kształtach. Potem mogą być one klasyfikowane jako poszczególne elementy budynku i odpowiednio przetwarzane przez programy branżowe.

***
Podsumowując, modelowanie 3D stanowi podstawowe narzędzie wspomagające projektowanie we wszystkich jego dziedzinach. Pozwala na wykorzystanie nowych możliwości w zakresie procesów projektowania i koordynacji międzybranżowej. Wykorzystywane jest również w wielu innych zaawansowanych zastosowaniach budowlanych takich jak symulacja budowy i cyfrowy plac budowy. Całkowite zastąpienie dotychczasowych technik 2D przez technologie związane z modelowaniem 3D takie jak BIM jest tylko kwestią czasu i będzie miało duży wpływ na rozwój rynku budowlanego. 

mgr inż. arch. Paweł Przybyłowicz
Wydział Architektury
Politechniki Warszawskiej
prezes i współwłaściciel
BIMTeam Sp. z o.o.


CZYTAJ WIĘCEJ

Projektowanie nawierzchni w 3D
Inwestycja realizowana z wykorzystaniem skanowania laserowego 3D

---