Що таке 3D-моделювання в галузі архітектури, інжинірингу та будівництва

Інженери використовують 3D-інструменти проектування для моделювання існуючих умов, створення об'єктів і компонентів, а також для аналізу впливу проектів.

До появи комп'ютерного проектування (CAD) фахівці в галузі архітектури, інжинірингу та будівництва (AEC) застосовували різні методи для зображення своїх проектів у тривимірному вимірі. Багато хто користувався простими креслярськими прийомами для отримання різних видів дизайну будівель і споруд: зазвичай планами, фронтальними і боковими виглядами.

Дизайнерів транспорту та інфраструктури, які часто працюють над довгими проектами, зазвичай використовували плани або профілювальні листи, де зображено одночасно верхній та фронтальний види. Для забезпечення перпендикулярних виглядів часто створювались перетини в обраних місцях. Ті, хто мають художнє бачення, створювали 3D-візуалізації, використовуючи ізометричні або косі перспективи. Спочатку ці візуалізації малювались вручну та допомагали клієнтам та не технічним слухачам уявити проекти без потреби розуміння складних креслень. Деякі розробники також виготовляли зменшені фізичні моделі для пояснення тривимірних концепцій.

Сьогодні, у XXI столітті, CAD став стандартним для проектування та креслення. З поширенням CAD більшість інструментів стали включати базові інструменти для 3D-моделювання й проектування, багато з них додали функції анімації та візуалізації. Додаткові програми дозволили створювати фотореалістичні зображення, відкриваючи шлях для нових технологій, таких як цифрові двійники, архітектурне інформаційне моделювання (BIM) та віртуальна й доповнена реальність (VR/AR).

Визначення 3D-моделювання може варіюватися, але для AEC це процес створення математичної моделі одного або кількох тривимірних об'єктів. Ця цифрова модель використовується для проектування, аналізу, візуалізації і комунікації концепцій проекту.

Основні види 3D-моделей включають каркасні, поверхневі та твердотільні моделі. Каркасні моделі показують скелетну структуру об'єктів, зв'язані точки та лінії. Поверхневі моделі використовують полігональні сітки для ілюстрації поверхонь. Твердотільні моделі відображають як зовнішню, так і внутрішню частини конструкцій.

Розглянемо, як 3D-моделювання використовується в різних етапах AEC-проектів.

Моделювання існуючих умов

Перший важливий етап у більшості AEC-проектів – збір інформації про наявні умови. Це включає проведення спеціалізованих обстежень для картографування місцевості та наявних об'єктів. Спеціалісти в AEC можуть використовувати різні методи збору даних, від традиційних наземних обстежень до LiDAR (лазерне сканування), фотограмметрії та GNSS (глобальна навігаційна супутникова система).

Незалежно від обраного методу збору, для проектування більшості споруд потрібна тривимірна інформація. Це може бути базова топографічна карта з контурами або цифрова модель, яку можна переглядати з різних кутів і отримувати детальну інформацію про обрані місця.

Однією з найбільш поширених моделей для відображення поверхонь є трикутна неправильною мережею (TIN). TIN створюється шляхом з'єднання набору точок між собою для формування мережі трикутників. Це дозволяє зобразити елементи, такі як хребти, долини та випадкові точки.

Проектування в 3D

З початку XXI століття 3D-моделювання стало суттєвим елементом проектування в AEC. Сучасні проекти більше не створюються в трьох різних проекціях; замість цього, фахівці можуть проектувати компоненти в 3D, використовуючи CAD та BIM-інструменти. Ці елементи можуть переглядатися з різних кутів, а також використовуватися для співпраці з іншими дизайнерами, підрядниками та замовниками. Агентства з перевірки також дедалі частіше використовують 3D-моделі для затвердження проектів.

Початкові версії 3D-моделювання стартували з того, що фахівці CAD креслили прості лінії та фігури, поступово перетворюючи їх у 3D-об’єкти, такі як куби, циліндри та кулі. Потім було можливо використовувати 3D-інструменти для удосконалення дизайну, додаючи точки та регулюючи їх розташування.

У міру розвитку технологій, CAD і BIM програми почали впроваджувати інтелектуальні об'єкти — стіни, двері, вікна, балки й колони для будівель. Спеціалізоване програмне забезпечення для транспорту пропонувало компоненти, як-то бордюри, огорожі, дренажні системи та інші елементи. Тепер дизайнерам більше не потрібно було малювати ці компоненти вручну — їх можна було імпортувати из середовища проектування на основі заданих чи індивідуальних параметрів. Інтелектуальні об'єкти можуть також використовуватись спільно з програмами для проектування та аналізу з метою визначення їх розмірів та взаємодії з іншими системами.

Впровадження BIM та функціонування

Запровадження BIM надало нові можливості у галузі AEC, оскільки дизайнери, будівельники та замовники почали використовувати не лише геометричні дані, пов'язані з CAD-моделями. З’єднуючи номера деталей, специфікації та інші дані з CAD-об'єктами, моделі стали ще більш інтелектуальними. Трудомісткі задачі, такі як підрахунок кількості деталей, стали автоматизованими.

Сучасні концепції цифрових двійників наростають популярністю, дозволяючи шановним активно використовувати BIM-дані для актуалізації проектів у режимі реального часу, що сприяє прийняттю рішень у рамках експлуатації. Механічні системи, такі як насоси чи двигуни, можуть моделюватись та аналізуватись у 3D- середовищах, що дозволяє управляти ними на основі фактичних умов та визначати час обслуговування.

Поєднання математичного та графічного моделювання

Навіть до появи CAD та BIM, фахівці AEC використовували різні моделі для проектування та аналізу споруд та водних ресурсів. Наприклад, проектувальники мостів користувались методом скінченних елементів для розрахунку напруг у мостах. Сучасне програмне забезпечення дозволяє поєднувати математичне і графічне моделювання, демонструючи 3D-види мостів, де елементи умовно підкреслено для показу напруги.

Гідравлічний аналіз річок також скористався 3D-моделюванням. Раніше інженери для своїх аналізів використовували програмне забезпечення, що давало обширні дані для гідрологічного аналізу. Сьогодні ці технології інтегрують графічні візуалізації, які демонструють поведінку води у певних умовах. Інженери, об'єднуючи аналітичні дані з 3D_TOP, можуть наглядно показати області затоплення під час штормових подій.

Подібні 3D-техніки використовуються для аналізу систем розподілу води в містах, енергоспоживання в будівлях та оцінки вуглецьового сліду інфраструктурних проектів, допомагаючи AEC-фахівцям швидше оцінювати різні варіанти дизайну.

Новітні технології розширили можливості AEC-моделювання. Такі технології, як VR/AR, сприяють створенню інтерактивного досвіду для дизайнерів, де можна візуалізувати дані 3D-моделювання безпосередньо під час розробки. 3D-моделі можуть також інтегруватися зі строками та витратами, створюючи 4D і 5D моделі, які дозволяють цифрово слідкувати за проектами до їх фізичного будівництва. Штучний інтелект також надає нові можливості, коли його інструменти взаємодіють з моделюванням, генеруючи нові концепції проектів.

Попри всі доступні цифрові інструменти, роль людини лишається критично важливою. Проекти AEC залишаються здебільше прив'язаними до конкретних місцевостей, що вимагає людської участі для оптимально прийняття рішень. 3D-моделювання та пов'язані інструменти є лише засобами, які потребують нагляду з боку фахівців для ефективного використання.