ЗАДАЧ ПОДГОТОВКИ СТРОИТЕЛЬНОЙ ОСНАСТКИ В МОНОЛИТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САПР AUTOCAD ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ
    ЗАДАЧ ПОДГОТОВКИ СТРОИТЕЛЬНОЙ ОСНАСТКИ В
            МОНОЛИТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

    Лешихина И. Е., Пирогова М. А., Мальцева Е. Ю., Хохлова О. И.

 (ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»,
                       Москва, Россия)

  Сегодня в монолитном строительстве весьма актуальна задача
автоматизации проектирования строительной оснастки. Одним из
важнейших элементов такой оснастки является опалубка. Планирование
опалубки позволяет повысить эффективность использования опалубочных
элементов.
  Существует множество специализированных САПР в области
строительства и архитектуры (AEC), а также решений на базе САПР
общего назначения, которые решают задачу планирования опалубки. Это
такие известные в свей области системы, как PERI CAD, Doka, программа
Euroschal компании "Schewe", ее отечественная версия «Евроопалубка» и
др.
  Эти программные продукты имеют широкий функционал и позволяют
получать оптимальные решения по различным критериям. Однако
производитель конкретной опалубочной системы заинтересован в
использовании в проекте именно его опалубки и часто стремится
поставить на рынок не только опалубку, но и автоматизированные
средства ее планирования. В связи с этим, задача разработки локальных
специализированных программных средств с аналогичным функционалом
является актуальной.
  В данной статье описано разработанное авторами на базе САПР общего
назначения AutoCAD программное приложение, позволяющее решить
задачу автоматизации раскладки одного из наиболее популярных типов
отечественной опалубки вдоль стен сооружения сложной конфигурации и
трехмерной визуализации полученных результатов этапа планирования
опалубки. Остановимся подробнее на особенностях данного программного
приложения.

Алгоритм размещения щитов вдоль стен сооружения сложной
конфигурации.
  Аналогичные задачи уже ранее решались [1]. Важным отличием
предлагаемого решения является то, что в укладке используются помимо
линейных щитов и радиальные, т.е. предполагается, что стены имеют
участки с радиусом кривизны. Кроме того, учитывается, что высота стен
сооружения может превышать          линейные размеры опалубочных
элементов, т.е. допускается укладка щитов опалубки не только
вертикально, но и горизонтально.
  Формально общий критерий поиска решения можно задать следующим
образом:
                           ்

                          ෍ ‫ݔ‬௜ ܿ௜ → ݉݅݊ ሺ1ሻ,
                          ௜ୀଵ

  где xi – количество щитов i-го типоразмера, необходимых для укладки
всего сооружения в целом; ci – стоимость одного щита i-го типоразмера;
T – количество типоразмеров щитов.
  Решение для линейных и радиальных стен можно обобщить, если
радиальную стену представить в виде «развертки». Так как высота
сооружения может превышать высоту опалубки, покрытие всего
сооружения потребует выстраивания опалубки в несколько рядов. В силу
конструктивных особенностей радиальной опалубки, стены с
закруглениями укладываются только вертикальными рядами. Важно так
же отметить, что допустимый зазор между опалубочными элементами в
стене составляет 10 см, а допустимый выступ должен составлять менее
половины ширины или высоты ряда, укладываемого последним. Кроме
того, необходимо учитывать, что возведение стен производится поэтапно
рядами, а для минимизации стоимости проекта необходимо при укладке
ряда применять ранее использованные щиты.
  При решении поставленной задачи были проанализированы алгоритм
раскроя, полного перебора, классическая задача о рюкзаке на основе
динамического программирования и жадный алгоритм [2]. В качестве
базового алгоритма укладки опалубочных элементов был выбран жадный
алгоритм.
  Рассмотрим разработанный алгоритм укладки линейных стен. Исходная
задача была разделена на две аналогичные подзадачи: выбор щитов для

укладки вертикальных рядов; выбор щитов для укладки горизонтальных
рядов.
  Кроме того, работа алгоритма подзадачи была разделена на этапы:
поиск варианта укладки с минимальным числом элементов в наборе; поиск
альтернативных вариантов с соответствующим числом элементов в наборе.
  Основные действия разработанного алгоритма подзадачи следующие:
  Выбирается щит максимального типоразмера и делается попытка
уложить его на неукомплектованном отрезке стены. Если величина
неукомплектованного отрезка меньше величины возможного зазора, то
решение найдено.
  Первый этап подзадачи делится на три шага: выбор щитов для укладки
стены c предыдущих шагов; выбор щитов для укладки стены со склада;
выбор щитов для укладки стены, указанных в номенклатуре опалубочных
элементов.
  Далее алгоритм переходит ко второму этапу работы – поиск
альтернативных результатов. Среди данных вариантов далее выбирается
минимальный по цене вариант.
  Рассмотрим общий алгоритм укладки стены:
  На первом этапе производится укладка вертикальных рядов. Выбирается
щит максимальной высоты и делается попытка уложить его с учетом
возможного выступа. Далее решается подзадача укладки для
вертикального ряда.
  На втором этапе производится укладка горизонтальных рядов.
Выбирается щит максимальной ширины и делается попытка уложить его с
учетом возможного выступа. Решается подзадача укладки горизонтального
ряда. Если стена полностью укомплектована, то решение найдено.
  В случае если невозможна дальнейшая работа алгоритма, а стена еще
осталась не укомплектованной, необходимо выполнить возврат назад и
убрать один элемент. Далее делается попытка уложить следующий по
номеру щит.
  Общий алгоритм укладки стен с радиусом кривизны аналогичен
алгоритму укладки линейных стен, за исключением того, что
укладываются только вертикальные ряды.
  Для оценки результатов планирования опалубки важна визуализация в
виде реального трехмерного чертежа. Для решения задачи визуализации
полученного решения была выбрана средаAutoCAD 2010. Применялись
средства Com-автоматизации и языка Delphi.Результатом работы

разработанной программы является файл формата .dwg, содержащий в
себе двумерное изображение укладки всех стен сооружения, которые далее
передаются на этап трехмерной визуализации.        Пример двумерной
изображения укладки стены, полученного после выполнения изложенного
ранее алгоритма, приведен на рис. 1.

  Рис.1. Двумерное представление укладки стены средствами AutoCAD

  Визуализация трехмерного представления раскладки опалубки.
  Средой реализации опалубочного проекта была выбрана САПР общего
назначения AutoCAD версии           2010. Программы, реализующие
разработанный алгоритм визуализации, написаны на языках AutoLISP и
VisualLISP.
  Стены помещения могут содержать линейные и радиальные фрагменты.
Но на развертке все щиты представлены прямоугольниками. Чтобы
отличить линейный фрагмент от радиального, была написана программа,
которая предварительно устанавливает жесткое соответствие между
каждой стеной и названием слоя, на котором следует разместить ее
представление.
  Особенностью программы является работа в среде AutoCAD 2010 c
несколькими одновременно открытыми документами, а именно: чертежом
вида сверху, чертежом раскладки опалубки и чертежом, в котором ведется
визуализация. Она была реализована программно с помощью вызова
функций VisualLISP, которые позволяют получить указатель на объект
любого открытого в данном сеансе документа и работать с ним [3].
  Перевод чертежа укладки опалубки в трехмерную модель сборочной
конструкции потребовал реализации трех подзадач - перевода с помощью
соответствующих подпрограмм чертежа укладки опалубки в трехмерную
модель подсборки сборочной конструкции для одной стены: дугообразной

или линейной, и последовательного вызова с помощью соответствующей
программы одной из этих подпрограмм с соответствующими параметрами.
  3D-модель опалубочной сборки составляется из параметрических 3D-
моделей линейных и радиальных щитов (тип параметризации – табличная
и вариационная). Библиотека моделей реализована в виде набора программ
на языке AutoLisp, в тексте которых присутствует вызов команд AutoCad.
При каждом обращении к программе формируется новая твердотельная
модель элемента с новыми размерами и/или топологией. Для линейных
щитов созданы 3 программы - по одной для каждого из типов щитов
(входной параметр - ширина щита). Для радиальных щитов создана одна
программа (входные параметры: конечный угол, координаты центра по
осям, длина дуги, радиус и высота щита). Пример см. рис.2.

        Рис. 2. Трехмерная твердотельная модель радиального щита

  Трехмерные твердотельные модели линейных и радиальных щитов
построены путем выдавливания профиля вдоль заданной траектории
(кинематический принцип) с применением булевых операций с базовыми
твердотельными объектами.
  Для получения 3D-модели укладки опалубки для одной линейной стены
со слоя, на котором размещена ранее загруженная двумерная модель
укладки опалубки для этой стены (файл развертки), создается набор
прямоугольников, для каждого из которых выполняется: получение
координат точек прямоугольника; расчет ширины и высоты щита,
установка флага поворота; перенос системы координат (СК) в точку начала
отрисовки; вызов функции построения 3D-модели щита; перенос СК в
исходную точку.
  Дляполучения3D-модели укладки опалубки для одной радиальной стены
было создано 2 программы: для прямой отрисовки и для обратной, т.к. из-
за особенностей функции polar необходимо начинать            отрисовку

радиальной стены в направлении, обозначенном на рис. 3 стрелкой.
Соответственно, в некоторых случаях нужно будет отрисовывать щиты
начиная с крайнего правого, а в некоторых с крайнего левого угла.

             Рис. 3. Направление отрисовки радиальной стены

  Входными данными для функции получения 3D модели радиальной
стены являются: конечный угол дуги, координаты центра, радиус дуги,
смещение и имя слоя, на котором в файле развертки расположен фрагмент
для этой стены. Алгоритм аналогичен алгоритму для линейной стены,
только на первом этапе происходит загрузка файла отрисовки радиального
щита, а для каждого объекта из набора перед переносом СК производится
пересчет конечного угла и координат центра относительно новой
начальной точки.
  На заключительном этапе формируется 3D-модель опалубочного
проекта помещения. Функция запускается без входных параметров.
Загружаются файлы отрисовки линейной стены и прямой и обратной
отрисовки радиальной стены, в фоновом режиме открываются файлы вида
сверху и развертки. По данным этих файлов (анализируются примитивы из
линейного и дугового наборов) осуществляется отрисовка опалубочной
сборки по периметру помещения в соответствии с рассчитанным пошагово
положением СК путем последовательного вызова функций визуализации
3D-модели укладки опалубки вдоль линейной и дуговой стен.
  Ниже (рис. 4) представлен результат работы разработанного комплекса
программных средств в трехмерном виде.

Рис. 4. Трехмерное представление опалубочного комплекта

  Для удобства работы пользователя программный комплекс был
дополнен интерфейсом, который представляет собой дополнительное
падающее меню в среде проектирования ACAD (см. рис. 5).
Взаимодействие с пользователем реализовано с помощью диалоговых
окон. Их структура хранится в файлах *.dcl, вызов происходит с помощью
макросов.

                  Рис. 5. Внешний вид падающего меню

  Разработанный интерфейс позволяет: получить подробные инструкции
по работе с приложением; загрузить файл вида сверху; ввести высоту
помещения; обработать файл вида сверху.
  При выполнении данной работы были решены следующие задачи:
разработан и реализован в виде программы алгоритм близкой к
оптимальной укладке линейных и радиальных щитов вдоль стен
нестандартной конфигурации на базе жадного алгоритма; разработан
набор трехмерных параметрических моделей линейных и радиальных
щитов опалубочной системы серии «ГАММА», а также программа
визуализации 3D-модели опалубочной сборки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лешихина И.Е., Рычкова П.В. Программное приложение
   автоматизации укладки опалубочных щитов вдоль стен
   сооружения в среде ARCHITECTURAL DESKTOP. Труды
   XVIмеждународной       научно-технической        конференции
   «Информационные средства и технологии». В 3-х томах. Е.1. – М.:
   Издательский дом МЭИ, 2008. с. 91-98
2. Липский В. Комбинаторика для программистов, пер. с польск. –
   М.:Мир, 1988, 213 с.
3. Полещук Н.Н., Лоскутов П.В. AutoLISP и VisualLISP в среде
   AutoCAD. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006, 960 с.