Az építész- és az építőmérnök képzés szerkezeti és tartalmi fejlesztése

Átírás

1 E U R Ó P A I U N I Ó STRUKTURÁLIS ALAPOK Építész-informatika 3 építészeti CAD Segédlet a BME Építészmérnöki Kar hallgatói részére Az építész- és az építőmérnök képzés szerkezeti és tartalmi fejlesztése HEFOP/2004/3.3.1/

2 A tárgy oktatási koncepciója A tantárgy célja a számítógéppel segített építészeti tervező (építészeti CAD) rendszerek alapismereteinek elsajátíttatása olyan szintig, hogy egy adott építészeti CAD rendszer használatával a hallgatók egy műszaki tervdokumentációt legyenek képesek a félév végére elkészíteni. Ezen kívül a tárgy olyan elméleti kérdésekkel foglalkozik, amelyek kapcsolódnak a számítógéppel történő építészeti tervezéshez. Így például tárgyalja a szabadon formált görbéket - felületeket, a CAAD rendszerek adatbázis kezelését, a rendering-eljárások alapismereteit ill. azok építészeti CAD rendszereken belüli (vagy azokhoz kapcsolódó) alkalmazását, a fraktálokat és azok építészeti alkalmazását, valamint az építészeti CAD rendszerek felhasználói szintű programozási lehetőségeit. A tárgy kimérete: heti 1 óra (kéthetenként kétszer 45 perc) elméleti előadás és heti 2 óra (2X45 perc) gyakorlati foglalkozás. A tárgy elméleti részéhez oktatási jegyzetet és ajánlott szakirodalomat adunk, míg a gyakorlati órai feladatokhoz oktatási segédletet, amelyben a feladatok lépésenként végrehajtható leírása segíti egyrészt az órán nyomonkövetni a feladatok megoldását, másrészt az otthoni önálló gyakorlást.

3 1. előadás Építészeti CAD alapismeretek, a félévi tematika áttekintése. Általános ismertető az építészeti CAD rendszerekről, különböző építészeti CAD rendszerek összehasonlításával, ill. az építészeti CAD rendszerek alapfogalmainak ismertetése. Építészeti CAD alapismeretek, alapfogalmak, fóliakezelés, koordinátarendszerek, intelligens -elemek, 2 és 3 dimenziós ábrázolás az építészeti CAD rendszerekben. Egy építészeti tervező program használatán keresztül mutatjuk be a CAAD rendszerek általános működési elveit. Az oktatott programrendszer az ArchiCAD oktatási verziója. A programrendszer használatának elsajátítása részben bemutatott egyszerű példák gyakorlásán keresztül, részben egy választott saját tervfeladat elkészítésével történik. A kezdeti általános ismertető után hét gyakorlati órai anyagra bontva mutatjuk be egy építészeti terv számítógéppel segített elkészítését, feldolgozását. A gyakorlati órai anyagok célja, hogy mind az órai gyakorlatokon mind az órarendi órákon kívül használni lehessen a saját feladatok elkészítésénél, ugyanakkor tartalmazza azokat az ismereteket, amelyekre támaszkodva a hallgatók számot tudnak adni az anyag elsajátításáról az évközi ill. a félév végi számonkéréseknél. Az első gyakorlati órán bemutatjuk az ArchiCAD építészeti tervezőrendszer felhasználói felületét, szerkesztő funkcióit. Ismertetjük a rendszer alapbeállításait, és a felhasználó által elvégezhető egyedi beállítások elkészítésének, ill. azok tárolásának módját. Az ismertetett építészeti tervezőprogramban használt intelligens elemek - falak, födémek, tetők sokoldalú felhasználhatóságának bemutatásával megismerhetik a hallgatók a 3 dimenziós épületmodellezés korszerű lehetőségeit. Olyan tervezési módszerre irányítjuk a figyelmet, amely alternatívát kínál a hagyományos tervezéssel szemben. Szakít ugyanis azzal a szemlélettel, hogy az építész fejében áll össze a térbeli modell, és annak vetületi képeiről készít kétdimenziós rajzokat, mert az építészeti tervezőrendszerekkel maga a térbeli modell elkészítése a tervező feladata, a vetületek elkészítését többé-kevésbé automatikusan a programm végzi el, esetleg csak a kívánt műszaki ábrázolás elérése érdekében kell utómunkálatokat végeznie a modell vetületeken. Ezen elvek áttekintő ismertetése az első gyakorlati foglalkozás anyaga. (Oktatási jegyzet, ill. 0.gyakorlat)

4 2. előadás Szabadon-formált görbék, felületek számítógépi megjelenítése. Megismertetni a számítógéppel rajzolható görbék, felületek elméleti hátterét. Szabadon-formált görbék, felületek elmélete, spline-ok, Bezier-görbék, felületek, folytonossági kritériumaik, NURBS-ök. A szabadon-formált görbék, felületek alkalmazása a tervező rendszerekben. A gyakorlati órán bemutatjuk a numerikus adatbevitel eszközeit, amely lehetőséget ad a pontos építészeti tervfeldogozásra. A derékszögű és polár, ezeken belül az abszolút és relatív koordinátarendszerek használatát az ábra szerinti helyszínrajzi részlet - telekkontúr és épületkontúr - kétdimenziós vonalakkal történő megrajzolásával gyakoroltatjuk. É A szabadon-formált görbék gyakorlati alkalmazására az alábbi ábrán bemutatott leegyszerűsített épületmodell elkészítése szolgál példának. Az épületmodell alaprajzi vetülete Bezier-görbék segítségével készíthető el, amelyre a program kontúrvonal-követő funkciójával készíthetők el a falak, a födém, a tető. (Oktatási jegyzet, ill. 1.gyakorlat)

5 3. előadás Adatbázisok alkalmazása építészeti CAD rendszerekben. Számítógépi képfeldolgozás alapfogalmai Megismertetni az adatbázisok felépítését, használatát. A számítógépi modell fotorealisztikus képi megjelenítésével kapcsolatos elméleti háttér ismertetése. Adatbázisok alkalmazása az építészeti CAD rendszerekben, adatszerkezet, rekordok, relációs adatbázisok. Intelligens építészeti elemek adatszerkezete, adatbázisban tárolása, a szintekhez, ill. a többi elemhez való viszonyuk. Számítógépi képfeldolgozás alapismeretei, raszter- és vektorgrafikus megjelenítők, rasztermegjelenítés memóriaszükséglete, színelméletek, anyagjellemzők, fényforrások, textúrák. A tantárgy gyakorlati feladatai során használt ArchiCAD építészeti tervezőrendszer alkalmas az egyes grafikus elemek adatbázisban való tárólásának bemutatására. Így például az ArchiCAD -ben a referenciavonalukkal, vastagsági és magassági méreteikkel tárolt falak esetében egyszerűen bemutatható és érthetővé tehető a falak tárolása a terv adatbázisában. Az alábbi ábra szemlélteti, hogy ha egy fal referenciavonala hol a fal egyik, hol a másik oldalán helyezkedik el, akkor nem a referenciavonal mozdul el, hanem a fal, vagyis a referenciavonal geometriája van eltárolva az adatbázisban, és ahhoz viszonyítva épül fel a fal hol jobbra, hol balra. Az ArchiCAD -ben a relációs adatbázis megvalósítására jó példa az elemeknek az egyes szintek alsó síkjához viszonyított magassági elhelyezkedése. Ha egy elemet a saját szintjéről egy másik szintre áthelyezünk, az elem magassági helyzete megváltozik, méghozzá annyival, amennyi a két szint alsó síkjának a különbsége. Ez az adatbázisban csak annyit jelent, hogy az adott elem szint hivatkozása megváltozik a korábbi szint helyett az újabbra. (Oktatási jegyzet, ill gyakorlat)

6 4. előadás Számítógépi képfeldolgozás különféle eljárásai. A számítógépi modell fotorealisztikus képi megjelenítési lehetőségei, elvi megoldásai. Számítógépi modellalkotás, drótváz,- felület, testmodellezés, Z-puffer algoritmus, nem látható felületek elhagyása (backface-culling). Elemek egymáshoz való viszonya, egymással metszése, szilárdtest műveletek. A Z-puffer eljáráson alapuló felületmodellező módszerek, a Flat,- Gouraud,- Phong-shading eljárások elmélete és összehasonlítása. Más elméleteken alapuló fotorealisztikus megjelenítési módszerek, fénysugár követés (Ray-tracing) és a környezet visszaverődéseit figyelembe vevő radiosity eljárás. A raszter megjelenítésből fakadó lépcsőzöttség kiküszöbölését célzó anti-aliasing eljárás. A gyakorlatokon a használt programrendszerben csak a fotorealisztikus megjelenítési lehetőségek szűkebb lehetőségit tudjuk bemutatni. Az ArchiCAD is, mint a legtöbb építészeti CAD program, a professzionális fotorealisztikus látványterv készítéshez más - erre specializálódott programot ajánl, és ezekhez a külső programokhoz biztosítja a modell exportálását. Saját programon belül azonban lehet Z-puffer algoritmuson alapuló képeket készíteni, továbbá támogatja az anti-aliasing eljárást, és lehetőség van további hatások kezelésére. Így például beállítható a modelltérre köd ábrázolása, valamint az egyes felületek átlátszó, csillogó tulajdonságokkal is megjeleníthetők. Bár nem a fotorealisztikus képmegjelenítés témaköréhez kapcsolódik, de az építészeti látványtervezésnek vannak olyan irányzatai, amelyek a modell szabadkézi, skicc-szerű megjelenítését teszik lehetővé. Az ArchiCAD is képes ilyen axonometrikus vagy perspektív megjelenítési módokra. (Oktatási jegyzet, ill. 6.gyakorlat)

7 5. előadás Fraktálok elmélet, építészeti környezet modellezése fraktálokkal. Építészeti CAD rendszerek felhasználói programozása. Fraktálokkal kapcsolatok elméletek ismertetése. Az építészeti tervező rendszerek tágabb lehetőségeinek kihasználása a felhasználói programozási felületek használatával. Fraktálok elmélete, szabályos és véletlen fraktálok, a fraktálok alkalmazási lehetőségei az építészeti CAD rendszerekben. Környezet megjelenítése az építészeti terveken. Programtervezési alapismeretek. Szekvencia, elágazás, ciklus. Struktogram, strukturált programtervezés. A gyakorlati órákon használt tervező programban a fraktálok szemléltetésére közvetve van csak lehetőség. A rendszerben található környezeti elemek - fák, növények - ugyan nem fraktálok, de belső programozással létrehozhatók fraktálok, vagy külső programokkal fraktálként elkészített elemek átültethetők a tervünkbe. Az ArchiCAD felhasználói programozása a rendszer részét képező GDL programnyelven valósítható meg. Ez az eszköz elsősorban saját könyvtári elemek létrehozására alkalmas, de lehetőséget ad a statikus elemek mellett mobil elemek létrehozására, vagy fraktálok programozásával környezeti elemeket is modellezhetünk. (Oktatási jegyzet, 6.,7.gyakorlat)

8 6. előadás Számonkérés. A leadott elméleti és gyakorlati ismeretek számonkérése. Tesztkérdések. Példák a tesztkérdések elméleti részéből témacsoportonként: 1. Általános CAAD rendszer alkalmazás: A CAAD rendszerek használatával egyszerűbb a tervek módosítása, mint a hagyományos tervezéssel. 2. Szabadon-formált görbék A szabadon-formált görbék alakjának meghatározására használt tartópontok mindíg illeszkednek a görbére. Az ábra szerinti görbevonal (ion oszlopfő volutája) előállítható egyetlen Bèzier-görbével. 3. Szabadon-formált felületek Két Bèzier-felület paramétereik szerint elsőrendűen folytonos illeszkedéséhez elegendő, ha a határoló szomszédos tartóélek páronként egy egyenesre esnek. 4. Adatbázisok alkalmazása CAAD rendszerekben Az adatbázisok egyes mezői között kapcsolat létesíthető, és az így összekapcsolt adatbázisok relációs adatbázisok. 5. Képfeldolgozás, rendering-eljárások alapjai A Flat-shading eljárás a z-puffer eljáráson alapul. 6. Ray-tracing, radiosity, anti-aliasing A radiosity eljárás az egyes felületeket is fényforrásként képes figyelembe venni. Az anti-aliasing eljárás azoknak a pixeleknek a színértékén is változtathat, amelyeken a javítani kívant egyenesek vagy görbevonalak nem haladnak keresztül. 7. Fraktálok A fraktálok 1 és 2 dimenzió közötti tört dimenziójú objektumok. Fraktálokkal tömörebben, a számítógépi tárolókapacitást kevésbé igénybe véve lehet modellezni természeti jelenségeket. 8. CAAD rendszerek programozása A CAAD rendszerek részét képező programnyelv utasításai között nincsenek szükségszerűen elágazásokat és ciklusokat lehetővé tevő utasítások. Példák a tesztkérdések gyakorlati részéből: 9. ArchiCAD alkalmazásával kapcsolatos kérdések

9 fallal A födémkontúrhoz hasonlóan módosíthatók a tetősíkok kontúrjainak vetületei. vonalakból álló (poligont alkotó) zárt vonallánc kontúrvonala. A falnyíláshoz hasonlóan kell kialakítani lyukakat tetősíkban. több szinten átmenő falakban. A nyílászárók vízszintes síkban együtt mozdulnak az őket tartalmazó csak akkor, ha a nyílászáró is ki van jelölve. ha más szintre másoljuk át a falat. (Oktatási jegyzet, ill. összes gyakorlat)

10 7. előadás Pótlás. A leadott elméleti és gyakorlati ismeretek számonkérése. Gyakorlati számítógépi laboratóriumban elkészítendő feladat: 45 perces zárthelyi feladat keretében elkészítendő egy alábbi, vagy ehhez m hasonló épületmodell: Készítse el az alábbi terv 3D modelljét: (metszeteket, távlati képet nem szükséges készíteni, azok csak a feldolgozáshoz nyújtanak segítséget): (Oktatási jegyzet, ill. összes gyakorlat)