3814

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего образования

“Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет”

Б.Б. Лампси, Л.П. Бех, П.А. Хазов, Б.Б. Лампси мл.

Системы Автоматизированного Проектирования (САПР)

Учебно-методическое пособие по подготовке к занятиям по дисциплине

«Системы автоматизированного расчета и проектирования в строительстве» для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

2

УДК -------

Учебно-методическое пособие по подготовке к занятиям по дисциплине «Системы автоматизированного расчета и проектирования в строительстве» [Электронный ресурс/ Б.Б. Лампси, Л.П. Бех, П.А. Хазов, Б.Б. Лампси мл.; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 30 с.; ил., электрон. опт. диск (CD-R)

Пособие содержит теоретические сведения и примеры расчета систем по Методу Конечных Элементов.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство.

© Б.Б. Лампси, Л.П. Бех, П.А. Хазов, Б.Б.Лампси мл., 2016 © ННГАСУ, 2016

3

4

ГЛАВА 1. Общие сведения о САПР. Цели и функции САПР

1.1.Понятие автоматизированного проектирования

Вшироком смысле под проектом понимается комплекс взаимосвязанных мероприятий, предназначенных для достижения в течение заданного периода времени и при определенных затратах поставленных целей. В более узком смысле под проектом понимается комплект технической и сметной (то есть определяющей стоимость) документации, необходимой для создания зданий, сооружений, технологий, машин или оборудования. Поэтому под термином проектирование понимается процедура разработки такой документации.

Проектирование технического объекта – это создание и представление в принятой форме образа этого, еще не существующего объекта.

Образ его и отдельных частей первоначально создается в идеальной форме, в воображении, в результате творческого процесса. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых объектах, которыми могут являться объекты строительства, промышленные изделия или технологические процессы. Проектирование начинается с составления технического предложения, или технического задания, отражающего эти потребности, а завершается созданием проектной документации, необходимой для реализации технического задания.

Таким образом, проектирование – это процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Комплект проектной документации содержит:

1)технико-экономическое обоснование, подтверждающее целесообразность разработки;

2)расчеты;

3)чертежи;

4)схемы;

5)макеты;

6)сметы;

7)спецификации (перечень материалов, узлов и деталей, которые необходимы в процессе проектирования);

8)пояснительные записки и другие материалы, необходимые будущим изготовителям объекта.

Таким образом, проект сам по себе не является конечным результатом созидатель-

ной деятельности: он используется на следующем этапе в процессе реализации новой конструкции или строительстве сооружения. Для монтажника или строителя проект является моделью будущего объекта.

В процессе проектирования одновременно принимают участие специалисты разных специальностей. Так при проектировании объекта строительства можно выделить несколько частей проекта, требуемых участия людей, обладающих специфическими знаниями:

технологическая часть, учитывающая функциональное назначение здания и соору-

жения;

5

архитектурно-строительная часть, содержащая объемно-планировочное и архитек- турно-художественное решения строящегося объекта;

конструкторская часть, включающая прочностные расчеты и проектирование элементов строительной конструкции;

часть разработки инженерного оборудования зданий и сооружений: отопление, вентиляция, водоснабжение и канализация, электротехническая система;

организационно-технологическая часть;

технико-экономическая часть (расчет смет и технико-экономических показателей). Все участвующие в проектировании специалисты имеют свое представление об

объекте, решают свою конструктивную подзадачу и выдвигают свои определенные требования к его проектированию, возведению и функционированию.

Врезультате окончательное проектировочное решение представляет собой синтез разнородных подходов и требований.

Главная трудность состоит в согласовании результатов решения всех подзадач, поскольку большая часть требований бывают противоречивы.

Например, улучшение качества отделки здания требует дополнительных капитальных затрат, но в тоже время из условий экономичности капитальные затраты должны быть минимальными.

Впроцессе многолетней практики был создан графический метод моделирования объектов. Графическая модель, или комплексные масштабные чертежи, позволяют проектировщику видеть как весь проект целиком, так и его отдельные части, вносить в проект изменения, не боясь дорогостоящих переделок.

Чертежный метод проектирования позволяет задавать параметры объекта до его изготовления и создавать весьма сложные системы, последовательно вычерчивать варианты и сравнивать их между собой, то есть на чертежепроводить любые эксперименты.

Возникает многовариантность архитектурно-строительного проектирования, то есть принципиальная возможность создания большого числа дополнительных вариантов.

Кроме того, проектирование связано с проведением многочисленных и сложных математических расчетов.

Недостаточно графически изобразить конструкцию или схемы соединения элементов: параметры проектируемого сооружения должны быть подтверждены расчетами. Например, расчет фундаментов, освещенность помещения, воздухообмен.

При этом применяются существующие, многократно проверенные, расчетные методики, алгоритмы, системы математических зависимостей, а зачастую и требуется разработка новых методов расчета, адекватных конкретным условиям, с которыми встречаются при проектировании.

Такие расчеты также подразумевают многовариантность и сравнение вариантов между собой, что в конечном итоге упирается в выбор оптимального решения.

Недостатком традиционных методик проектирования является отсутствие объективных методов для нахождения наилучшего удовлетворения всех разнородных требований многих специалистов. Кроме того, нахождение наилучшего проектного решения ограничивается конечным возможным числом рассматриваемых вариантов.

Врезультате создания устройств автоматических вычислений появились современные компьютеры - что стимулировало развитие в математике специальных приемов и мето-

6

дов решения различных задач. Так возникли дисциплины, лежащие на границе между дискретной математикой и теоретической информатикой, получившие название вычислительная математика и вычислительная геометрия.

Само слово “вычислительная” указывает на то, что эти науки направлены на создание методов ориентированных на реализацию в компьютерах.

Естественно, что технологическое и архитектурно-строительное проектирование начало широко использовать вычислительную технику для проведения сложных расчетов и графопостроителей для выдачи результатов проектирования в графической форме.

1.2. Системы Автоматизированного Проектирования (САПР)

Аббревиатура САПР впервые использована основоположником этого научного направления Айвеном Сайзерлендом в 1960 г. В современном виде САПР представляет собой сложную информационную систему, это аппаратно-программный комплекс, поддерживающий процесс проектирования с использованием специальных средств машинной графики, поддерживаемый пакетами программного обеспечения для решения разнообразных задач, связанных с проектировочной деятельностью. Поэтому САПР есть специализированная информационная система. Сфера применения САПР охватывает такие области как: архитектура, геофизика, медицина, гражданское строительство, издательское дело и т.п.

Различают следующие виды проектирования: неавтоматизированное проектирование и автоматизированное проектирование. Процесс проектирования, осуществляемый чело-

веком вручную (без использования ЭВМ), называют неавтоматизированным проектиро-

ванием. Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным проектирова-

нием.

Необходимо выделить понятие автоматического проектирования, котороеостается для выполнения отдельных вычислительных операций, процедур, выполняемых средствами вычислительной техники согласно заложенным в них программам.

Таким образом, автоматическим проектированием называют проектирование,

при котором все преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования осуществляются без участия человека. Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов.

Существует множество определений САПР, но суть их такова, что САПР - органи-

зационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации (отде-

ла) и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизи-

рованного проектирования (КСАП). Взаимодействие подразделений проектной организа-

ции (проектных отделов) с комплексом средств автоматизации проектирования регламентируется организационным обеспечением.

1.3. САПР – назначение

Основная функция САПР состоит в выполнении автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей. САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства.

При создании САПР наметилось 2 различных подхода:

а) с одной стороны создается в крупных ведущих проектных организациях,

7

б) с другой стороны широко используется для выполнения типовых расчетов, алгоритмов и программ.

Возможность широко распространять в проектных организациях наиболее прогрессивные, а также типовые и стандартные методы расчетов, различные нормативные и справочные данные предопределяет высокую эффективность САПР. Данная небольшая организация получает возможность применять современные и эффективные методы инженерных расчетов, заимствуя их у организаций - разработчиков САПР.

Как и другие типы автоматизированных систем САПР является развивающейся системой: происходит непрерывное обновление математических моделей, нормативов, данных о материалах.

САПР функционирует с одной стороны как самостоятельная система, а с другой - может быть связана с подсистемами и банками данных других автоматизированных систем.

При этом САПР имеют свои специфические особенности, принципы создания и развития.

Основная цель создания САПР:

‒сокращение трудоемкости проектирования и планирования;

‒сокращение сроков проектирования;

‒ сокращение себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;

‒повышение качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;

‒сокращение затрат на натурное моделирование и испытания.

Эффективность применения САПР обеспечивается следующими ее возможностями:

-совершенствования, систематизации, унификации процессов проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники; -комплексной автоматизации проектных работ в проектной организации с необходимой перестройкой её структуры и кадрового состава; - повышения качества управления проектированием;

-применения эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов; -использования методов многовариантного проектирования и оптимизации;

-автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ; -замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием.

ГЛАВА 2. Классификация, состав, структура и принципы проектирования САПР

2.1. Классификация по ГОСТ 23501.108-85

Необходимо четко определить, что виды (классы, разновидности) САПР выделяются как по отечественному ГОСТ 23501.108-85, так и международными стандартами.

В соответствии с вышеуказанным ГОСТ, САПР классифицируются по следующим признакам:

‒тип и разновидность объекта проектирования;

‒сложность объекта проектирования;

‒уровень автоматизации проектирования;

‒комплексность автоматизации проектирования;

8

‒характер выпускаемых документов;

‒количество выпускаемых документов;

‒количество уровней в структуре технического обеспечения.

По каждому признаку установлены классификационные группировки САПР.

2.2. Классификация САПР в англоязычной терминологии

Однако, учитывая что многие разновидности САПР имеют иностранное происхождение, на практике чаще приходится сталкиваться с нюансами англоязычных терминов, применяемых для классификации программных приложений и средств автоматизации САПР по отраслевому и целевому назначению.

Чаще всего русскоязычному понятию САПР в английском языке соответствует аббревиатура CAD (англ. computer-aided design), подразумевающая использование компьютерных технологий в проектировании. Впервые термин СAD прозвучал в конце 50-х гг. прошлого века в Массачусетском технологическом институте в США. Распространение эта аббревиатура получила уже в 70-х гг. как международное обозначение технологии конструкторских работ. С началом применения вычислительной техники под словом CAD подразумевалась обработка данных средствами машинной графики. В ГОСТ 15971-90 это словосочетание приводится как стандартизированный англоязычный эквивалент термина «автоматизированное проектирование». Понятие CAD не является полным эквивалентом САПР, как орга- низационно-технической системы. Термин САПР на английский язык может также перево-

дится как CAD system, automated design system, CAE system.

В ряде зарубежных источников устанавливается определенная соподчиненность понятий CAD, CAE, CAM. Термин CAE определяется как наиболее общее понятие, включающее любое использование компьютерных технологий в инженерной деятельности, включая CAD и CAM.

Для обозначений всего спектра различных технологий автоматизации с помощью компьютера, в том числе средств САПР, используется термин CAx (англ. computer-aided technologies).

Таким образом, классификация по отраслевому назначению следующая:

‒MCAD (англ. mechanical computer-aided design) ‒ автоматизированное проектирование механических устройств. Это машиностроительные САПР, применяются в автомобилестроение, судостроении, авиакосмической промышленности, производстве товаров народного потребления, включают в себя разработку деталей и сборок (механизмов) с использованием параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объемного моделирования (SolidWorks, Autodesk Inventor, КОМПАС, CATIA);

‒EDA (англ. electronic design automation) или ECAD (англ. electronic computer-aided design) ‒

САПР электронных устройств, радиоэлектронных средств, интегральных схем, печатных плат и т. п., (Altium Designer, OrCAD);

‒AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) или CAAD (англ. computer-aided architectural design) ‒ САПР в области архитектуры и строительства. Используются для проектирования зданий, промышленных объектов, дорог, мостов и проч. (Autodesk Architectural Desktop, Piranesi, ArchiCAD).

9

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, которые обеспечивают различные аспекты проектирования:

‒ CAD (англ. computer-aided design/drafting) ‒ средства автоматизированного проектирования, в контексте указанной классификации термин обозначает средства САПР, предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторской и/или технологической документации и создания цифровой модели изделия и т.д. (см. ниже). САПР конструктора.

CADD (англ. computer-aided design and drafting) ‒ проектирование и создание чер-тежей.

CAGD (англ. computer-aided geometric design) ‒ геометрическое моделирование.

‒ CAE (англ. computer-aided engineering) ‒ средства автоматизации инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов. Осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий; решают задачи прочностного анализа, теплофизических и гидродинамических расчетов, анализа пластической деформации и механического анализа (моделирование и прогнозирование поведения и движения механических систем) и др.

CAA (англ. computer-aided analysis) ‒ подкласс средств CAE, используемых для компьютерного анализа.

‒CAM (англ. computer-aided manufacturing) ‒ средства технологической подготовки производства изделий, обеспечивают автоматизацию программирования и управле-ния оборудования с ЧПУ или ГАПС (Гибких автоматизированных производственных систем). САПР технолога. Русским аналогом термина является АСТПП ‒ автоматизированная система технологической подготовки производства.

‒CAPP (англ. computer-aided process planning) ‒ средства автоматизации планирования технологических процессов применяемые на стыке систем CAD и CAM.

2.3. Состав и структура САПР

Как любая сложная система САПР состоит из взаимосвязанных частей, которые носят название подсистем, в которых при помощи специализированных комплексов решается функционально законченная последовательность задач САПР с получением соответствующих проектных решений и проектных документов. Подсистемы обладают всеми свойствами систем и создаются как самостоятельные системы.

Под специализированными комплексами подразумеваются Программно-

методический и Программно-технический комплексы.

Программно-методический комплекс ‒ взаимосвязанная совокупность некоторых час-

тей программного, математического, лингвистического, методического и информаци-

онного обеспечения, необходимая для получения законченного проектного решения по объекту проектирования или для выполнения определенных унифицированных процедур.

Примеры ПМК: оформления документации, синтеза проектных решений, моделирования и

т. п.

Программно-технический комплекс ‒ взаимосвязанная совокупность программно-

методических комплексов, объединенных по некоторому признаку, и средств техниче-

ского обеспечения САПР. Понятие ПМК относится к программным средствам, а понятие ПТК ‒ к вычислительным системам, объединяющим аппаратные и программные средства и предназначенным для применения в САПР. Примерами ПТК могут служить автоматизиро-

10