EURÓPAI UNIÓ 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/2004/3.3.1/0001.01
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.
1. előadás Az előadás témája Építészeti CAD alapismeretek, a félévi tematika áttekintése.
Az előadás célkitűzése Általános ismertető az építészeti CAD rendszerekről, különböző építészeti CAD rendszerek összehasonlításával, ill. az építészeti CAD rendszerek alapfogalmainak ismertetése.
Az előadás vázlata Építészeti CAD alapismeretek, alapfogalmak, fóliakezelés, koordinátarendszerek, „intelligens”-elemek, 2 és 3 dimenziós ábrázolás az építészeti CAD rendszerekben.
Alkalmazás 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.
Kapcsolódó gyakorlati anyagok http://www.star.bme.hu/?szgst (Oktatási jegyzet, ill. 0.gyakorlat)
2. előadás Az előadás témája Szabadon-formált görbék, felületek számítógépi megjelenítése.
Az előadás célkitűzése Megismertetni a számítógéppel rajzolható görbék, felületek elméleti hátterét.
Az előadás vázlata Szabadon-formált görbék, felületek elmélete, spline-ok, Bezier-görbék, felületek, folytonossági kritériumaik, NURBS-ök. A szabadon-formált görbék, felületek alkalmazása a tervező rendszerekben.
Alkalmazás 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.
Kapcsolódó gyakorlati anyagok http://www.star.bme.hu/?szgst (Oktatási jegyzet, ill. 1.gyakorlat)
3. előadás Az előadás témája Adatbázisok alkalmazása építészeti CAD rendszerekben. Számítógépi képfeldolgozás alapfogalmai
Az előadás célkitűzése Megismertetni az adatbázisok felépítését, használatát. A számítógépi modell fotorealisztikus képi megjelenítésével kapcsolatos elméleti háttér ismertetése.
Az előadás vázlata 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.
Alkalmazás 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.
Kapcsolódó gyakorlati anyagok http://www.star.bme.hu/?szgst (Oktatási jegyzet, ill. 1.-6.gyakorlat)
4. előadás Az előadás témája Számítógépi képfeldolgozás különféle eljárásai.
Az előadás célkitűzése A számítógépi modell fotorealisztikus képi megjelenítési lehetőségei, elvi megoldásai.
Az előadás vázlata 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.
Alkalmazás 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.
Kapcsolódó gyakorlati anyagok http://www.star.bme.hu/?szgst (Oktatási jegyzet, ill. 6.gyakorlat)
5. előadás Az előadás témája Fraktálok elmélet, építészeti környezet modellezése fraktálokkal. Építészeti CAD rendszerek felhasználói programozása.
Az előadás célkitűzése Fraktálokkal kapcsolatok elméletek ismertetése. Az építészeti tervező rendszerek tágabb lehetőségeinek kihasználása a felhasználói programozási felületek használatával.
Az előadás vázlata 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.
Alkalmazás 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.
Kapcsolódó gyakorlati anyagok http://www.star.bme.hu/?szgst (Oktatási jegyzet, 6.,7.gyakorlat)
6. előadás Az előadás témája Számonkérés.
Az előadás célkitűzése A leadott elméleti és gyakorlati ismeretek számonkérése.
Az előadás vázlata 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.
Alkalmazás Példák a tesztkérdések gyakorlati részéből: 9. ArchiCAD alkalmazásával kapcsolatos kérdések
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 fallal csak akkor, ha a nyílászáró is ki van jelölve. ha más szintre másoljuk át a falat.
Kapcsolódó gyakorlati anyagok http://www.star.bme.hu/?szgst (Oktatási jegyzet, ill. összes gyakorlat)
7. előadás Az előadás témája Pótlás.
Az előadás célkitűzése A leadott elméleti és gyakorlati ismeretek számonkérése.
Az előadás vázlata Gyakorlati – számítógépi laboratóriumban elkészítendő – feladat:
Alkalmazás 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):
Kapcsolódó gyakorlati anyagok http://www.star.bme.hu/?szgst (Oktatási jegyzet, ill. összes gyakorlat)
