Создание 3D-модели жилого здания из объемных геометрических форм с использованием технологии 3D-моделирования и 3D-печати

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Создание 3D-модели жилого здания из объемных геометрических форм с использованием технологии 3D-моделирования и 3D-печати

Михеев А.В. 1
1МБОУ "СОШ№13" г. Белгорода
Новогрудская О.П. 1
1МБОУ "СОШ№13" г. Белгорода
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Актуальность творческой работы напрямую связана с необходимостью создания проекта «3D-модель жилого дома» из геометрических форм в рамках подготовки к мероприятиям городского математического квеста для учащихся «Геометрия в архитектуре города Белгорода». Модель здания должна отвечать ряду требований:

качество модели;

качество геометрических фигур в модели;

оригинальность;

соответствие теме.

В наше время развития информационных и мультимедийных технологий у каждого человека уже имеется представление о таких понятиях, как трехмерное изображение, 3D-графика, трехмерное моделирование. Сферы применения технологий 3D-моделирования разнообразны. В архитектуре и дизайне 3D-модели широко используются на производстве и в конструкторских бюро для моделирования зданий и сооружений. В настоящее время существует множество пакетов программ трехмерного моделирования, такие как Maya, 3D studiomax, Blender, 123D Design. и другие. Их возможности зависят от сферы применения и содержания задач, для решения которых они используются.

Цель: создать 3D модель жилого здания из геометрических форм.

Задачи:

изучить особенности применения геометрических форм в архитектуре жилых строений;

в соответствии с пожеланиями команды определить перечень моделируемых характеристик жилого здания;

выбрать наиболее оптимальный способ создания модели и освоить основные приёмы работы и инструменты программы для 3D-моделирования;

научиться создавать 3D модели жилых зданий и разработать в этой программе проект;

распечатать модель на 3D принтере.

Длительность нашего проекта – 2 недели.

Продукт проекта – 3D-модель жилого здания.

Методы создания продукта - 3D моделирование в программе 123D Design и процесс 3D-печати.

Литературный обзор

Обзор, используемых в архитектуре жилых построек, геометрических форм

Исторически первыми пространственными строительными конструкциями человечества были примитивные жилища. Следы строительного творчества тех времен можно проследить до сих пор в современных постройках людей, которые еще сохранили в своем укладе черты родового общества. Это палатки бедуинов, мазанки африканских племен, типи и вигвамы североамериканских индейцев, яранги, чумы и иглы народов Севера, а также другие простейшие жилые постройки, изображенные на рисунке 1.[1]

С развитием цивилизации происходило и развитие архитектуры. Каждый этап развития человеческой цивилизации имеет свой характерный архитектурный стиль, который символизирует конкретный исторический период, его основные черты, идеологию и характер.

Архитектурный стиль — это совокупность основных черт и признаков архитектуры определённого времени и места, проявляющихся в особенностях её функциональной, конструктивной и художественной сторон (приёмы построения планов и объёмов композиций зданий, строительные материалы и конструкции, формы и отделка фасадов, декоративное оформление интерьеров).

Архитектурные памятники способны сообщить информацию о том, что было главным в жизни людей в момент их постройки, что для них являлось истиной красотой и искусством, какой был характер их жизни и многое другое. Ярким примером этого являются египетские пирамиды, а древние греки часто использовали в архитектуре колонны, римляне широко применяли арки и арочные конструкции (своды и купола), Западная Европа средневековья возводила замки и крепости, соборы и костёлы, и, наконец, современные технологии позволили соединить как стили, так и технику строительства.

Приезжая в любой город мы видим дворцы, ратуши, частные коттеджи, построенные в самых различных архитектурных стилях. И именно по этим стилям мы и определяем эпоху их строительства, социально-экономический уровень страны, нравы, традиции и обычаи того или иного народа, его культуру, историю, национальную и духовную наследственность, даже темпераменты и характеры людей этой страны.

Произведения архитектуры являются частью пространственной структуры города. И при всем разнообразии архитектурных сооружений они почти всегда имеют в своей основе правильную геометрическую форму: призму, пирамиду, конус, шар, параллелепипед. К этим формам можно добавить правильные многогранники как переходную форму между прямоугольниками и кругами.

На выбор геометрической фигуры, которая может составлять основу объемно-пространственного  архитектурного сооружения, влияют такие факторы как, прочность задания, его эстетика, функциональное назначение. ассоциативность и т.п. При этом, каждая геометрическая фигура обладает своими индивидуальными свойствами. Например, конус обладает свойством преобразования звуковой волны, проникнувшей в него. Поэтому чтобы снизить шум в помещениях гостиницы в Белоруссии, она была спроектирована в форме конуса.  Наиболее прочной фигурой считается пирамида, так как имеет большую площадь основания. Также прочность этой форме придает уменьшение массы при увеличении высоты над уровнем земли.

Формы архитектурных произведений имеют свой образный язык, воздействующий на эмоции и настроение  человека. К качественным характеристикам архитектурной формы относятся единство, целостность, равновесие, движение, соподчинение. К свойствам формы, которые влияют на эстетическую выразительность архитектурного сооружения относятся - геометрический вид, размер,  цвет, фактура, светотень, расположение в пространстве, масса здания в зрительном восприятии и  членение. Члененные формы, в свою очередь, обладают такими свойствами, как метр, ритм, пропорции, равновесие.

Понятие архитектурной формы тесно связано с понятием архитектурной композиции, в основу которой положена определенная архитектурная идея (система построения, геометрическая форма,  тема и т.д.). Геометрическая форма характеризуется размером, геометрическим строением (наличие ребер, граней, характер линии контура видимости и др.), весом, плотностью, прочностью. [2]

Кроме этого, все объемы и фасады памятников архитектуры состоят из отдельных деталей, строящиеся на базе определенного геометрического тела. Часто геометрические формы являются комбинациями различных геометрических тел. (Приложение 1. Таблица «Соответствие архитектурных  зданий и сооружений геометрическим телам»).

Архитектурные стили имеют также геометрические особенности: египетский стиль — пирамиды; модернизм — призмы; постмодернизм — правильные и полуправильные многогранники; деконструктивизм — невыпуклые многогранники.[2]

Функции 3D-моделирования в процессе создания и реконструкции зданий и сооружений

Основой для технического надзора, проектирования декоративных навесных фасадов, освещения фасадов, световых шоу и 3D мэппинга, проектирования реконструкции зданий и множества иных целей является точная исполнительная 3D модель фактической геометрии объекта, получаемая по результатам 3D лазерного сканирования объекта или его отдельных частей.

3D модели зданий, их фасадов, прилегающих территорий, а также различных сооружений необходимы пользователям для самых разнообразных целей, а именно: 
— для проектирования реконструкции, реставрации зданий и сооружений и для приспособления их под современные нужды с применением современных средств проектирования в 3D средах; 
— для проектирования дизайна помещений; 
— для контроля построенного здания на соответствие проектной документации, если проект был подготовлен в 3D; 
— для проектирования облицовки фасадов; 
— для проектирования подсветки фасадов; 
— для построения информационной модели здания (Building Information Model) с целью максимальной оптимизации процесса эксплуатации этого здания; 
— для проецирования изображений на фасады по технологии 3D мэппинг (3d mapping); 
— для создания и проведения видеотуров по продаваемым, сдаваемым в аренду помещениям; 
— для создания и проведения видеотуров по музеям и достопримечательностям; 
— для многих других целей.[5]

Создание модели в программе 123DDesign

На этапе подготовки к разработке проекта жилого дома, я обратился к интернет-источникам для анализа существующего программного обеспечения для 3D-моделирования. Простотой освоения и интуитивностью интерфейса меня заинтересовала программа для создания 3D-графикb для архитектора (Autodesk 123D Design). Разработчиками реализована технология “сделай сам”. Эта программа делает доступным 3D моделирование и изготовление изделий для самой широкой аудитории. Кроме вариантов для платформ Windows и Mac, существуют еще мобильная и “облачная” версии 123D Design.  Имея в руках бесплатную программу 123D Design, любой человек может создать набросок идеи изделия, сохранить его в облачном хранилище, открыть сохраненную идею дома на настольном компьютере и отправить электронное изделие на реализацию либо на лазерную нарезку, либо на 3D принтер. [6]

Технологическая часть творческой работы (проекта)

2.1 Выбор идей и вариантов, их обоснование и анализ

Наблюдая жилые комплексы и отдельные жилые сооружения нашего города, меня заинтересовало следующее: какие геометрические формы использованы в их архитектуре? Начиная работать над проектом, я собрал необходимую информацию в интернете, в учебнике по геометрии. Повторил основные геометрические фигуры и их свойства, а также геометрические тела.

Затем я провёл опрос ребят, которые вошли в состав математической школьной команды «Вектор». При опросе респондентам предлагалось ответить на вопросы, связанные с геометрией и архитектурой жилых построек. Результаты опроса приведены ниже.

1. Считаете ли Вы, что геометрия связана с архитектурой?

а) да – 79%

б) нет – 12%

в) затрудняюсь ответить – 9%

2. Какие жилые архитектурные сооружения нашего города Вам нравятся больше всего?

а) Частные дома интересной архитектуры (цилиндры, конусы, пирамиды) - 56%

б) Жилой комплекс «Микрорайон «Новый», улица Семейная» – 15%

в) Жилой комплекс «Микрорайон «Улитка»» – 15%

г) Жилой комплекс «Новая жизнь» – 10%

д) другое – 4%

3. Как Вы думаете, какие геометрические формы чаще всего можно встретить в жилых зданиях нашего города?

а) окружность, круг, шар, сферу – 4%

б) прямоугольник, прямоугольный параллелепипед - 72%

в) квадрат, куб – 14%

г) треугольник, пирамида, конус, цилиндр – 5%

д) разные формы и их комбинации – 5%

4. Представьте, что Вы архитектор. Какую бы геометрическую форму Вы выбрали для постройки жилого здания?

а) окружность, круг, шар, сферу – 5%

б) прямоугольник, прямоугольный параллелепипед - 12%

в) квадрат, куб – 9%

г) треугольник, пирамида, конус, цилиндр – 16%

д) разные формы и их комбинации – 58%

5. Считаете ли Вы, что архитектор при проектировании зданий и других сооружений должен учитывать свойства и особенности геометрических форм?

а) да – 87%

б) нет – 4%

в) затрудняюсь ответить – 9%

Анализируя результаты опроса, можно отметить, что большинство респондентов считают, что геометрия связана с архитектурой, при этом необходимо учитывать свойства геометрических фигур при построении архитектурных сооружений. Большинство опрошенных выбирают вариант частного дома интересной архитектуры (цилиндры, конусы, пирамиды) в качестве жилого сооружения. Основные геометрические формы для жилых построек: прямоугольник, прямоугольный параллелепипед. При этом нужно использовать разные формы и их комбинации.

А также в устной беседе ребята указали отдельные пожелания для жилого загородного дома в форме замка. Здание загородного дома должно быть достаточно просторным, возможно, иметь несколько этажей и большое количество благоустроенных комнат. Это нужно для того, чтобы в таком загородном доме могли одновременно отдыхать большое количество человек и при необходимости, иметь возможность коммуникации в общих помещениях (столовые, кинозал, гостиные, тренажерные залы). Для лучшего обзора окрестностей в доме должны быть балконы, веранды или лоджии. Форма окна должна соответствовать замку, например, арка. Крыша покатая, для того, чтобы здание выдерживало любые погодные условия (дождь, снег). Также в доме должен быть технический этаж, для размещения отопительного оборудования и водопровода, орудий труда, бытовой техники, возможно наличие гаража.

2.2 Выбор материала для объекта, дизайн-анализ.

Для реализации модели жилого загородного дома с включением всех поступивших идей я выбрал материал – ABS-пластик, используемый для 3D-печати. Отсюда и выбор номинации для участия – «3D-моделирование».

В несколько этапов выполнил чертежи будущей модели в графическом редакторе Adobe Photoshop CS6 x64.

Рисунок 2. Общий вид здания.

2.3 Подбор инструментов, оборудования и организация рабочего места

Моделирование выполнялось в компьютерном классе на компьютере-моноблоке Apple iMac 212,5’’, Core 2 Duo 3,06Ghz/ 4Gb/ 500Gb/ GeForce9400/ SD/ Apple remote. Под управлением ОС Winows7 Professional, в редакторе 123D Design.

3D-печать выполняли несколько раз для определения наиболее оптимального результата. Мини-версии модели здания печатали в компьютерном классе на школьном 3D-принтере. Но результат не оправдал ожиданий – мелкие детали были напечатаны некачественно и максимальный размер здания был в высоту менее 80 мм. Рисунок 3,4.

Рисунок 3. Фото рабочего места.

Рисунок 4. Фото пробных моделей, выполненных на школьном 3D-принтере.

Тогда было принято решение обратиться за помощью в ЦМИТ «Метаморфоза» при БГТУ им. Шухова. В этом центре молодежного инновационного творчества нам оказали неоценимую и безвозмездную помощь: нашу модель напечатали на одном из 3D-принтеров с достаточно большими размерами стола. Более того, для украшения здания выполнили логотип нашей команды на фанере с помощью станка лазерной резки Universal laser. Рисунок 5.

Рисунок 5. Фото в ЦМИТ «Метаморфоза».

Таблица. «Сравнительная таблица печати 3D принтеров»

Название принтера

Hercules strong

Myriwell RA200A

Технология печати

FDM/FFF- моделирование методом наплавления

FDM/FFF- моделирование методом наплавления

Область печати

120х114х144 мм

45x40x60 мм

Количество экструдеров

1

1

Диаметр нити

1,75 мм

1,75 мм

Длина нити

112 м

8 м

Вес нити

334 гр

24 гр

Подогреваемая платформа

Да

Да

Закрытая камера

Да

Да

Температура экструдера

До 220 градусов

До 230 градусов

Температура платформы

До 70 градусов

До 102 градусов

Материалы печати

PLA

ABS

Толщина слоя

0,2 мм

0,2 мм

Скорость печати

60 мм/с

50 мм/с

Заполняемость

20%

12%

Подача из сопла

2 мм

2 мм

Время печати

27,5 ч

4,26 ч

2.4 Техника безопасности при выполнении работ

Инструкция №45. Приложение 2.

2.5 Конструкция изделия, эскиз (описание этапов конструирования объекта)

Рисунок 6. Вид сверху

Рисунок 7. Вид переднего фасада

Рисунок 8. Вид сбоку

2.6 Технология изготовления изделия. Технологическая карта изготовления дома

Для создания модели жилого загородного дома я использовал 2 операционные системы – это Windows 7 и Windows 10. На операционной системе Windows 7 я создавал саму модель, а на Windows 10 я ее просматривал. Использовал программное обеспечение для создания модели - 123D Design, а просматривал в программе «Средство просмотра смешанной реальности».
Для создания данной модели я использовал геометрические формы: объемные тела - параллелепипед (1 шт), цилиндр (2 шт), неправильная пирамида (2 шт), арочное окно (16 шт), треугольная призма (3 шт). На создание данного проекта я работал каждый день по 3-4 ч на протяжении 14 дней.
Разработку данного проекта я начал с создания чертежа, в котором я указал схематично вид будущего загородного дома (см рисунок 1). После я приступил к созданию самого загородного дома. Начал с параллелепипеда, который является основой дома, добавил два цилиндра, объединив их в одну колонну. После добавил крышу на само основание и цилиндр. После чего выполнил окна на все стороны дома. В основном на этом заканчивается работа со зданием и начинается работа с фасадом дома.

Дальше уже разрабатывался декор, такой как: флюгер, логотип нашей команды, украшения дверей и крыши, наличники окон.
Для разработки я использовал программу 123D Design, так как она удобна для создания моделей из геометрических фигур (форм).В отличие от тяжелых программ для моделирования, интерфейс 123D Design более понятен и интуитивен. С ним вполне смогут работать пользователи, которые имеют лишь базовые навыки работы в этой сфере. Или не имеют таких навыков вообще. Также есть ряд уже готовых объектов для редактирования: сфера, призма, куб, конус, цилиндр, пирамида.

Таблица. Технологическая карта изготовления дома

Описание фигуры

Графическое изображение

1

Параллелепипед

(основание)

Количество: 1 шт

 

2

Цилиндр

Количество: 2 шт

 

3

Неправильная пирамида

Количество: 2 шт

 

4

Арочное окно (прямоугольник + дуга)

Количество: 16 шт

 

5

Треугольная призма

Количество: 3 шт

 

6

Полигон

Количество: +-100 шт

 

Анализ результатов.

Затраты и себестоимость.

Продолжительность работы над проектом – 2 недели по 3 часа в день. Программы для 3D-моделирования свободно распространяются, они бесплатны. Бабина АBS-пластика - 700-1200 рублей. Для пробной печати использовано всего 8 метров. Для основной печати использовано 112 метров из бабины с PLS-пластиком. Для меня пробная и основная печать обошлись абсолютно бесплатно. Для декора решили взять 150 грамм дробленого камня (щебень), акриловые краски 8 цветов, супер-клей.

Соответствие ожиданиям.

Анализ архитектуры и дизайна здания показывает, что удалось композиционно совместить для основы здания прямоугольный параллелепипед и цилиндр. Покатая крыша представлена неправильными пирамидами и треугольной призмой. Количество комнат – 12, не считая технический этаж. Балконов – 2. Двери – 2 (центральный вход, вход технического этажа). Окна – 20 (арочные окна - 16, прямоугольные двойные распашные -11), над окнами – наличники. Фасад снаружи отделан декоративной штукатуркой в форме мелкого щебня. Цвет фасада здания - бежевый, крыша - зеленая, двери - коричневые, крыльцо – зеленый верх, ставни окон - коричневые.

Команда «Вектор» осталась вполне удовлетворена результатом.

Возможность использовать модель на уроках геометрии и для заказа постройки здания.

Наша модель вполне может быть использована для демонстрации связи геометрии и архитектуры на примере жилого здания. А также модель можно использовать как проект будущего жилого дома.

Используемая литература

Электронный журнал «Архитектура». Жилин С.С., Мисюра Н.Е., Митюшов Е.А. Статья «Применение математического моделирования в архитектурном проектировании высотных зданий». https://cyberleninka.ru/article/v/primenenie-matematicheskogo-modelirovaniya-v-arhitekturnom-proektirovanii-vysotnyh-zdaniy

2. Конференции и журналы для ученых и студентов. Александрова А.С. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ФОРМЫ В АРХИТЕКТУРЕ // Научное сообщество студентов: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: сб. ст. по мат. XXXIV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 23(34). URL: https://sibac.info/archive/meghdis/23(34).pdf (дата обращения: 09.10.2018)

3.Архитектура//Геометрия и искусств [Электронный ресурс]URL: http://geometry-and-art.ru/arhkitekture.html (дата обращения 29.11.2017).

4.Геометрия и архитектурные образы зданий и сооружений // mikroArticles.ru [Электронный ресурс]  

URL: http://www.microarticles.ru/article/geometrija-i-arhitektyrnie-obrazi-zd...  (дата обращения 6.10.2018).
5. Сайт НГКИ. Инженерные изыскания. Построение точных 3D моделей зданий и сооружений по данным трёхмерного лазерного сканирования. http://www.ngce.ru/postroenie_tochnyh_3d-modeley_zdaniy-sooruzheniy.html

6. Сайт Русский САПР. http://rusapr.ru/news/index.php?ELEMENT_ID=811

Приложение1.

Соответствие архитектурных  зданий и сооружений геометрическим телам

Просмотров работы: 17