Диссертационная работа посвящена разработке новой информационной модели процесса проектирования и созданию программного расчетно-графического комплекса для проектирования и исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности строительных конструкций на примере деревянных ферм с металлическими зубчатыми пластинами (МЗП).
Актуальность темы
В современном мире информационных технологий (1Т) важное место занимают 1 Т строительного проектирования (ранее САПР), которые практически полностью вошли в повседневную жизнь инженера-проектировщика. Отечественные продукты программного обеспечения (ПО) -немногочисленны и по ряду причин малоизвестны в мировой практике. В условиях острой нехватки в России инженерных кадров такое ПО является актуальной проблемой при подготовке и (или) переподготовке инженеров-проектировщиков, так как для конструкций из древесины специализированные продукты практически отсутствуют.
В настоящей работе предлагаются программные средства не только для получения быстрых и надежных результатов в области проектирования и исследования строительных конструкций, но и для современных методов эффективного обучения инженеров.
В мировой практике жилищного домостроения весьма популярен один из современных видов соединений деревянных ферм — металлические зубчатые пластины. В России повышенный спрос на МЗП связан с актуальностью жилищного строительства. Выбор в пользу этих соединений обусловлен высокими экономическими и технологическими показателями.
Особенность расчета узла на МЗП при проектировании ферм состоит в сложных сочетаниях анизотропии прочностных и деформационных характеристик как самой МЗП, так и древесины с учетом вида их напряженного состояния (скалывания, смятия, растяжения, изгиба и др.). С учетом большого числа узлов на МЗП в решетчатой конструкции выполнение такого расчета вручную, без автоматизированной системы, весьма трудоемко. Как правило, это приводит к большим запасам по прочности и иногда экономически неоправданной унификации узлов.
Задачи минимального расхода металла пластин с рациональным подбором их рабочих площадей, снижения трудоемкости вычислительных работ при проектировании требуют совершенствования вычислительных процессов и создания новых алгоритмов.
Целью диссертационной работы является:
— разработка интерактивной информационной модели процесса проектирования строительных конструкций, реализующей логику эвристического и детерминированного алгоритмов.
— создание обучающего программного комплекса для проектирования и исследования деревянных конструкций на примере ферм на МЗП с эффективным алгоритмом расчета и конструирования узлов на основе модели процесса проектирования.
Задачи исследования при разработке программного продукта:
1 Провести анализ существующих программных решений по проектированию деревянных ферм, расчету узлов на МЗП.
2 Разработать численные методы работы с объектами вычислительной геометрии, на основе которых создать математический и программный алгоритм определения рабочих площадей МЗП.
3 Разработать и реализовать информационную модель процесса исследования и проектирования строительных конструкций решетчатой конфигурации.
4 Создать следующие информационные модели:
— решетчатых конструкций из инженерной древесины (цельной, клееной древесины, ЬУЬ);
— металлических зубчатых пластин разных типов (с учетом их геометрических, прочностных и деформационных параметров);
— узловых соединений элементов решетки конструкций с произвольным расположением в них МЗП в соответствии с нормативными ограничениями.
5 Создать средства рациональной постановки МЗП в узле путем размещения двух и более пластин с возможностью поворота, изменения параметров МЗП и их расположения относительно центра узла.
6 Разработать компоненты интерактивной помощи при работе с программой.
7 Составить базу знаний по проектированию ферм на МЗП и механизм взаимодействия с пользователем.
8 Разработать нормативно-справочную базу для получения необходимой информации во время проектирования.
Научная новизна работы состоит в новом комплексном решении задач проектирования и исследования строительных конструкций на примере ферм на МЗП, а именно:
— в создании комплекса программных модулей, образующих информационное моделирование интерактивного процесса проектирования;
— в реализации численных и аналитических методов для создания математического и программного алгоритма определения рабочих площадей МЗП, прочностного и деформационного расчетов конструкции, входящих в информационную модель процесса проектирования;
— в разработке новых компонентов интерактивной помощи по проектированию, контролю ошибок ввода информации и контекстной справки по их корректировке;
— во введении в модель процесса проектирования элементов экспертных систем, позволяющих в интерактивном режиме корректировать процесс проектирования по рекомендациям базы экспертных знаний;
— в создании сводных данных («Истории проекта») о ходе процесса проектирования, дающих представление о работе пользователя за время всех сеансов использования программного комплекса.
Положения, выносимые на защиту:
— разработанная интерактивная информационная модель процесса проектирования решетчатых конструкций;
— разработанные численные методы для создания алгоритма определения рабочих площадей МЗП, а также для формирования модели проектируемой конструкции;
— реализованный проблемно-ориентированный программный комплекс для выполнения расчета деревянных ферм;
— разработанные компоненты помощи по проектированию, а также компоненты экспертной системы, позволяющие выявлять ошибки проектирования и выдавать возможные решения.
Практическая значимость работы. Разработанная в диссертации интерактивная информационная модель процесса проектирования позволяет:
— существенно снизить трудозатраты и временные ресурсы на выполнение проектных расчетов;
— выполнять открытый конструктивный расчет узловых соединений на МЗП, в полном соответствии нормативным документам;
— выявлять ошибки проектирования и выдавать рекомендации возможных проектных решений, повышать их качество и эффективность;
— значительно ускорить усвоение пользователем информации по расчету ферм посредством новых обучающих компонентов;
— осуществить переход на вариантное проектирование с исследованием нескольких модификаций конструкций и выбором наиболее рационального проекта;
— получить готовые рабочие чертежи (готовность на 60%) и сформированную пояснительную записку с необходимыми пояснениями и ссылками на нормативные документы;
— существенно сократить время на оформление протоколов расчета, необходимых для представления в экспертизу.
Значимой практической ценностью созданного программного продукта является его ориентация на средства обучения проектированию в инженерных дисциплинах строительных вузов и факультетов страны.
Весьма полезно использовать этот продукт в условиях переобучения и переквалификации инженеров-проектировщиков, в институтах и факультетах повышения квалификации, в создании курсов дистанционного обучения.
Принципы построения и реализации «интерактивной информационной модели проектирования» могут быть положены с основу разработки обучающих программных комплексов для других дисциплин, таких как «Железобетонные и каменные конструкции», «Металлические конструкции», «Основания и фундаменты», «Технология строительного производства» и др.
Методы исследования.
— теоретическое построение математической и информационной модели процесса проектирования;
— численные методы работы с механическими и геометрическими объектами, функции и процедуры объектно-ориентированного программирования;
— методы теоретической и строительной механики.
Внедрение результатов исследований.
— На «УИИК-Ферма» получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 012 612 406 из Федеральной службы по интеллектуальной собственности (копия прилагается к диссертации).
— Комплекс «УИИК ДК» установлен в СПбГАСУ в классе «Информационных технологий проектирования» для проведения академических занятий.
— Программе УИК присвоен Гриф УМО АСВ Новосибирского регионального отделения для обучения студентов по направлению «Строительство» (копия прилагается к диссертации).
— Отзывы и рекомендации зав. каф «КДиП» и «Сопротивления материалов» СПбГАСУ по внедрению программы УИИК в учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:
— на 4-ой и 6-ой Всероссийской Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь — 2007», «Наука и молодежь — 2009» (г. Барнаул, 2007 и 2009 г.);
— на работе III съезда-конгресса Ассоциации деревянного домостроения (г. Санкт-Петербург, 2009);
— на 63-ей Международной Научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);
— на 67-ой и 68-ой Научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (г. Санкт-Петербург, 2010 и 2011 г.);
— на II Международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (г. Брянск, 2011 г.);
— на V Международной Научно-практической конференции «Энергоресурсосберегающие технологии: Наука. Образование. Бизнес. Производство» (г. Астрахань, 2011 г.);
— на II Международной научно-практической конференции «Строительная индустрия: Вчера. Сегодня, Завтра» (г. Пенза, 2011 г.) — на «ХЬ Неделе науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.) — на «XIX научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ» в рамках Дней науки 2012 г. (г. Великий Новгород, 2012 г.) — - на I Международном конгрессе молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов, посвященный 180-летию Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы (43 наименования, включая работы автора), 4 приложений, 74 рисунков и 18 таблиц. Общий объем диссертации -114 страниц.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1 Проведен анализ и выявлены недостатки существующих программных продуктов по проектированию деревянных ферм на МЗП, а именно: скрытие расчета, обязательное наличие знаний по проблемной области для получения технически грамотного проекта, отсутствие интерактивности, определения рабочих площадей МЗП, а также контролирования процесса проектирования и разъяснения проблемных ситуаций.
2 Исследованы, разработаны и обоснованы принципы проектирования обучающей системы.
3 Разработан объектный механизм генерации полигонов стержней фермы для формирования информационной модели процесса проектирования.
4 Разработаны численные методы для определения рабочих площадей МЗП и позиционирования нескольких пластин.
5 Внедрены компоненты контекстной помощи: окно динамических подсказок, бегущая строка динамических сообщений, компонент корректного ввода параметров, составлена нормативно-справочная база.
6 Созданы программные методы формирования пояснительной записки, состоящей из сбора нагрузок на конструкцию, конструктивного расчета элементов фермы, конструктивного расчета узлов на МЗП и расчета на огнестойкость.
7 Созданы средства вывода рабочих чертежей в систему AutoCAD.
8 Создан механизм составления истории расчета с анализом пройденных сеансов.
9 На программу «УИИК-Ферма» получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 012 612 406 из Федеральной службы по интеллектуальной собственности.
Заключение
.
