DIGITALNO MODELIRANJE GRADBENIH OBJEKTOV OD …modeliranje, pri čemer iz 3D modela preprosto izdelamo 2D risbe, s katerimi se še vedno operira na gradbiš čih ter se jih uporablja

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO

Matija Kajba

DIGITALNO MODELIRANJE GRADBENIH

OBJEKTOV OD ZASNOVE DO FIZIČNEGA

MODELA

Diplomsko delo

Maribor, julij 2009

I

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO

SI - 2000 MARIBOR, Smetanova 17

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa

DIGITALNO MODELIRANJE GRADBENIH OBJEKTOV

OD ZASNOVE DO FIZIČNEGA MODELA

Študent: Matija KAJBA

Študijski program: VS Gradbeništvo

Smer: Operativno-konstrukcijska

Mentor: red. prof. dr. Danijel REBOLJ

Somentor doc. Janko ZADRAVEC

Maribor, julij 2008

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju dr. Danijelu Rebolju in

somentorju g. Janku Zadravcu za pomoč in vodenje

pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja moji družini in Iris, ki so me

vzpodbujali in mi dajali energijo, da zaključim

študij.

IV

DIGITALNO MODELIRANJE GRADBENIH OBJEKTOV OD ZASNOVE DO FIZIČNEGA MODELA

Ključne besede: gradbeništvo, informacijski model gradbenega objekta (BIM), 3D

skiciranje, digitalno modeliranje, 3D print

UDK: 004.925.8:624.9(043.2)

Povzetek

V diplomskem delu so opisane nove tehnologije gradbene informatike, povezane s

konceptom informacijskega modela gradbenega objekta ter standardi za izmenjavo

informacij, ki omogočajo višjo stopnjo interoperabilnosti. Predstavljene so prednosti

digitalnega 3D modeliranja pred klasičnim načrtovanjem gradbenih objektov ter

povezljivost med inženirskimi programi, ki uporabljajo digitalni 3D model. V nalogi je bil

izdelan digitalni 3D model poslovno-stanovanjskega objekta Maistrov dvor, s pomočjo

katerega je bil prikazan način, kako izdelati geometrijski model gradbenega objekta od

zasnove do fizičnega modela z uporabo ustrezne programske in strojne opreme. Opisane

so tehnologije za hitro izdelavo prototipov (3D tiskanje) in prikazane možnosti uporabe

hitre izdelave modelov v prihodnosti.

V

DIGITAL MODELLING OF BUILDINGS – FROM CONCEPTS TO

MATERIAL MODEL

Key words: civil engineering, building information model (BIM), 3D sketching, digital

modeling, 3D print

UDK: 004.925.8:624.9(043.2)

Abstract

This diploma paper is presenting new technologies of construction informatics related to

the concept of building information model and to standards for information exchange and

interoperability Advantages of digital modeling over classical plannig of buldings is

presented, as well as interoperability among engineering CAD applications using the

digital 3D model. The digital model of business-residential bulding Maistrov dvor has

been made, which shows the process of making the geometric model of bulding, from

conceptual to physical model by using suitable software and hardware. The diploma paper

also describes Rapid Prototyping technologies and potentials of using rapid modeling in

the future.

VI

UPORABLJENE KRATICE

CAD - Computer Aided Design

BIM - Building Information Model

IFC - Industry Foundation Classes

IAI - International Alliance for Interoperability

CIC - Computer Integrated Construction

CIM - Computer Integrated Manufacturing

IGES - Initial Graphics Exchange Specification

STEP - Standard for the Exchange of Product model data

AEC - Architecture, Engineering and Construction

ISO - International Standard Organisation

RP - Rapid Prototyping

CC - Contour Crafting

VII

KAZALO

1 UVOD ........................................................................................................................... 1

2 MODELIRANJE OBJEKTOV V GRADBENIŠTVU............................................. 3

2.1 Integracija CAD orodij .......................................................................................... 3

2.2 Informacijsko modeliranje..................................................................................... 4

3 KONCEPT INFORMACIJSKEGA MODELA GRADBENEGA OBJEKTA...... 6

3.1 Tradicionalni pristop ............................................................................................. 6

3.2 Pomanjkljivost tradicionalnega pristopa ............................................................... 7

3.3 Pristop z uporabo BIM .......................................................................................... 8

3.4 Delovanje BIM .................................................................................................... 10

3.5 Pričakovane prednosti uporabe BIM ................................................................... 11

3.6 Definicije informacijskega modela gradbenega objekta ..................................... 11

3.7 Tehnologije za izgradnjo informacijskega modela gradbenega objekta ............. 13

3.7.1 Razvoj geometrijskih modelov.................................................................... 13

3.7.2 Razvoj modelov zgradb ............................................................................... 13

3.7.3 Referenčni modeli zgradb............................................................................ 14

3.7.4 Standardi za izmenjavo podatkov in načrtov............................................... 15

3.7.5 IGES ............................................................................................................ 15

3.7.6 STEP............................................................................................................ 16

3.7.7 CIMSteel...................................................................................................... 17

3.7.8 Industry Foundation Classes (IFC).............................................................. 17

3.7.9 Zgodovina razvoja IFC................................................................................ 19

3.7.10 Cilji IFC....................................................................................................... 19

4 ŽIVLJENJSKI CIKEL GEOMETRIJSKEGA MODELA GRADBENEGA OBJEKTA OD ZASNOVE DO FIZIČNEGA MODELA ....................................... 22

4.1 Maistrov dvor ...................................................................................................... 22

4.2 Izdelava idejne zasnove (3D skiciranje) .............................................................. 23

4.2.1 SketchUp ..................................................................................................... 23

4.2.2 3D tiskanje SketchUp modela ..................................................................... 26

4.2.3 Uvoz SketchUp modela v ArchiCAD ......................................................... 27

4.3 Izdelava digitalnega 3D modela (3D CAD) ........................................................ 27

4.3.1 ArchiCAD.................................................................................................... 27

4.3.2 Izdelava načrtov........................................................................................... 30

VIII

4.3.3 Vizualizacije ................................................................................................ 31

4.4 Hitra izdelava prototipov ..................................................................................... 34

4.5 Namen hitre izdelave ........................................................................................... 34

4.6 Postopki hitre izdelave ........................................................................................ 35

4.6.1 3D Print (3DP)............................................................................................. 36

4.6.2 PolyJet ......................................................................................................... 38

4.6.3 Selective Laser Sintering (SLS) .................................................................. 41

4.6.4 Laminated Object Manufacturing (LOM) ................................................... 43

4.6.5 Stereolitography (SLA) ............................................................................... 46

4.6.6 Fused Deposition Modeling (FDM) ............................................................ 48

4.6.7 Laser Enginered Net Sharping (LENS) ....................................................... 48

4.7 Primerjava nekaterih RP postopkov .................................................................... 50

4.8 Izdelava fizičnega modela (3D Print).................................................................. 50

5 PRIHODNOST – AVTOMATIZIRANA GRADNJA ........................................... 52

6 SKLEP ........................................................................................................................ 55

7 VIRI IN LITERATURA ........................................................................................... 57

8 PRILOGE................................................................................................................... 59

Digitalno modeliranje od zasnove do fizičnega modela Stran 1

1 UVOD

Pri projektiranju gradbenih objektov si že dalj časa pomagamo z računalniškimi orodji

CAD (ang. Computer Aided Design). Napredek na tem področju je prinesel prehod iz

dvodimenzionalnega projektiranja, ki je bilo kvečjemu posnemanje risanja na papir, na

napredno 3D projektiranje, ki lahko s konceptom informacijskega modela gradbenega

objekta (ang. Building Information Model - BIM) pokrije celotni življenjski cikel

gradbenega objekta.

V prihodnosti bodo sodelujoči pri projektiranju gradbenih objektov uporabljali še bolj

specializirane programe, zaradi česar bo izmenjava informacij v različnih fazah nastajanja

gradbenega objekta lažje potekala po dogovorjenih informacijskih in podatkovnih

standardih. Format .dxf je bil v preteklosti najbolj znan format za izmenjavo informacij

med inženirskimi programi v gradbeništvu, vendar je omogočal le opisovanje relativno

preprostih geometrijskih podatkov, ne pa tudi zahtevnejših podatkovnih struktur, ki so

potrebne za celosten opis zgradbe. V ta namen je Mednarodna Organizacija za

Interoperabilnost (ang. International Alliance for Interoperability - IAI) razvila shemo za

opisovanje modela zgradbe IFC (ang. Industry Foundation Classes).

Danes že večina pomembnejših računalniških CAD orodij za projektiranje omogoča 3D

modeliranje, pri čemer iz 3D modela preprosto izdelamo 2D risbe, s katerimi se še vedno

operira na gradbiščih ter se jih uporablja v administrativne namene (npr. pridobivanje

soglasij, gradbena dovoljenja ...)

Namen diplomskega dela je prikazati celoten življenjski cikel digitalnega modela od idejne

zasnove do izdelave fizičnega modela. Za izdelavo digitalnega modela je bil uporabljen

programski paket ArchiCAD (Graphisoft), za pokrivanje prve faze (idejne zasnove) pa

program za 3D skiciranje Google SketchUp.

Predstavljene so tudi tehnologije za hitro izdelavo prototipov, s katerimi izdelamo fizični

3D model iz digitalnega modela izdelanega s CAD orodji. Opisani so različni postopki


hitre izdelave ter predstavljene njihove prednosti in slabosti. Raziskali smo tudi, kaj

prinašajo tehnologije hitre izdelave v prihodnosti na področju same gradnje objektov.


2 MODELIRANJE OBJEKTOV V GRADBENIŠTVU

Računalniški programi pomagajo pri vedno večjem številu operacij, ki povezane tvorijo

proces nastajanja navodil za gradnjo, uporabo in načrtovanje konstrukcij. Ker so programi

med seboj pogosto slabo povezani in nezdružljivi, konstrukter često opravlja nalogo

vmesnika med izhodom enega in vhodom drugega programa oziroma med otoki

avtomatizacije, kot tudi imenujemo nepovezane računalniške aplikacije.

Zahteva po integraciji opravil v gradbeništvu in arhitekturi s pomočjo računalnikov in

informacijske tehnologije se pojavi nekako v istem času, ko se drugje v tehniki pojavi CIM

(ang. Computer Integrated Manufacturing). V gradbeništvu to imenujemo tudi CIC (ang.

Computer Integrated Construction). Pomemben del znotraj CIC je računalniško integrirano

načrtovanje ali integrirani CAD.

Motiva za integracijo rešitev v vseh inženirskih panogah sta vsaj dva. Prvi je popolnoma

naravna želja, da se napori vseh, ki kakor koli sodelujejo pri izdelavi enega produkta, čim

bolj povežejo, uporabljajo veliko skupnih informacij. Drugi pa je posledica dejstva, da je

strošek spremembe v fazi načrtovanja bistveno manjši od stroška, ki bi nastal v kasnejših

fazah življenjske dobe produkta, zato je ekonomsko upravičena vsaka rešitev, ki povečuje

odziv čim večjega števila sodelavcev v čim zgodnejši fazi življenja produkta. To pa

omogoča ravno integrirano načrtovanje.

2.1 Integracija CAD orodij

Integriramo subjekte, ki sodelujejo pri načrtovanju. Torej računalniške programe,

projektante in računalnike v vseh mogočih kombinacijah oz. vsakega z vsakim. S stališča

predmetov načrtovanja (konstrukterska opravila, deli načrta) integriramo računalnik v vsa

konstrukterska opravila in konstrukterska opravila med seboj, kjer je računalnik oz.

informacijska tehnologija glavno orodje za povezovanje.


Pomembna lastnost povezljivih programov je njihova sposobnost, da z drugimi programi

izmenjujejo podatke ali informacije. Namenoma poudarjamo razliko med enim in drugim,

saj ravno zaradi razlike med tema dvema pojmoma prihaja do številnih zapletov pri

integraciji različnih CAD orodij:

- Večina sedanjih CAD orodij je prirejena samostojnemu delu ali pa kvečjemu

izmenjavi podatkov, ne pa tudi izmenjavi informacij.

- Obstoječe programske rešitve in gradbena stroka nasploh doslej niso posvečali

posebne pozornosti podatkovnim, kaj šele informacijskim modelom stvari, s

katerimi se ukvarja (za razliko od npr. geometrijskih ali matematičnih). Programi

imajo nejasne in med seboj nekompatibilne predstave o svetu, ki ga obravnavajo.

Pogosto to velja tudi za predpise in strokovno literaturo. Inženir razlike premaguje

s širokim znanjem, ki ga je pridobil v času šolanja, širokega znanja pa ni mogoče

učinkovito kodirati z računalnikom. Za rešitev problema je potrebna natančna

informacijska analiza vsega, kar sodi v računalniško integrirani sistem.

- Programi delajo vsak na svojem modelu. Modeli so na različnih nivojih abstrakcije.

Problem je mogoče reševati na več načinov. Najbolj direktna se zdi izdelava

ustreznih pretvornikov iz enega v drug model, vendar pretvarjanja podatkov iz

nižjega v višji nivo abstrakcije načeloma ni mogoče opravljati avtomatsko.

Razvoja integriranih CAD orodij se lahko lotimo na več načinov. Kratkoročne rezultate

lahko pričakujemo z zamenjavo "pametnega" inženirja z "bolj ali manj pametnimi"

programi za pretvorbo podatkov, dolgoročnejše rezultate pa, ko bodo programi lahko

izmenjevali tudi informacije. [1]

2.2 Informacijsko modeliranje

V računalniško integriranem CAD-u se pojavlja potreba po modelu, ki bi opisoval produkt

v njegovi celotni življenjski dobi. Temu modelu pravimo model gradbeniškega produkta

(ang. building product model) in z njim označujemo skupek vseh podatkov, ki nastajajo in

se uporabljajo.


Ko začnemo govoriti o celoti vseh podatkov, na nek način prihajamo v nasprotje z delom

definicije modela, saj naj bi ta vseboval samo nekatere lastnosti stvari, ki se modelira. Iz

tega izhaja tudi temeljna težava pri izdelavi modelov produktov, namreč njihova obsežnost

in kompleksnost. To je tudi vzrok za to, da se analize takih modelov lotevamo z

močnejšimi orodji za analizo informacij, da na tem področju prihaja do mednarodnega

sodelovanja ter da se modeli in načini za zapis modelov standardizirajo. [1]


3 KONCEPT INFORMACIJSKEGA MODELA GRADBENEGA

OBJEKTA

3.1 Tradicionalni pristop

Gre za pristop, ki temelji na posnemanju risanja na papir z dodanimi novimi

funkcionalnostmi. Nosilci informacij so 2D gradniki (daljica, pravokotnik ...).

Glavne prednosti pred ročnim risanjem na papir so:

- enostavno popravljanje napak v risbi ali pri spremembah (pri klasičnem risanju se

je to reševalo z britvicami in radirkami),

- hitro šrafiranje zidov (velik prihranek časa),

- kotiranje (izbereta se začetna in končna točka, program pa sam nariše kotnico in

dolžino), različni stili kotiranj (gradbeniški, strojniški, puščice …), hitri izračuni

kvadratur,

- organizacija risbe z ravninami (zamrzovanje, zaklepanje, izklop),

- poljubno število tipov, debelin in barv črt, tipov pisav, šrafur (veliko jih je že

nastavljenih, lahko pa jih poljubno dodajamo),

- možnost dodajanja podlog drugih risb (geodetske podloge), vektorskih (dwg, dxf

…), bitnih (jpg, gif …),

- že izdelani simboli, oprema idr. (takšnih, ki jih pogosto uporabljamo, lahko pa

izdelamo tudi svoje),

- poljubno število izpisov na papir, različne kombinacije risb na poljubnem številu

različnih tipov listov papirja, enostavno spreminjanje meril teh risb …

Kasneje so se pojavili tudi novi gradniki, zidovi in odprtine, ki so še vedno temeljili na 2D

osnovi. Prednost je bila v tem, da se je pri izrisu objekta izbral tip zidu (že določena


debelina zidu, šrafura), program pa je nato sam prepoznal, kako naj pravilno zaključi

zidove in povezave med njimi. Tako ni bilo več potrebe po dodatnem šrafiranju in brisanju

odvečnih črt. Pri vnosu odprtin (vrat, oken) se je izbrala že nastavljena odprtina ustreznih

dimenzij, pri postavitvi na njeno predvideno mesto, pa je program sam pobrisal odvečno

šrafuro in črte. Obstajala je tudi možnost uporabe 3D geometrijskih gradnikov (ploskev,

kvader, stožec …), ki jih je bilo možno uporabiti tudi v prostoru, in tako izdelati 3D

predstavitve bodočih objektov.

3.2 Pomanjkljivost tradicionalnega pristopa

Pri tradicionalnem pristopu še ni osnovnih gradnikov, s katerimi bi lahko opisali vse

elemente gradbenega objekta, in s katerimi bi pripravili digitalni model, ki bi mu lahko

dodajali informacije v vseh fazah življenjskega cikla gradbenega objekta.

Ko opazujemo tradicionalni pristop skozi podporo življenjskemu ciklu gradbenega objekta,

bi morala biti podpora upravljanja informacij neprekinjena skozi celoten življenjski cikel

(slika 3.1).

Upravljanje informacij bi moralo biti enakomerno v standardnih okvirjih. Informacije bi

morale biti na razpolago tudi neprekinjeno 24 ur na dan, ves teden, vse leto.


Slika 3.1: Vrednost informacij v življenjskem ciklu gradbenega objekta [5]

3.3 Pristop z uporabo BIM

Pristop z uporabo informacijskega modela zgradb je postal možen šele z ustreznim 3D

objektnim pristopom projektiranja objekta. Gradniki so postali stena, steber, greda, okno

idr.

3D modelirnik ohranja vse lastnosti in možnosti 2D risanja (črte, krivulje, šrafure, kote…),

dodaja pa naslednje glavne lastnosti:

- Osnovni gradniki 3D modela so stena, plošča, teren, streha, steber, greda, okna,

vrata, vogalna okna, strešna okna, stopnice, luči, oprema (pohištvo …), prerezi,

detajli, kamere …

- Ko modeliramo gradbeni objekt, preprosto določimo ravnine prereza skozi objekt

in poglede, program pa nato sam ustvari prereze oz. 2D poglede (slika 3.2). Pri

klasičnem 2D izrisu je potrebno prerez obdelati z opisi, kotirnicami ipd. Vsaka

sprememba 3D modela se prenese tudi na 2D risbe, ki so vezane na 3D model.

- Koncept popravljanja, brisanja, dodajanja je ostal enak kot v 2D risanju, analogno

se prenesejo lastnosti orodij tudi v 3D.


- Poleg organizacije risbe z ravninami je dodana organizacija po nadstropjih, tako

postaja projektiranje predvsem večnadstropnih zgradb bolj pregledno, s čimer je

zmanjšana možnost napak

- Izračunajo se prostornine prostorov in uporabljenih elementov.

- Ustvarimo lahko popise elementov (oken, vrat …), površin, prostornin.

- Model lahko oblikujemo in urejamo v 3D in 2D oknu. V 3D oknu se lahko

»sprehajamo« po objektu po principu prvoosebnih iger.

- Možnost izdelave vizualizacij, realistične vizualizacije, virtualne panorame,

animacije, študije osončenja, študije poteka gradnje …

Slika 3.2: Primerjava tradicionalnega in BIM pristopa [6]


Korak dalje je 4D CAD, kjer vsakemu gradniku ali skupini gradnikov dodamo še

informacijo o času gradnje. Ko dodamo osnovnim gradnikom še informacije o stroških,

dobimo 5D model. S pomočjo informacije o času in stroških lahko izvajamo simulacije

gradnje, planiramo in organiziramo gradnjo ter kasneje vzdržujemo gradbeni objekt.

3.4 Delovanje BIM

S pomočjo BIM lahko izdelujemo povzetke elementov gradbenega objekta, kot so količine,

velikosti, teže, cene idr. Izvajamo lahko simulacije poteka gradnje, potrebe po opremi,

razsvetljave, sposobnosti konstrukcije. Preverjamo lahko prekrivanja z ostalimi 3D

elementi (strojne instalacije - voda, ogrevanje, prezračevanje; elektro instalacije -

razsvetljava, varovanje …), prekrivanja zidov, stropov. Preverjamo pa lahko tudi požarno

varnost, dostope za vzdrževanje in popravila ter drugo (slika 3.3).

Slika 3.3: Prispevanje informacij za delovanje gradbenega objekta in upravljanje [5]


3.5 Pričakovane prednosti uporabe BIM

Prednosti uporabe informacijskega modela gradbenega objekta, ki jih lahko pričakujemo,

so:

- več pozornosti na dodani vrednosti nalog,

- hitrejši časi ciklov,

- zmanjšanje napak in izpuščanj,

- manjša poraba materiala, časa in ponovnega dela,

- manj napak in izgub pri prevajanju,

- povečana varnost gradbišč,

- boljša ocena stroškov in časa gradnje.

Koristi pri uporabi BIM imajo lastnik objekta, planerji, nepremičninski posredniki, cenilci,

bankirji, projektanti, inženirji, kalkulanti, pravniki, izvajalci in podizvajalci gradbenih del,

državni uradniki, upravljavci nepremičnin, vzdrževalci itd. Uporablja pa se tudi pri

razgradnji in recikliranju, preizkušanjih, simulacijah, varnosti in varni uporabi, okoljski

ustreznosti, delovanju tovarn, porabi energije, upravljanju tveganja, upravljavcih

infrastrukture, podpori stanovalcev, prvi pomoči itd.

3.6 Definicije informacijskega modela gradbenega objekta

Informacijski model gradbenega objekta (BIM) je digitalna predstavitev fizičnih in

funkcionalnih karakteristik objekta in služi kot skupna zbirka podatkov za informacije o

oblikovanju zgradbe, kot zanesljiva osnova za odločitve skozi življenjski cikel od zasnove

naprej.


Slika 3.4: Diagram razvoja informacijskega modela zgradbe [7]

Osnovni pogoj za dosleden model zgradbe (BIM) je sodelovanje različnih udeležencev v

različnih fazah življenjskega cikla zgradbe, ki vstavljajo, povzemajo, posodabljajo ali

spreminjajo informacije v BIM procesu, jo podprejo in upravičijo svojo vlogo kot

udeleženci. BIM je skupna digitalna predstavitev osnovana na odprtih standardih za

interoperabilnost.

Interoperabilnost je dinamična izmenjava informacij med različnimi aplikacijami in

platformami, ki služi vsej gradbeni skupnosti skozi življenjski cikel gradbenega objekta.

Kaj je informacijski model gradbenega objekta (BIM) in kakšne so njegove karakteristike?

- BIM je zbirka podatkov življenjskega cikla gradbenega objekta,

- BIM omogoča ustvarjanje povezav med informacijami gradbenega objekta,

- BIM je osredotočen na varčevanje virov (denarja, časa in materiala) skozi vsako

fazo življenjskega cikla gradbenega objekta,

- starejši kot je BIM model, več informacij vsebuje.


3.7 Tehnologije za izgradnjo informacijskega modela gradbenega objekta

3.7.1 Razvoj geometrijskih modelov

Do nekje leta 1500 se je gradilo brez načrtov, tudi zahtevne objekte. Po 1500 se začne

uporabljati papir, prične se risanje v merilu in v perspektivi. Načrt postane glavni način

komunikacije v stroki in tako ostane do danes. [2].

• 2D CAD

- simulacija ročnega risanja

- 2D gradniki v ravnino

- gradniki: daljica, pravokotnik, lok …

• 3D CAD

- 3D geometrijski gradniki v prostor

- gradniki: ploskev, kvader, stožec …

• Objektni 3D CAD

- 3D gradniki iz stroke v prostor

- gradniki: stena, steber, greda, okno …

• Objektni 4D CAD

- 3D gradniki iz stroke v prostor in čas

- gradniki kot zgoraj, z dodano informacijo o času

3.7.2 Razvoj modelov zgradb

Tehnologija CAD je bila izumljena že v 60 letih, a kljub temu se je uveljavila šele po 20

letih obstajanja na tržišču. Temu je pripomogla vizija podjetja Autodesk, da izdela program

za risanje z računalnikom, ki bo stal 1000 ameriških dolarjev. Pred tem so bili namreč

CAD sistemi izredno dragi, saj so zahtevali prilagojeno strojno in programsko opremo.

Cena posnemanja risanja na papir je bila za običajne uporabnike tako nesprejemljiva,

vprašljiva pa je bila tudi učinkovitost. CAD sistemi so tako postali dostopnejši in boljši z

razvojem osebnih računalnikov. Konec 80-ih let se kot novost v CAD vgradijo 3D modeli,


programi pa se še dodatno izpopolnjujejo. CAD sistemi se začnejo pospešeno uporabljati,

predvsem zaradi možnosti ponovne uporabe že izdelanih risb, velike natančnosti, hitrejše

izdelave, izmenjave itd. Kljub številnim prednostim pa najdemo tudi nekaj slabosti, kot so

nepotrebnost pretirane natančnosti v gradbeništvu (natančnost CAD-a je posledica uporabe

v strojništvu) ter nezmožnost takojšnje uporabe načrta, kot je to mogoče z načrtom na

papirju, saj potrebujemo računalnik in datoteko razumljivo CAD programu. Za izmenjavo

podatkov med dvema različnima programoma, ki uporabljata različne zapise, je tako

potrebno izdelati dva pretvornika, za n pa (n*n-1) pretvornikov (slika 3.5, levo). Takšen

način izmenjave bi od proizvajalca programa zahteval izdelavo pretvornikov za vse

programe, ki bi potrebovali podatke izdelane s programom proizvajalca. Takšen način

izmenjave bi pa za proizvajalce in uporabnike bil izjemno težaven in zamuden. Zato je šel

trend v izdelavo nevtralnega formata, ki bi ga razumela vsa orodja in znali zapisovati vsi

programi (slika 3.5, desno). Tako med pomembnejše, že iz začetka 80-ih let, uvrščamo

IGES (Initial Graphics Exchange Specification), ki je podoben AutoCAD-ovemu formatu

.dxf, ki je v uporabi danes. Prvi nevtralni modeli pa so bili osredotočeni zgolj na

geometrijo. [3].

Slika 3.5: Neposredna (levo) in centralizirana (desno) izmenjava podatkov [3]

3.7.3 Referenčni modeli zgradb

Ker razlaga geometrije ni dvoumna, so postopoma geometrijskim podatkom pripisali še

pomen. Prvi modeli zgradb so bili za področje arhitekture izdelani leta 1979, pri čemer Bijl

predstavi integrirani CAAD sistem (Computer Aided Architectural Design), leta 1981 pa

Yaski izdela konsistentno zbirko za integriran CAAD sistem. K sistematični izdelavi

modelov zgradb, ki pokrivajo širše področje, pa se je pristopilo šele v preteklem desetletju.

Skupni imenovalec vseh rešitev je celovit zapis gradbenih elementov in skupni produktni


model. Razvoj produktnega modeliranja je temeljil na dogovoru o zapisu informacij, pri

čemer se resen razvoj prične z letom 1984, ko se ustanovi PDES/STEP. Na tej osnovi se

razvije več modelov zgradb, kot je na primer finski RATAS in BCCM (Building

Construction Core Model). Pri zasnovi modelov pa so šli še dlje, saj so si zadali nalogo

opisati vse informacije, ki so potrebne za izgradnjo objekta na način, ki bi omogočal

uporabo informacij v vseh fazah. Popoln pregled razvoja modelov zgradb je podal

Eastman. [3]

3.7.4 Standardi za izmenjavo podatkov in načrtov

Razvoj standardov za izmenjavo podatkov iz načrtov:

• 1980 IGES

- Initial Graphics Exchange Specification

- težnja: nevtralni DXF

• 1990 STEP

- Standard for the Exchange of Product Data

- več kot le geometrija

• 2000 IAI-IFC

- Industry Alliance for Interoperability

- Industry Foundation Classes [2]

3.7.5 IGES

Pomemben korak na področju izmenjave podatkov je bil storjen leta 1979, ko se je

vzpostavil IGES (ang. Initial Graphics Exchange Specification), podprt s strani

nacionalnega Odbora za standardizacijo (sprejet s strani ANSI standarda 1981). Ta

standard so razvili v glavnem ameriški proizvajalci CAD sistemov in je sprejet kot format

za prenos ASCII datotek, ki se je lahko izmenjeval med katerim koli CAD sistemom. IGES

prevajalci, ki so jih razvili proizvajalci CAD sistemov, so bili manj zanesljivi, deloma

zaradi nedorečenosti v specifikacijah, deloma zato, ker so proizvajalci CAD sistemov

uporabili samo del standarda. Te težave so vzpodbudile francosko podjetje Aerospatile, da

razvije lastni standard SET (Standard d’Echange et de Transfert), ki je kasneje (1985) s

strani francoskega nacionalnega telesa za standardizacijo (ANFOR) sprejet kot standard, in


od takrat postane široko sprejet v evropski letalski industriji. SET standard uporablja

podoben model podatkov kot IGES, vendar v veliko kompaktnejšem formatu.

Omejitve IGES-a so spodbudile tudi nemško avtomobilsko industrijo, da razvije lastni

standard, a v tem primeru je bil cilj, da se preseže omejitve IGES standarda, ki je lahko

predstavljal samo površine s kvadratno osnovo. Standard VDA/FS (Verband der Deutsche

Automobilindustrie) je razvit s ciljem, da bi se lahko predstavljale površine višjega reda.

Druga verzija tega standarda je vključevala tudi topološke geometrijske informacije. V tem

času omenjenih dogodkov, ki so se dogajali v Evropi, se je delo na IGES-u in drugih

eksperimentalnih standardih hitro nadaljevalo. IGES verzija 2.0 se je pojavila leta 1983 in

je vključevala enitete iz aplikacij FE (končnih elementov) in električnih sistemov. Čeprav

ni nikoli postala uraden standard, je bila verzija 2.0 široko sprejeta v CAD industriji.

Čeprav je IGES dominanten standard za izmenjavo podatkov med CAD sistemi, so bile v

preteklem obdobju razvite številne alternative. Ker so bila vedno določena nezadovoljstva

vezana na osnovne principe, na katerih je zasnovan IGES standard, so navedeni faktorji

privedli, da se razvije mednarodni standard s ciljem integriranja pridobljenih znanj in

zagotavljanja temeljno izboljšane osnove za aktivnost standarda na tem področju.

Specifikacija za izmenjavo podatkov (PDES) je nastala na bazi iniciative iz leta 1984, s

strani IGES organizacije. [4]

3.7.6 STEP

STEP (STandard for the Exchange of Product model data) je standard za opis informacij o

produktu. Vključuje standardizirane mehanizme za izmenjavo podatkov o produktnem

modelu in je mednarodni industrijski standard za računalniško predstavitev podatkov o

produktu s formalnim imenom ISO 10303. Njegov razvoj vodi ustrezna tehnična komisija

ISO TC 184/SC4. Glavni deli standarda so metode opisa, ki določajo način izdelave

informacijskih modelov, aplikacijski protokoli, ki v obliki specifikacije definirajo

aplikacijo standarda STEP za določeno stroko (običajno gre za izmenjavo znotraj določene

stroke), integrirani viri, ki vsebujejo splošne opise (npr. geometrije, splošnih struktur) in se

uporabljajo pri skoraj vseh produktnih modelih, ter metode za implementacijo, ki

standardizirajo načine izmenjave podatkov o produktih. Najpomembnejši prispevek

metodologije STEP je razvoj jezika EXPRESS. Ta omogoča konceptualen opis informacij

o zgradbi v obliki sheme, ločitev opisa informacij in fizičnega zapisa digitalnega modela in


koncept aplikacijskih protokolov. Čeprav je informacijski model popolnoma ločen od

digitalnega zapisa, je z definicijo informacijskega modela določen tudi fizični digitalni

zapis. SDAI (Standard Data Access Interface) definira nizko nivojni programski vmesnik

za podatke definirane z EXPRESS-om, kot so STEP aplikacijski protokoli. STEP definira

skupek splošnih SDAI operacij v ISO 10303-22. Te operacije so definirane v specifičnih

programskih jezikih z jezikovnimi povezavami. SDAI povezave so definirane za C, C++ in

Javo. Kljub praktičnosti uporabe shem modelov zgradb se le-te niso uveljavile v večji

meri. Izjemo predstavljata dve shemi, ki imata mednarodno zaledje, to sta shema za opis

modelov predvsem jeklenih konstrukcij CIMsteel (SCI, 2000) in do sedaj največja shema

modela zgradbe IFC (IAI, 2000). [3]

3.7.7 CIMSteel

Razvoj sheme CIMsteel se izvaja pod okriljem mednarodnega inštituta za jeklene

konstrukcije SCI (Steel Construction Institute), v katerega je vključeno preko 600

organizacij iz 37 držav. Prva verzija je izšla sredi devetdesetih. V primerjavi z ostalimi

referenčnimi shemami se CIMSteel osredotoča zgolj na jeklene konstrukcije. Temelji na

tako imenovanem logičnem produktnem modelu (LPM), ki vključuje vse ključne

informacije od zasnove do izvedbe jeklenih konstrukcij. Od modela CIMsteel si lahko

največ obetajo konstruktorji, ki bodo hitreje izdelali projektno dokumentacijo, saj se

podatki med fazami enostavno izmenjujejo. [3]

3.7.8 Industry Foundation Classes (IFC)

Temeljni razredi za industrijo - IFC (ang. Industry Foundation Classes) sodijo med

najnovejše in največje industrijske standarde s področja produktnih modelov v

gradbeništvu. Razvoj IFC se začne leta 1994, ko želi skupina podjetij iz ZDA izboljšati

izmenjavo podatkov med različnimi programskimi orodji. Autodesk ponudi že dosti prej

načrtovano rešitev za program AutoCAD, razvojno okolje ARX. Učinkovito razvojno

okolje, ki nadomešča okorni AutoLisp, naj bi spodbudilo razvijalce programske opreme za

AEC k novim implementacijam orodij na osnovi AutoCAD-a. Kljub temu, proti

Autodeskovim pričakovanjem, da bodo vsi zadovoljni z razvojem na osnovi geometrije

AutoCAD-a, se konec leta 1995 ustanovi združenje IAI (ang. International Aliance for

Interoperability), ki želi zagotoviti neodvisne temelje za izmenjavo podatkov. IAI


koordinira razvoj sheme modela zgrade IFC, ki je do danes izšel v štirih uradnih izdajah, v

pripravi pa je izdaja tretje generacije modela zgradb IFC. [3]

IAI je neprofitno, globalno združenje za gradnjo in upravljanje nepremičnin, s približno

600 člani v 24 državah in je organizirana z 11 regionalnimi IAI sekcijami (chapters).

Osnovana je bila leta 1995 s primarnim fokusom na razvoju inovativnih konceptov, ki bi

izboljšale načine za delitev informacij skozi življenjski cikel gradbenih projektov. Vizija

IAI je vzpostavitev osnov za izboljšanje učinkovitosti procesov, predvsem v povezavi z

deljenjem informacij v graditeljstvu in upravljanju z nepremičninami. Poslanstvo IAI je

definirati, promovirati in objaviti specifikacije za deljenje informacij skozi celotni cikel

projekta, globalno, preko meja strok in preko meja programov.

Rezultati tega truda so Industry Foundation Classes (IFCTM in ifcXMLTM).

IFC predstavlja strukturo podatkovnega modela za izmenjavo konstrukcijskih podatkov in

podatkov za upravljanje med različnimi aplikacijami na AEC področju. Je objektno

orientiran podatkovni model, osnovan na definicijah razredov, ki predstavljajo stvari

(elemente, procese, oblike itd.), ki se uporabljajo v programskih paketih skozi gradnjo ali

za upravljanje objektov. Osredotoča se na tiste razrede, ki so potrebni za delitev informacij,

kar je boljše, kot da se ustvarjajo v posameznih programskih paketih. IFC podatkovni

model je nevtralen in odprta specifikacija ni nadzorovana s posameznim ali skupino

prodajalcev. IFC je definiran, dokumentiran in objavljen s strani IAI, ter je na voljo kot

ISO PAS (Publicly Available Specification) 16739 do leta 2011.


3.7.9 Zgodovina razvoja IFC

Na sliki 3.6 je prikazan obseg informacij, ki jih zajemajo posamezne verzije IFC skozi čas.

Slika 3.6: Kronologija razvoja IFC-ja [5]

3.7.10 Cilji IFC

IFC je zelo ambiciozen, saj naj bi omogočal izmenjavo vseh informacij o zgradbi. Ker je

model zelo obširen, je zahteval bolj sistematičen pristop. Število shem za različne tipe

informacij se je večalo tako, da je bila potrebna ustrezna organizacija po pomenu in

namembnosti. IFC vsebuje štiri sloje shem (slika 3.7, od spodaj navzgor): viri, osrednji

sloj, sloj skladnosti in domenski sloj. [3]


Slika 3.7: Razčlenjen prikaz modela zgradb IFC 2x [3]

IFC postavlja številne zahteve, katerim bi moral ustrezati model zgradb, da bi ga bilo moč

uspešno uporabiti v industriji. Posebna pozornost je posvečena štirim bistvenim odlikam

modela (specifičnim za gradbeništvo), ki jih poimenujejo kar glavne informacijske osi

modela:

• Življenjski cikel. Cilj modela zgradb IFC je omogočiti izmenjavo in razpolaganje

informacij o zgradbi skozi njeno celotno življenjsko dobo. Pri tem model IFC (oz.

njegovi sestavni deli) ne vključujejo referenc na različne faze projekta, ampak

samo omogočajo zapis ključnih informacij, ki nastanejo v različnih fazah projekta.

• Stroka. V okviru interdisciplinarnega procesa, kot je graditev, se pojavijo različne

interpretacije delov modela v skladu s pogledi stroke na obravnavano

problematiko. Da bi lahko opisali različne poglede, model IFC uvaja koncept vlog

(strojni inženir, konstruktor, investitor).

• Stopnja podrobnosti. Zgradbe vključujejo veliko vrst različnih fizičnih in

abstraktnih pojavov, ki jih je potrebno opisati. Ti se interpretirajo glede na zgoraj


navedene vloge v projektu. Strategija modela IFC ni v tem, da bi popisali vse

možne poglede vseh tipov in podtipov objektov. Model se osredotoči na opis

objektov na višjem nivoju, ki ne vključuje podrobnosti in atributov.

• Računalniška aplikacija. Model naj bi omogočal izmenjavo in razpolaganje z

informacijami med različnimi aplikacijami istega tipa – med homogenimi

aplikacijami (npr. CAD sistem s CAD sistemom) ali različnega tipa – med

heterogenimi aplikacijami (npr. CAD – MKE program). Razvoj modela IFC je

pritegnil številne proizvajalce programske opreme za AEC. Z novimi aplikacijami

se pojavljajo tudi nove potrebe po opisu informacij, tako da je potrebno model

vedno znova razširjati. Razširijo ga tako, da z novimi verzijami razširijo ustrezen

sloj modela. [3]


4 ŽIVLJENJSKI CIKEL GEOMETRIJSKEGA MODELA

GRADBENEGA OBJEKTA OD ZASNOVE DO FIZIČNEGA

MODELA

V diplomski nalogi je geometrijski model izdelan v programskem paketu ArchiCAD, ki

sicer pokriva vse nivoje digitalnega modeliranja. Za pokrivanje prve faze življenjskega

cikla geometrijskega modela objekta, torej za izdelavo idejne zasnove, pa menimo, da je

primernejše in enostavnejše orodje Google SketchUp. Poleg tega si idejno zasnovo -

zamisel, za lažjo predstavo, lahko izdela vsak sam, in to brez nakupa programskih orodij za

risanje, kot so Autodeskov AutoCAD ali Graphisoftov ArchiCAD ipd. V prvi fazi, fazi

osnutka ali idejne zasnove, ne potrebujemo vseh detajlov objekta, tudi nesmiselno bi bilo,

da bi se v tej fazi vlagalo preveč časa in energije v izdelavo preveč natančnega 3D modela.

V tej fazi se namreč nenehno spreminja tako razporeditev prostorov kot tudi oblika.

Slika 4.1: Potek življenskega cikla geometrijskega modela

4.1 Maistrov dvor

Predmet diplomske naloge je objekt imenovan Maistrov dvor, čigar avtor je arhitekt g.

Janko Zadravec, ki je hkrati tudi somentor tega diplomskega dela.

Gre za poslovno-stanovanjski objekt v centru Maribora, ki bo stal na križišču Razlagove

ulice in Ulice heroja Staneta, med Maistrovim in Rakuševim trgom, nasproti mariborske

občine in Hutterjevega bloka, na južni strani pa se bo držal obstoječega objekta Vinaga.

Objekt ima štiri etaže podzemnih garaž, pritličje, šest nadstropij in mansardo z ravno


strešno konstrukcijo. Obsegal bo 45 stanovanj, 206 garažnih mest in 4000 m2 poslovnih

prostorov. Projektiran je z nadstandardnimi normami za stanovanjsko gradnjo. Investitor

objekta je KBM Invest, izvajalec pa Konstruktor. Rok izgradnje je maj 2010.

4.2 Izdelava idejne zasnove (3D skiciranje)

4.2.1 SketchUp

V preteklosti so bili risarski programi, še posebej programi za 3D modeliranje, težki za

učenje, poleg tega so bili plačljivi. Danes si lahko vsak prenese s spleta različne brezplačne

programske rešitve, med katerimi velja izpostaviti program SketchUp

(http://sketchup.google.com/), v katerem je prepoznala potencial korporacija Google in ga

kupila. S tem nakupom je postala osnovna inačica SketchUp-a brezplačno dostopna.

Google je izdelal tudi nov portal (http://sketchup.google.com/3dwarehouse) za objavo 3D

modelov. Objavljeni model je možno povezati z njegovo geolokacijo in si ga ogledati v

Google Earth-u. To pa je zelo uporabno pri umestitvi obravnavanega objekta v prostor -

3D virtualni prostor.

Vsakdo, ki rad skicira ročno, a ni zadovoljen z uporabnostjo CAD programov v te namene,

bo znal ceniti SkechUp-ov pristop pri skiciranju. CAD paketi, ki so pri današnjem

projektiranju nepogrešljivi, niso namenjeni hitremu oblikovanju in razvijanju osnovne

ideje. Uporabniški vmesnik pa omogoča hitro in enostavno izdelavo, spreminjanje in

analiziranje 3D modelov. Osnova skiciranju je preprosto risanje robov bodočega modela v

3D prostoru, enako, kot bi uporabljali svinčnik in papir. Zmožnost programa SketchUp, da

samodejno zazna tip in naravo tako skiciranih linij, zagotavlja zapolnitev oblike in s tem

izdelavo 3D teles. SketchUp temelji na konceptu metode potisni/povleci (Push/Pull). Ta

omogoča, da s klikom miške na poljubno površino in z njenim vlečenjem ali potiskanjem

ustvarjamo 3D oblike. Tako uporabnik hitro oblikuje zahtevno 3D geometrijo s

pomikanjem ploskev ali robov.

Primerjavo prostoročne skice in skice narejene v SketchUp-u z uporabo stila Paper on

Tracing Paper prikazuje slika 4.2. Skici prikazani na sliki sta bili izdelani v podobnem

času. Prednost skice narejene v Google SketchUp-u je v možnosti analize 3D skice v

prostoru, na kateri se lahko izvajajo različne meritve, prerezi, študije osenčenja, izdelava


preprostih animacij, dodajanje poljubnih tekstur na površine, ocene stroškov, umestitve v

virtualni prostor (Google Earth) itd.

Slika 4.2: Primerjava prostoročne skice (levo) in skice narejene v SketchUp-u (desno)

V nadaljevanju opišemo geopozicioniranje v Google Earth-u. Orodja Google Earth, Nasa

World Wind, Microsoft Virtual Earth 3D ipd. so programi, s katerimi si lahko ogledujemo

virtualno Zemljo, ki jo tvorijo bolj ali manj natančne satelitske fotografije v kombinaciji z

digitalizirano površino Zemlje. Slovenija je trenutno slabo pokrita, se pa stanje izboljšuje.

Predvidevamo, da bodo tovrstna orodja osnova za spletne brskalnike prihodnosti, kjer se

bodo informacije navezovale na dejanske geolokacije objektov.


Slika 4.3: Uporabniški vmesnik programa SketchUp

Objektu, ki ga obdelujemo, je možno geolokacijo dodati v Google Earth-u, kasneje pa ga

lahko prenesemo tudi na portal 3D Warehouse. V primeru, da se želi geopozicionirati

obravnavani objekt, morata biti odprta oba programa, Google SketchUp in Google Earth.

V Google Earh-u se poišče lokacija, v SketchUp-u pa se izbere tipko za uvoz terena, kjer

sledi višinska poravnava ter nastavitev položaja glede na sever.

Rezultat je možno izvoziti v datoteko v formatu .kmz in jo predati investitorju (spletna

stran, elektronska pošta). Ko se .kmz datoteka odpre v Google Earth-u, se samodejno

popelje na lokacijo s postavljenim objektom (slika 4.4).

Lahko pa se tako pozicioniran 3D model odloži na spletni portal 3D Warehouse, kjer lahko

vsakdo dostopa do njega.

Ko je datoteka odložena na spletnem portalu, je objekt možno najti v Google Earth-u, če

odpremo datoteko http://services.google.com/earth/kmz/3D_Warehouse.kmz.


V tem primeru moramo vedeti, na kateri poziciji se nahaja objekt in sami poiskati to

lokacijo. Ko je v Google Earth-u odprta prej omenjena datoteka, se pojavijo tudi objekti

ostalih ustvarjalcev, ki so poslali svoje izdelke na spletni servis 3D Warehouse.

Obravnavani primer v diplomski nalogi je na naslovu:

http://sketchup.google.com/3dwarehouse/details?mid=6e72b9c30da1e17d4028f99722c00d

21

Slika 4.4: Idejna zasnova umeščena v prostorski model Google Earth

4.2.2 3D tiskanje SketchUp modela

Model narejen v SketchUp-u je možno tudi natisniti (izdelati fizični model) s pomočjo

katere koli izmed tehnologij za hitro izdelavo prototipov (ang. Rapid Prototyping – RP), ki

so na voljo na trgu. Za ta postopek je potrebno namestiti vtičnik CADspan, ki ga je možno

brezplačno dobiti na spletni strani http://www.cadspan.com/. Vtičnik omogoča pretvorbo


SketchUp-ove (.skp) datoteke v .stl format, ki je standarden za vse RP tehnologije.

Postopek poteka tako, da na CADspan-ov server pošljemo .skp datoteko modela in čez

nekaj časa dobimo vrnjeno datoteko modela v .stl formatu, ki jo lahko natisnemo brez

naknadne obdelave oz. priprave modela na tisk.

4.2.3 Uvoz SketchUp modela v ArchiCAD

ArchiCAD v osnovi omogoča odpiranje SketchUp-ovih (.skp) datotek, vendar pa je

potrebno za samodejno pretvorbo nujno namestiti brezplačni vtičnik za odpiranje datotek

SketchUp-a, ki ga je možno najti na Graphisoftovi spletni strani. Šele ko je vtičnik

nameščen in se pod Open izbere tip datoteke SketchUp File (*.skp) obstaja možnost

samodejnega pretvarjanja ploskev, ki so osnovni gradniki v SketchUp-u, v 3D gradnike, s

katerimi se nadaljuje delo v ArchiCAD-u.

V naslednjem koraku se lahko izbere avtomatiko ali pravila, po katerih se lahko spreminja

elemente. Pravila lahko določamo sami. Ploskovni modeli, ki so osnova SketchUp-a, se

pretvorijo v stene, plošče, odprtine, strehe idr. Če npr. uporabljamo v SketchUp-u elemente

za odprtine, jih pravilno prepozna tudi ArchiCAD. Če je pretvorba pravilna, je

prihranjenega kar nekaj dela.

4.3 Izdelava digitalnega 3D modela (3D CAD)

4.3.1 ArchiCAD

Osnova vsem Graphisoftovim izdelkom (http://www.graphisoft.com/) je virtualna zgradba,

3D digitalna baza, ki sledi oziroma vsebuje vse elemente, iz katerih bo nekoč sestavljena

resnična zgradba. Model virtualne zgradbe omogoča tudi vodenje in upravljanje z zgradbo

skozi njen celoten življenjski cikel.

ArchiCAD z enim samim programskim paketom pokriva vse nivoje arhitekturnega

procesa, od projektiranja in dokumentiranja do komunikacije in sodelovanja.

Ko se gradijo elementi v tlorisu, ArchiCAD ustvarja centralno bazo, ki lahko istočasno

rokuje s 3D modelom oz. s tlorisi, prerezi, različnimi 3D pogledi, popisi komponent in

količin, materiali ali dimenzijami. Ob kakršni koli spremembi projekta se le-ta vnese samo

enkrat, saj bo avtomatično upoštevana v celotni dokumentaciji. Na primer, če spremenimo


dimenzije okna na fasadi, se sprememba samodejno izvede v prerezih, tlorisih, 3D oknu,

popisih itd.

Za izdelavo 3D modela se v ArchiCAD-u uporabljajo osnovni gradniki (slika 4.5): Zid

(Wall), Zaključek zidu (Wall End), Vrata (Door), Okna (Window), Vogalno okno (Corner

window), Strešno okno (Skylight), Streha (Roof), Greda (Beam), Steber (Column), Plošča

(Slab), Stopnice (Stair), Teren (Mesh), Področje (Zone), Oprema – pohištvo (Object), Luči

(Lamp).

Za izdelavo dokumentacije se uporabljajo (slika 4.5): Kotiranje (Dimension), Vogalno

kotiranje (Angle Dimension), Tlorisne višinske kote (Level Dimension), Kote za krivulje

(Radial Dimension), Tekst (Text), Označbe (Label), Polnilo (Fill), Črta (Line), Polilinija

(Polyline), Zglajena linija(Spline), Vroča točka (Hotspot), Slika (Figure), Risba (Drawing),

Prerez-fasada (Section), Detajl (Detail), Kamera (Camera).

Slika 4.5: ArchiCAD 11 orodja za izdelavo 3D modela in njegove dokumentacije

Izdelava 3D modela se prične podobno kot vsako 2D risanje. Lahko se začne v tlorisnem

oknu, seveda pa je mogoče risati tudi v 3D oknu, vendar to pomeni nekaj privajanja. Pri

izrisu elementov je potrebno upoštevati, da se dela v treh dimenzijah, kar pomeni, da se

vsakemu elementu podaja tudi njegova višina in višina, na kateri se ta element nahaja.

Pomembno je tudi to, da imamo pri delu z ArchiCAD-om poleg organizacije risbe z


ravninami (layers) še organizacijo po nadstropjih (stories), ki jih je najbolje nastaviti že kar

na začetku modeliranja. Če ugotovimo, da nastavitve nadstropij ne ustrezajo, jih lahko

kadar koli popravimo. Nadstropja se nastavljajo od višine gotovega tlaka tako, da pri

nastavitvah nadstropij uporabljamo etažne višine. V tem primeru kasneje tudi ni težav pri

kotiranju tlorisnih višinskih kot. Princip konstruiranja gradbenega objekta je takšen, da se

vsako nadstropje riše na svoje nadstropje (story), s tem je omogočena kontrola nad

natančnim pokrivanjem, ko se vklapljajo/izklapljajo navidezne ravnine (Trace reference),

te pa so prikazane z drugačno, nemotečo barvo. Včasih so se nadstropja risala eno zraven

drugega, zato je pogosto prihajalo do napak (npr. dimnik v nadstropju je bil na drugi

lokaciji kot v pritličju). S takšno organizacijo risanja pa je koncept bližje BIM-u in IFC

strukturi. Ko se oblikujejo 3D objekti, so v veliko pomoč prerezi in fasade, kjer se lažje

kombinirajo plošče, estrihi in ostale višinske poravnave elementov (okna, špirovci …),

spremembe pa se takoj, samodejno prenesejo v vsa ostala okna (3D, tloris, popise …).

Samodejno pa se spreminjajo tudi opisi in kote, ki so vezane na element, ki se ga premika

ali se mu spreminja dimenzije.

V diplomski nalogi smo izdelali 3D model na osnovi digitalnih 2D načrtov v .dwg formatu.

Tlorise, prereze in fasade smo v ArchiCAD uvozili v predhodno določena nadstropja

(stories), prereze (sections) in fasade (elevations) ter jih uporabili kot referenčne risbe za

naš 3D model. Pri takšnem načinu 3D modeliranja, ko izhajamo iz že obstoječih 2D

načtrov, se hitro pokažejo napake, ki so nastale pri klasičnem projektiranju in risanju v 2D

načinu. Pogosto prihaja do napačnih dimenzij in pozicij elementov ter neujemanj med

posameznimi tlorisi, prerezi, detajli in fasadami. Zato bi tukaj posebej poudarili prednost

3D modeliranja pred klasičnim risanjem 2D načrtov.


Slika 4.6: Uporabniški vmesnik ArchiCAD 11

Natančen postopek risanja v ArchiCAD-u ni predmet te naloge, zato tudi ne opisujemo

detajlne uporabe vsakega posameznega orodja. Za učenje ArchiCAD-a so v Pomoči (Help)

nazorni priročniki, na spletni strani Graphisoft pa se lahko najdejo interaktivni filmi za

učenje (http://www.graphisoft.com/products/archicad/ac11/ITG/).

4.3.2 Izdelava načrtov

Ko imamo izdelan digitalni 3D model, lahko iz njega dobimo 2D tehnične risbe prerezov

in tlorisov na kateri koli dolžini, širini ali višini objekta. Te risbe lahko skotiramo, jih

ustrezno dopolnimo in izvozimo v klasičnem .dwg formatu. Kasnje se risbe natisnejo in

uporabijo kot načrti v tehnični dokumentaciji (PGD, PZI ...). Tako projektiranje, risanje

načrtov in digitalno modeliranje niso več med seboj ločeni procesi, ampak so združeni v en

sam proces, ki pokriva vse hkrati. Na ta način prihranimo čas in se izognemo napakam.


4.3.3 Vizualizacije

Pri projektiranju moramo upoštevati, da je potrebno investitorju predstaviti, kar smo si

zamislili. To lahko predstavlja težavo, če investitorju niso blizu dvodimenzionalne risbe in

opisna geometrija. V ArchiCAD-u uporabljamo koncept virtualnega objekta in od vsega

začetka modeliramo v treh dimenzijah. Zato je logično, da 3D model za lažjo predstavo

vizualiziramo v takšni ali drugačni obliki. Predstavitve so lahko različnih tipov (3D render

risbe, fotorealistične risbe, animacije, virtualna resničnost, fizični 3D model …), vsaka pa

ima svoje prednosti in slabosti.

Slika 4.7: Maistrov dvor - 3D render risbe (zunanjost)


Slika 4.8: Maistrov dvor - 3D render risbe (notranjost)

Fotorealistične risbe omogočajo čim bolj resničen prikaz 3D modela. To pomeni, da

moramo model čim natančneje zmodelirati, površinam določiti čim realnejše teksture in

nastaviti ozadje, ki je lahko dejanski posnetek mesta, kjer bo objekt umeščen (slike 4.9–

4.11).

Slika 4.9: Fotomontaže - Maistrov dvor (vzhod)


Slika 4.10: Fotomontaža - Maistrov dvor (zahod)

Slika 4.11: Fotomontaža - Maistrov dvor (sever)


4.4 Hitra izdelava prototipov

Glede definicije hitre izdelave so mnenja danes precej razdeljena. Prevladujoče mnenje je,

da med postopke hitre izdelave spadajo le postopki, pri katerih do izdelka pridemo brez

kakršnega koli posredovanja med CAD sistemom in napravo za hitro izdelavo. Postopek

naj bi potekal čim hitreje in na relativno preprost način, torej brez posredovanja postopkov

mehanske obdelave.

4.5 Namen hitre izdelave

Hitra izdelava prototipov (ang. Rapid Prototyping - RP) se je uveljavila kot pomembno

orodje za skrajševanje časa od ideje do trženja izdelka ob hkratnem zmanjševanju stroškov

razvoja in dviganju kakovosti končnih izdelkov. Dobljeni prototipi imajo veliko

geometrijsko natančnost, medtem ko mehanske lastnosti gradiv, iz katerih so narejeni,

navadno ne zadoščajo zahtevam končnega izdelka. Zato so takšni prototipi predvsem

namenjeni:

- predstavitvam končnih izdelkov,

- vizualizaciji konceptov,

- oblikovnim analizam in analizam ujemanja,

- izdelavi orodnih gravur in livarskih kalupov,

- lažjim funkcionalnim testom.

Pojavlja pa se vse več postopkov, s katerimi je mogoče dobiti popolnoma funkcionalen

izdelek. Eden takih je lasersko sintranje kovin, ki daje dokaj uporabne rezultate, veliko več

pa je posrednih metod, ki temeljijo na različnih postopkih litja. Te metode uporabljajo

izdelke iz postopkov hitre izdelave prototipov kot modele za izdelavo kalupov za litje.

Kalupi so lahko iz različnih materialov, najpogosteje iz silikonske gume za vlivanje

dvokomponentnih smol ter iz peska za vlivanje kovin z nizko temperaturo tališča

(aluminij, razne medi ipd.) Na ta način lahko izdelujemo majhne serije izdelkov ter

popolnoma funkcionalne sestavne dele naprav.


4.6 Postopki hitre izdelave

Pri postopkih hitre izdelave naprava prebere podatke o 3D CAD modelu in nato

ponavljajoče gradi zaporedne sloje izdelka. Ti sloji izdelka so enaki navideznim prerezom

CAD modela. Največja prednost teh postopkov je možnost izdelave poljubnih oblik in

geometričnih elementov.

Nekateri neposredni postopki uporabljajo sistem gradnje iz dveh materialov. Prvi material

se uporabi za izdelavo samega modela, drugi material pa služi za podporo morebitnih

previsnih struktur na izdelku. Podporni material se po končani izdelavi odstrani (z vodo, s

topili, toplotno …)

Danes je na tržišču veliko različnih RP tehnologij, ki temeljijo na izdelavi z dodajanjem

materiala. Razlika med njimi je v načinu, kako oblikujejo sloje in gradijo izdelek. Nekateri

talijo ali nataljujejo modelni material, nekateri pa material (v osnovi tekoč ali v prahu)

strjujejo na različne načine.

Vsem postopkom pa je skupna ideja rezanja CAD modela na sloje in kasnejši izvoz teh

slojev do naprave, ki jih ponovno sestavi v fizični izdelek. Zato se za postopke hitre

izdelave uporablja izraz »slojevite« ali »dodajalne« tehnologije (ang. additive-layered

fabrication technologies). V ta namen se je razvil tudi tako imenovani .stl format zapisa

CAD modela, ki ga danes pozna skoraj vsak CAD paket. Končnica .stl, s katero se zaključi

ime datoteke v tem formatu, je okrajšava za stereolitografijo, ki je bila prvi postopek na

trgu, vendar to ne pomeni, da so te datoteke namenjene izključno temu postopku.

Druga značilnost vseh postopkov pa je, da so vsi patentirani in da ime postopka ponavadi

predstavlja tudi napravo in proizvajalca, ali z drugimi besedami, konkurence na področju

istega postopka ni. Pri izbiri si je zato potrebno ogledati precej širok spekter naprav in

postopkov, potem pa glede na potrebe in predvsem možnosti izbrati najustreznejšega.

Razvoj na področju hitre izdelave prototipov je hiter. Ves čas se pojavljajo novi

proizvajalci in z njimi tudi novi postopki. Vedno več pa je tudi novih materialov pri

obstoječih proizvajalcih, saj vsi iščejo materiale, ki bi se z mehanskimi lastnostmi čim bolj

približali lastnostim izdelkov narejenih po konvencionalnih metodah.


4.6.1 3D Print (3DP)

Glavni vzrok, da se ta tehnologija imenuje 3D print, so brizgalne (ink-jet) tiskalne glave, ki

so jedro naprave. 3D tiskalniki v standardni ink-jet tehniki oblikujejo modele tako, da prah

nanašajo plast za plastjo in med te tanke plasti nalagajo tekoče vezivo. Namesto da bi se

papir vlagal pod tiskalno glavo, kot je to pri 2D tiskalnikih, 3D tiskalnik premika tiskalno

glavo nad podlago iz prahu, na katero tiska podatke o prečnem prerezu, ki jih dobiva iz

programske opreme.

Da bi izdelovanje prototipa potekalo brez prekinitev, mora biti prah za izdelavo precizno in

enakomerno razporejen po podlagi. 3D tiskalniki to nalogo izvedejo s pomočjo

zalogovnika prahu in podlage, ki se z vsako naloženo plastjo postopoma spušča. Valj

razporedi prah po podlagi in iz zalogovnika namenoma odmeri in razporedi približno 30

odstotkov prahu več na vsako plast, tako da je res vsaka plast dovolj gosta in podlaga v

celoti zapolnjena. Odvečni prah pade v posebno posodo, kjer ostane do ponovne uporabe.

Slika 4.12: Shematski prikaz 3DP postopka [16]

Ko je plast prahu razporejena, ink-jet tiskalna glava v gladko plast prahu natisne prečni

prerez za prvo oz. spodnjo plast modela, pri čemer se prah zlepi. Podlaga se nato zniža za

debelino sloja, nato pa se nanjo naloži nova plast prahu. Tiskalna glava nanese vezivo za

naslednji prečni prerez, ki se zlepi z že narejeno spodnjo plastjo. Tiskalnik ta postopek

ponavlja dokler niso izdelane vse plasti modela. Postopek 3D tiskanja ustvari natančen


fizični model geometrijskega lika, predstavljenega s 3D datoteko. Trajanje postopka je

odvisno od višine oz. velikosti modela v delu. Hitrost tiskanja 3D tiskalnikov je med 25

mm in 50 mm na uro (hitrost nastajanja v višino).

Po zaključenem 3D tiskanju nevezani prah obkroža in podpira nastali model. Ko se

materiali strdijo, odstranimo nevezani material in model odstranimo s podlage (slika 4.13).

Nato z zrakom pod pritiskom spihamo odvečni prah z natisnjenega modela. Tako očiščen

model pa še premažemo s posebnim impregnantom, ki da modelu večjo trdnost in

izrazitejše barve. Za tiskanje s to 3D tehnologijo ne potrebujemo trdnih ali pritrjenih

podpornih delov, ves neuporabljeni material pa lahko znova uporabimo.

Slika 4.13: Odstranjevanje neuporabljenega prahu [17]


Slika 4.14: Maketa izdelana s postopkom 3DP [17]

3D tiskanje se najpogosteje uporablja za predstavitve končnih izdelkov in vizualizacije, saj

modeli narejeni s to tehnologijo ne zagotavljajo uporabnih mehanskih lastnosti. Ta

postopek smo tudi uporabili za izdelavo našega fizičnega modela.

4.6.2 PolyJet

PolyJet je ena izmed novejših tehnologij hitre izdelave prototipov na trgu. Po principu

izdelave PolyJet tehnologijo uvrščamo med postopke 3D tiskanja. Postopek deluje po

podobnem principu kot običajni ink-jet tiskalniki, vendar se namesto črnila brizga tekoči

foto-polimer. PolyJet tehnologijo uporabljajo naprave za hitro izdelavo prototipov znamke

EDEN, ki jih izdeluje izraelsko podjetje Objet Geometries.


Slika 4.15: Trirazsežni tiskalnik EDEN330 [15]

Postopke izdelave pričnemo z uvozom CAD modela v tiskalnikov programski paket, kjer

model optimalno postavimo na delovni pladenj naprave. Programski paket samodejno

nareže model na posamezne sloje. EDEN naprava za hitro izdelavo gradi trodimenzionalne

objekte po sistemu modelnega in podpornega materiala.

Modelni material služi za gradnjo samega izdelka, struktura iz podpornega materiala pa se

uporabi pri gradnji previsnih mest na izdelku. Podporno strukturo programski paket določi

samodejno. Med izdelavo programski paket napravi EDEN pošilja podatke o posameznih

slojih izdelka. Tiskalna glava nabrizga trenutni sloj, ki polimerizira pod vplivom UV

svetlobe, ki jo dovajata dve žarnici nameščeni na obeh straneh glave. Nato se delovni

pladenj umakne za debelino sloja (16 µm) navzdol, nakar tiskalna glava nanese naslednji

sloj.


Slika 4.16: Shematski prikaz PolyJet postopka [16]

Po končani izdelavi se struktura podpornega materiala odstrani z vodnim curkom. Rezultat

je izdelek iz polprosojne, rumene umetne mase, natančneje iz poliakrilata (slika 4.17).

Slika 4.17: Končani izdelki PolyJet [15]


Prednosti PolyJet tehnologije so dober kompromis med hitrostjo in natančnostjo, dobra

kvaliteta površine ter možnost izdelave majhnih detajlov in tankih sten. Slabosti pa

predstavljajo majhen nabor različnih materialov, nizka temperaturna obstojnost

razpoložljivih materialov in visoka cena izdelave večjih izdelkov. Prav tako podpornega

materiala ne moremo ponovno uporabiti.

4.6.3 Selective Laser Sintering (SLS)

Postopek SLS je v letu 1981 patentiral R. F. Housholder, vendar ga ni komercializiral. V

sredini 80-ih so na teksaški univerzi razvili variacijo postopka in jo licencirali na Austin,

Texas Company (DTM Corporation), ki je postopek komercializirala. Trenutno vodilno

podjetje je 3D Systems.

Prednosti postopka SLS pred večino ostalih postopkov za hitro izdelavo prototipov je v

veliki izbiri materialov. Na voljo imamo tako prah polimerov (najlon, polistiren), kovine

(zmesi jekla, titana) in določene keramike. Pri izdelavi pa ni potrebe po dodatnem

podpornem materialu. Izdelek je v večini primerov že funkcionalen.

Pri selektivnem laserskem sintranju z laserjem velike moči (CO2 laser) sprimemo drobne

delce plastike, kovine ali prahu keramike v sloje, ki nam povezani predstavljajo želeni 3D

objekt.

Osnovni material je prah, katerega delci so veliki približno 50 µm, stroj pa ga nanaša sloj

za slojem. Po nanosu nove plasti prahu računalniško kontroliran laser opiše površino

prototipa tako, da se prah sprime. Pri tem opiše eno plast izdelka. Medtem ko je prah

izpostavljen laserskemu žarku se temperatura materiala dvigne preko temperature

kristalizacije, kar omogoča, da se različni delčki prahu sprimejo v objekt. V naslednjem

prehodu se posoda z materialom spusti za višino ene plasti, v posodi se ponovno razporedi

sloj osnovnega materiala in postopek se ponovi.


Slika 4.18 : Shematski prikaz SLS postopka [16]

Med materiali, ki so na voljo, poliamid omogoča izdelavo funkcionalnih prototipov z zelo

dobrimi toplotnimi in trdnostnimi lastnostmi, poliamid s steklenimi vlakni pa ima še

mnogo višjo toplotno odpornost ter boljše mehanske lastnosti. TPE (ang. thermoplastic

elastomer) je podoben gumi. Uporablja se ga za izdelavo prototipov, kjer je potrebna

velika elastičnost in prožnost materiala. Po impregnaciji pa postane tudi neprepusten za

vodo in druge tekočine.

SLS postopek so pri nemškem podjetju EOS nadgradili tako, da omogoča tudi sintranje

kovinskih materialov, zadevo pa poimenovali DMLS (ang. Direct Metal Laser Sintering).

Slika 4.19: Naprava Sinterstation HiQ [15]


Slika 4.20: Izdelki izdelani po postopku SLS [15]

4.6.4 Laminated Object Manufacturing (LOM)

LOM je eden izmed prvih RP postopkov, ki so bili dostopni na trgu. Razvilo ga je podjetje

Helisys, ki je medtem prenehalo obstajati, izdelavo LOM naprav za hitro izdelavo

prototipov pa je prevzelo podjetje Cubic Technologies.

Gradnja modela z LOM postopkom hitre izdelave prototipov poteka z lepljenjem

posameznih plasti papirja. Posamezni prerezi modela se obrežejo z laserjem. LOM RP

postopek odlikuje nizka cena materiala ter možnost izdelave relativno velikih izdelkov.

Po svoji funkcionalnosti lahko LOM uvrstimo med postopke nalaganja krojenih plasti.

LOM naprava izrezuje posamezne prereze modela z CO2 laserjem iz posebnega LOM

papirja, ki ima na spodnji strani vezivni material. Posamezne sloji se zlepijo skupaj s


pomočjo grelnega valja, ki aktivira vezivni material. Rezultat so modeli z mehanskimi

lastnostmi, ki so podobni lastnostim modelov iz lesa (slika 4.22).

Postopek se začne z uvozom .stl datotek modela v programski paket LOM naprave, kjer

določimo parametre izdelave. Pred začetkom izdelave moramo na delovnem pladnju

narediti podstavek iz posebnega samolepilnega papirja. Nato napnemo LOM papir iz

podajalnega valja preko delovnega pladnja na valj za odvečni material. Grelni valj pritisne

papir ob podstavek, aktivira vezivni material in tako prilepi material na podstavek.

V naslednji fazi izdelave CO2 laser izreže prerez modela v papir. Vsak posamezen prerez

je sestavljen iz treh elementov. Prerez modela je obdan s prerezom okvirja, ki zagotavlja

stabilnost gradnje. Vmesni prostor med okvirjem in izdelkom pa je mrežasto razrezan, kar

povzroči kockasto obliko podpornega materiala, ki ga po izdelavi odstranimo. Ko je

izrezovanje posamezenega sloja končano, se delovni pladenj nekoliko spusti, oba valja se

zavrtita tako, da se nad delovni pladenj nanese nova plast, ostanek izrezanega papirja pa se

navije na valj za odvečni material. Delovni pladenj se dvigne na prejšnjo višino, grelni valj

pa prilepi novo plast na že izrezane plasti. Celotni postopek se ponavlja, dokler izdelek ni

končan.

Slika 4.21: Shematski prikaz LOM postopka [16]

Po končani izdelavi model skupaj z okvirjem in podstavkom vzamemo z delovnega valja.

Nato odstranimo podstavek, model vzamemo iz okvirja ter odstranimo kockast podporni

material. Površino modela lahko izboljšamo z brusnim papirjem. Za zaščito pred vlago je

priporočljivo LOM modele polakirati.


Slika 4.22: Prototip izdelan z LOM postopkom [15]

LOM postopek se uporablja za izdelavo vzorcev, pomanjšanih maket (arhitektura),

modelov igrač in v primerih, kjer mehanske lastnosti modelov niso pomembne. Zaradi

nizke cene materiala je postopek primeren tudi za izdelavo večjih modelov, pri katerih bi

bili drugi postopki predragi.


Slika 4.23: LOM 1015 naprava za hitro izdelavo prototipov [15]

Gradivo za LOM RP sisteme dobavlja njihov proizvajalec Cubic Technologies. Poleg

običajnega LOM papirja je za novejše LOM naprave (LOM 2030) na voljo tudi material

podoben PVC foliji.

4.6.5 Stereolitography (SLA)

Stereolitografija je najbolj razširjena RP tehnologija. SLA postopek so leta 1986

predstavili pri podjetju 3D Systems, kar štejemo za začetek hitre izdelave prototipov.

Njihova naprava za izdelavo uporablja na svetlobo občutljiv, tekoč polimer – fotopolimer.

Nalijejo ga v posodo, v kateri je tudi transportni pladenj, ki se lahko dviga oziroma spušča

v posodi. Druga pomembna enota naprave je laser, ki oddaja laserski žarek, čigar energija

je dovolj velika, da povzroči strjevanje fotopolimera. Laserski žarek potuje po površini

fotopolimera in strjuje posamezne prereze modela. Ko je en prerez končan oz. strjen, se

transportni pladenj pomakne za debelino rezine navzdol in postopek se ponovi z

naslednjim prerezom – slojem. Rezultat je delno prozoren izdelek iz umetne mase.

Nekatere modele, ki vsebujejo razne previse ipd., je potrebno med izdelavo tudi podpreti.

Podporni elementi se izdelajo skupaj z modelom in se po koncu izdelave odrežejo.


Slika 4.24: Shematski prikaz SLA postopka [16]

SLA velja za najbolj natančen postopek hitre izdelave. Z leti razvoja se je razširil tudi

spekter različnih materialov, ki so na voljo, trenutno pa je v razvoju tudi uporaba

keramičnih materialov. Med vsemi postopki hitre izdelave je s SLA mogoče izdelati

največje modele.

Slika 4.25: 3D Systems VIPER PRO [15]

Stereolitografija še vedno velja za najbolj razširjen postopek hitre izdelave prototipov,

čeprav obstaja danes na trgu še mnogo drugih postopkov


4.6.6 Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM je druga najbolj razširjena RP tehnologija takoj za SLA. Razvil jo je S. Scott Crump

leta 1989 in komercializiral v začetku 90-ih. FDM tehnologijo trži podjetje Starsys Inc.

Kot večina RP tehnologij tudi FDM deluje na principu nalaganja materiala v plasteh.

Plastični material se z zvitka odvija v brizgalno glavo, kjer se stopi do poltekočega stanja.

Glava je pritrjena na mehanizem, ki se pomika v horizontalnih in vertikalnih smereh ter

brizga stopljen material skozi majhno šobo v tankih plasteh. Plastika se v trenutku, ko je

izbrizgana strdi in se sprime s prejšnjo plastjo. Celoten sistem se nahaja v zaprti komori s

temperaturo tik pod tališčem materiala. Na voljo je več različnih plastičnih materialov in

voskov, ki jih izbiramo glede na razmerje med trdnostjo in temperaturno odpornostjo.

Enako kot konstrukcijski material se nanese tudi začasni podporni material, ki ga po

končanem postopku odlomimo z izdelka ali operemo z vodo, če je vodotopen.

Slika 4.26: Shematski prikaz FDM postopka [16]

FDM tehnologija je tiha in sorazmerno hitra za izdelavo manjših izdelkov prostornine

nekaj kubičnih centimetrov.

4.6.7 Laser Enginered Net Sharping (LENS)

LENS in podobne tehnologije, ki uporabljajo laser in kovinski prah, so še v zgodnjih fazah

komercializacije. Pri tem postopku močan laserski žarek topi kovinski prah, ki se nalaga

skozi odlagalno glavo. Med izdelavo se podlaga premika z izdelkom v vodoravni ravnini,

medtem ko se glava pomika vertikalno navzgor z vsakim naslednjim prerezom.



Uporabljajo se lahko različni materiali, kot so nerjaveče jeklo, baker, alumunij, titan itd.

Prednost LENS tehnologije je v tem, da lahko izdelamo kovinske dele z dobrimi

metalurškimi lastnostmi v razumnem času. Trenutno edini komercialni RP postopek za

izdelavo kovinskih delov je SLS (DMLS), vendar ima LENS manj omejitev glede

materialov in ne potrebuje naknadnega pečenja kot nekateri drugi postopki.


4.7 Primerjava nekaterih RP postopkov

Neugodno Manj ugodno Ugodno Zelo ugodno Priporočljivo Natančnost 3DP SLS FDM SLA PolyJet Hrapavost 3DP SLS FDM SLA PolyJet Ločljivost 3DP SLS FDM SLA PolyJet Trdnost 3DP PolyJet SLA FDM SLS Hitrost FDM SLS SLA PolyJet 3DP Cena FDM PolyJet SLA SLS 3DP

Legenda:

3DP Trodimenzionalno tiskanje (MIT - Z Corp.)

SLS Selektivno lasersko sintranje (DTM - 3DSystems, EOS ...)

SLA Stereolitografija (3D Systems)

FDM Fused Deposition Modeling (Stratasys)

PolyJet Trodimenzionalno tiskanje fotopolimerov (Objet Geometries)

4.8 Izdelava fizičnega modela (3D Print)

Naš fizični 3D model (Maistrov dvor) smo izdelali v sodelovanju s podjetjem IB

ProCADD iz Ljubljane, ki je v Sloveniji vodilno na področju izdelave fizičnih 3D modelov

s tiskalniki podjetja Z Corp. 3D tiskalniki Z Corp. postavljajo standarde za hitro, ugodno,

barvno 3D tiskanje. Fizične modele izdelajo iz digitalnih podatkov le v nekaj urah. Izdelani

prototipi lahko služijo procesu pregleda samega dizajna izdelka in testiranju ustreznosti

oblik.

Prah, ki se uporablja za izdelavo, je na celulozni osnovi, barve pa so na vodni osnovi. Zato

je ta tehnologija okolju in človeku prijazna.

Model našega objekta smo natisnili v merilu 1:150, zato smo tiskali v dveh delih in po

končanem tiskanju oba dela sestavili. Pred tiskanjem je potrebno digitalni model ustrezno

pripraviti na samo tiskanje. Prva omejitev je tankost elementov. Po skaliranju modela na

ustrezno velikost za tiskanje morajo biti vse plošče in stebri minimalne debeline 5 mm,


nosilne stene 3 mm in vse ostale stene 2 do 2,5 mm. V primeru pretankih elementov fizični

model ne bi zdržal lastne sile teže, prav tako pa je model po končanem tiskanju težko

obdelovati. Zato je potrebno preveriti celoten model in vse elemente ustrezno odebeliti ter

odstraniti vse tiste, ki so pretanki za tiskanje (senčila, ograje ...). Eno izmed omejitev

predstavljajo tudi z vseh strani zaprti prostori v 3D modelu. Neuporabljen prah, ki služi

tudi kot podporni material med samim tiskanjem, je potrebno po končanem tiskanju

odstraniti. Kadar so v modelu prostori zaprti z vseh strani, to ni mogoče, zato je potrebno

takšne prostore z ustreznimi odprtinami za odvajanje prahu odpreti.

Tako pripravljen model smo iz ArchiCAD-a izvozili v VRML formatu (*.wrl) za nadaljnjo

obdelavo. ArchiCAD ne omogoča izvoza modela v standarden STL format za 3D tiskanje

kot večina CAD aplikacij. To pa ne predstavlja ovire, saj programska oprema 3D tiskalnika

ZPrint™ sprejme vhodne 3D datoteke formatov STL, VRML, PLY in 3DS. Izvoz modela

v VRML formatu pa omogoča tudi izvoz tekstur, za razliko od STL formata, ki omogoča le

izvoz geometrije modela. Teksture (bitne slike) se shranijo v posebno mapo, ki se

poimenuje enako kot sama *.wrl datoteka s pripono _Textures. Zato je potrebno model v

STL formatu še naknadno teksturirati.

Digitalni model je sestavljen iz številnih elementov in vsak izmed elementov predstavlja en

del (ang. Part). Pred tiskanjem je zato potrebno vse elemente modela združiti v en sam del,

tako da je celoten model v enem kosu (ang. Solid). V podjetju IB ProCADD za ta korak

uporabljajo programsko opremo MAGICS podjetja MATERIALISE, ki ima sedež v

Belgiji. S programom Magics se model zapre v en solid in se zapolnijo luknje ter vrzeli

med elementi, ki lahko nastanejo v procesu modeliranja. Šele tako pripravljen model je

mogoče natisniti s 3D tiskalnikom. Za naš model je bilo pred tiskanjem potrebno še

približno 4 ure obdelave s programom Magics, ki so jo izvedli v IB ProCADD-u.


5 PRIHODNOST – AVTOMATIZIRANA GRADNJA

Contour Crafting – CC je slojevita tehnologija, ki jo razvija dr. Behrokh Khoshnevis,

profesor na USC (University of South California) Viterbi. Gre za povečan sistem

računalniško vodene RP naprave, ki omogoča avtomatizacijo gradnje objektov naravnih

velikosti. Namesto materialov, ki se uporabljajo pri RP tehnologijah, CC postopek

uporablja posebne vrste beton, ki ga je razvilo podjetje za gradbene materiale USG v

sodelovanju s CRAFT (Center for Rapid Automated Fabrication Technologies) na univerzi

USC Viterbi. V postopku raziskave pa je še več materialov, ki jih bo v prihodnosti mogoče

uporabiti s tem postopkom.

Postopek poteka tako, da se najprej izdelajo vertikalni robovi elementov, pri tem nastane

nekakšen kalup, nato pa se z materialom zapolni še notranjost elementa (slika 5.1). Razni

predizdelani nosilni elementi, kot so nosilci, preklade ipd., pa se predhodno dostavijo na

gradbišče in se vgrajujejo v ustrezni fazi gradnje s pomočjo računalniško vodene žerjavne

roke (slika 5.2).


Slika 5.1: Pomanjšan prototip Contour Crafting stroja med izdelavo in primeri modelov

[20]

Slika 5.2: Gradnja hiše z uporabo Contour Crafting postopka [20]


Z uporabo tega postopka je mogoče v kratkem času zgraditi eno samo hišo ali pa celotno

sosesko, v kateri ima lahko vsaka hiša svoj dizajn in obliko. Celotno nadstropno hišo z 200

m2 površine bo mogoče zgraditi v manj kot dveh dneh in ne v nekaj mesecih, kot je to v

sedanji praksi.. Zaradi hitrosti gradnje je ta način gradnje dobrodošel pri obnovi naselij ali

pri izgradnji zatočišč po naravnih katastrofah (potres, poplava, tornado ...). CC bo mogoče

uporabiti tudi pri zgradbah z eksotičnimi arhitekturnimi dizajni, ki vsebujejo razne krivine

in druge geometrijske lastnosti, katere je zelo težko in drago izvesti s klasičnim pristopom

gradnje.

Zaradi prednosti kot sta hitrost in natančnost, lahko z avtomatizirano gradnjo zmanjšamo

stroške gradnje na 1/5 stroškov klasične gradnje. Zmanjšajo se tudi negativni vplivi na

okolje, saj se proizvede manj emisij zaradi manjšega števila mehanizacijskih strojev,

odpadnega materiala pa skoraj ni.

Caterpillar, največji proizvajalec gradbene mehanizacije in strojev, je v tehnologiji CC

videl velik potencial in zato pričel podpirati in sodelovati v raziskavah Khoshevnisa.

Koncept avtomatizirane gradnje pa je leta 2006 bil izbran kot eden izmed 25 najboljših

izumov, izmed več kot 4000 kandidatov, ki sta jih izbrala National Inventors Hall of Fame

in oddaja Modern Marvels programa History Channel.

V prihodnjih fazah raziskav se pričakuje tudi razvoj na področjih avtomatizirane dobave

materialov na gradbišče, avtomatizirane vgradnje vodovodnih, elektro- in strojnih instalacij

ter avtomatiziran pregled in nadzor kakovosti izvedenih del.


6 SKLEP

V prihodnje bo vedno več arhitektov, projektantov in konstrukterjev pri svojem delu

uporabljalo CAD orodja, ki pri projektiranju v osnovi uporabljajo koncept informacijskega

modela zgradbe (BIM), ali pa znajo nastajajoče informacije o objektu učinkovito

povezovati z njim. Na tem področju je združenje IAI razvilo standard IFC za izmenjavo

informacij o zgradbi med sodelujočimi pri projektu, ki zamenjuje vsem znan format .dxf.

Namen diplomskega dela je bil prikazati vse prednosti, ki jih prinaša digitalno modeliranje

gradbenih objektov pred klasični projektiranjem, ter predstaviti življenjski cikel

geometrijskega modela od idejne zasnove do izdelave fizične makete z uporabo dodajalnih

tehnologij.

Programi za 3D skiciranje, kot je npr. Google SketchUp, nam omogočajo skiciranje bolj ali

manj preprostih 3D oblik in nam olajšujejo izdelavo idejnih zasnov in konceptualnih

modelov. Prednost takšne skice je v možnosti analize 3D skice v prostoru ter možnost

geopozicioniranja objekta s pomočjo modela Zemlje, kot je npr. Google Earth.

Po izbrani idejni zasnovi sledi detajlnejše modeliranje digitalnega modela z modelirnikom.

Tak model lahko enostavno vizualno predstavimo s pomočjo naknadno izdelanih rendov,

realističnih risb, animacij ipd., lahko pa se odločimo tudi za izdelavo fizičnega 3D modela

oz. makete, s katero izmed tehnologij za hitro izdelavo prototipov, ki so na voljo na tržišču.

S fizično maketo pa lahko projekte še bolj učinkovito predstavimo naročnikom, lokalnim

skupnostim in splošni javnosti, kar je vedno pogosteje ključnega pomena za izvedbo

projektov. S pomočjo maket pa tudi lažje in uspešneje vodimo komunikacijo glede

umestitve objektov v prostor in vplivov na okolje.

Nekoč zamudno ročno izdelovanje maket, ki je zahtevalo spretnega obrtnika ali umetnika,

je z razvojem na področju RP tehnologij postalo stvar preteklosti. Prednost 3D natisnjenih

modelov je predvsem v izredni geometrijski natančnosti in hitrosti izdelave ter v izdelavi

objektov, s kakršno koli geometrijsko obliko.


Z razvojem RP tehnologij vedno več modelirnikov podpira izvoz digitalnih modelov v

formate, s katerimi rokujejo naprave za hitro idelavo. Danes to že omogoča velika večina

modelirnikov in CAD orodij.


7 VIRI IN LITERATURA

[1] Žiga Turk, Modeliranje gradbenih produktov, Zbornik 6. seminarja Računalnik v

gradbenem inženirstvu, FAAG, Ljubljana 1992.

URL: http://www.zturk.com/data/works/att/8cae.fullText.pdf

[2] Žiga Turk, Uvod v modeliranje produktov in standard IFC, Univerza v Ljubljani,

FGG, Katedra za gradbeno informatiko, uvod-v-IFC.ppt

[3] Tomo Cerovšek, Žiga Turk, Janez Duhovnik, Informacijski modeli zgradb, F. Saje in

J. Lopatič, Zbornik 24. zborovanja gradbenih konstruktorjev Slovenije, Bled, 14.–15.

november 2002, Slovensko društvo gradbenih konstruktorjev, 2002, str. 311–318.

URL: http://www.zturk.com/data/works/att/9c4d.fullText.02874.pdf

[4] URL: http://www.mf.unze.ba/casopis/broj20/osnovni%20koncepti%20ISO%2010

303%20STEP%20standarda.pdf

[5] URL: http://www.cita.ie/meetings/0611flyer_files/Chris.ppt

[6] URL: http://goolier.com/index.php/2009/bim-the-new-cad/

[7] URL: http://www.construction-innovation.info/images/pdfs/Research_library/

ResearchLibraryC/Project_Reports/http___internal.construction-innovation.info_

project_fdl.php_fid=3137project=64_2005-001-C-5DigitalModelling

PositionPaper.pdf

[8] URL: http://bellcr.com/wp-content/BuildingInformationModels.pdf

[9] URL: http://www.aecbytes.com/

[10] URL: http://www.iai-international.org/

[11] URL: http://sketchup.google.com/

[12] URL: http://download.sketchup.com/GSU/pdfs/GSUUsersGuide_WIN.pdf

[13] URL: http://www.cadspan.com/


[14] URL: http://www.graphisoft.com/

[15] URL: http://www.rapiman.net/

[16] URL: http://home.att.net/~castleisland/

[17] URL: http://www.zcorp.com/

[18] URL: http://www.materialise.com/

[19] URL: http://www.isi.edu/CRAFT/CC/

[20] URL: http://www.pathnet.org/si.asp?id=1100


8 PRILOGE

Seznam slik

Slika 3.1: Vrednost informacij v življenjskem ciklu gradbenega objekta [5]

Slika 3.2: Primerjava tradicionalnega in BIM pristopa [6]

Slika 3.3: Prispevanje informacij za delovanje gradbenega objekta in upravljanje [5]

Slika 3.4: Diagram razvoja informacijskega modela zgradbe [7]

Slika 3.5: Neposredna (levo) in centralizirana (desno) izmenjava podatkov [3]

Slika 3.6: Kronologija razvoja IFC-ja [5]

Slika 3.7: Razčlenjen prikaz modela zgradb IFC 2x [3]

Slika 4.1: Potek življenjskega cikla geometrijskega modela

Slika 4.2: Primerjava prostoročne skice (levo) in skice narejene v SketchUp-u (desno)

Slika 4.3: Uporabniški vmesnik programa SketchUp

Slika 4.4: Idejna zasnova v umeščena v virtualni svet - Google Earth

Slika 4.5: ArchiCAD 11 orodja za izdelavo 3D modela in njegove dokumentacije

Slika 4.6: Uporabniški vmesnik ArchiCAD 11

Slika 4.7: Maistrov dvor - 3D render risbe (zunanjost)

Slika 4.8: Maistrov dvor - 3D render risbe (notranjost)

Slika 4.9: Primer fotomontaže - Maistrov dvor (vzhod)

Slika 4.10: Primer fotomontaže - Maistrov dvor (zahod)

Slika 4.11: Primer fotomontaže - Maistrov dvor (sever)

Slika 4.12: Shematski prikaz 3DP postopka [16]


Slika 4.13: Odstranjevanje neuporabljenega prahu [17]

Slika 4.14: Maketa izdelana s postopkom 3DP [17]

Slika 4.15: Trirazsežni tiskalnik EDEN330 [15]

Slika 4.16: Shematski prikaz PolyJet postopka [16]

Slika 4.17: Končani izdelki PolyJet [15]

Slika 4.18 : Shematski prikaz SLS postopka [16]

Slika 4.19: Naprava Sinterstation HiQ [15]

Slika 4.20: Izdelki izdelani po postopku SLS [15]


Slika 4.22: Prototip izdelan z LOM postopkom [15]

Slika 4.23: LOM 1015 naprava za hitro izdelavo prototipov[15]

Slika 4.24: Shematski prikaz SLA postopka [16]

Slika 4.25: 3D Systems VIPER PRO [15]

Slika 4.26: Shematski prikaz FDM postopka [16]


Slika 5.1: Pomanjšan prototip Contour Crafting stroja med izdelano in primeri modelov

[20]

Slika 5.2: Gradnja hiše z uporabo Contour Crafting postopka [20]

Naslov študenta

Matija Kajba

Gradiška 324

2211 Pesnica

Documents

DIGITALNO MODELIRANJE GRADBENIH OBJEKTOV OD …modeliranje, pri čemer iz 3D modela preprosto izdelamo 2D risbe, s katerimi se še vedno operira na gradbiš čih ter se jih uporablja