Сказать, что системы автоматизированного проектирования (CAD/CAM/CAE/PDM) являются одним из классов прикладного программного обеспечения — значит почти ничего не сказать. В действительности это целая вселенная: по числу фирм-разработчиков подобных аппаратно-программных систем, функциональным возможностям и числу версий их программ, масштабам их применения, объёму накопленной и обрабатываемой ими информации, размерам финансирования и стоимости продуктов этой отрасли программной индустрии, по характеру её проблем, наконец.
Эти системы занимают исключительное положение среди информационных технологий как индустриальные технологии, непосредственно вовлечённые в сферу материального производства, наличие и качество которого прямо отражается на нашем личном благосостоянии.
Первые CAD-системы появились в 60-х годах. Функционально соответствуя электронному кульману (автоматизируя лишь процесс изготовления чертежей), они были (очевидно, все САПР будут и впредь) весьма требовательны к аппаратным ресурсам компьютера (ещё бы: интенсивные математические вычисления, геометрические построения, графика!). В начале 80-х на передний план вышло твердотельное (проволочное, каркасное, поверхностное) моделирование на основе пространственной модели с применением метода конечных элементов для расчётов в широком диапазоне: от простых характеристик распределения массы до более сложных исследований, включая прочностный, термический, вибрационный, кинематический и динамический анализ. Были решены вопросы модульного построения систем, трёхмерной визуализации (кто не видел реалистичных изображений различных изделий от простых деталей до сложных систем типа автомобиля или самолёта!), автоматизации программирования станков с ЧПУ.
В последнее время наиболее актуальными были вопросы интеграции разнообразных возможностей, автоматизации не отдельных этапов, а всего процесса проектирования, конструирования и производства, стандартизации пользовательского интерфейса (тут как нельзя вовремя возмужали Windows).
Практически во всех системах были реализованы средства параметрического моделирования, когда в ходе построения изделия система накапливает конструкционные параметры и соотношения между ними, а также формирует историю создания геометрии, позволяя простым изменением параметров легко модифицировать и регенерировать модель (и всё это интерактивно, без программирования, силами пользователя). Сегодня лидерами мирового рынка САПР являются "тяжёлые" (универсальные, многоцелевые) системы: французская EUCLID QUANTUM (фирмы Matra Datavision), американские Pro/Engineer (Parametric Technology Corporation), Unigraphics (Unigraphics Solutions), СAТIА (IBM), CADDS 5 (Computervision); и функционально более "лёгкие": немецкая CADdy (ZIEGLER-Informatics GmbH), американские AutoCAD (Autodesk, Inc.), MicroStation (Bentley Systems, Inc.), венгерская
ArchiCAD (Graphisoflt) (упреждая возможные претензии, сразу оговоримся, что список не полон, а порядок перечисления упомянутых систем случаен).
Сформировался рынок решений сторонних фирм, облегчающих адаптацию базовых вариантов в конкретных условиях, когда может оказаться рациональным создание гибридной системы, сочетающей аппаратные и программные средства разного класса. При этом для "тяжелых" систем необходима соответствующая аппаратная база: мэйнфреймы и рабочие станции, в то время как для систем "лёгких" вполне достаточно ПК.
Правда, по мере роста мощности ПК, эта градация постепенно размывается. Одной из современных тенденций развития САПР является (как и в программировании) объектная ориентированность: стремление построить систему таким образом, чтобы её пользователь оперировал привычными для него понятиями предметной области, чтобы используемые им объекты обладали интуитивно понятными свойствами и поведением. Акцент вновь смещается от универсальных систем в сторону автономных подсистем САПР (т.н. "среднего", промежуточного класса между "лёгкими" и "тяжёлыми": цена — почти как у первых, возможности — почти как у вторых).
Продолжаются усилия по стандартизации интерфейсов и форматов обмена данными (например, основа технологии OLE для Windows на Intel-платформе). Начало массового применения компьютеров в отечественном проектировании приходится на 80-е годы. В этом мы отстали, по меньшей мере, на 10, а то и на все 20 лет. О причинах подобного отставания разговор отдельный, здесь он вряд ли уместен. Впереди, разумеется, шли предприятия ВПК.
Относительная "молодость" отечественных фирм-разработчиков САПР (в сравнении с их зарубежными конкурентами) наряду с известными проблемами экономического характера не позволяют (хочется верить, что временно) потеснить "супостата" на мировом рынке.
Проблемы выбора
Реальность отечественной экономики такова, что предприятия, если они хотят остаться на рынке и выжить, должны радикально менять многое в организации своей работы, в том числе технологию проектирования изделий.
Обеспечить нужное качество проектирования, свободное от дорогостоящего процесса доводки натурных образцов, сократить сроки и расходы на пути от идеи до её материального воплощения, обеспечить выполнение проекта меньшим коллективом — всё это и многое другое способны сделать современные САПР. Но вот какую систему из немалого числа доступных на рынке выбрать? И как построить процесс её внедрения в производство? Как не ошибиться, принимая решение?
Архитектура во время перемен
По мере развития средств автоматизации, с разных сторон инженерного и особенно инженерно-гуманитарного сообщества раздаются голоса о том, что компьютеры убивают творческий элемент их профессии. Не обошло это поветрие и архитекторов. Утверждается, что профессия архитектора находится в опасности, что архитекторов в скором времени смогут заменить комбинацией из инженеров и художников, работающих со специальным программным обеспечением. Опуская вопрос о том, каким образом смогут сотрудничать инженеры и художники-графики (отнюдь не самые близкие по духу люди), это высказывание отражает одну из главнейших проблем, встающих перед профессиональными архитекторами в последние 15 лет — какова будет их роль в строительном процессе, или более шире — в обществе в целом — по мере того, как мы все более будем вступать в "Информационный Век".
Каждая профессия имеет право опасаться за свое будущее перед лицом всемирной компьютеризации, но кажется, что менее всего об этом стоит беспокоиться архитекторам. По мере того, как все больше будет возрастать потребность в тех, кто может решать 3х-мерные проблемы, архитекторы станут все более, а не менее востребованными в Информационный Век. Те, кто знаком с последними играми Nitnendo, Sega или с Myst, JAVA, VRML почувствовали, что "новые информационные веяния" — это третье измерение, работа с которым требует особого умения фильтровать, сортировать и синтезировать различные данные. Кто станет нужен издателям CD и провайдерам он-лайн сервисов для того, чтобы создать и организовать 3х-мерные миры, которые они задумали построить?
Кто лучше всех подготовлен к тому, чтобы описывать, сортировать и распределять строительные элементы на всех этапах — начиная от проектирования, производства и строительства, и заканчивая обслуживанием и ремонтом? Кто сможет создать и работать с цифровым зданием — компьютерной моделью, которое будет создаваться И существовать параллельно с реальным зданием (такие модели нужны для исследования в процессе проектирования, предсказания потребности в ремонте, проверки пригодности материалов, также как и в процессе маркетинга и работы с потенциальным заказчиком)? Единственный ответ — люди, которые изучают и занимаются архитектурой сегодня. Конечно это не произойдет без изменения того, как преподается архитектура и что является ее методами работы, методами конструирования, строительства и учета. Вот семь основных направлений развития архитектуры в Информационный Век.
Просто моделируйте!
Зачем использовать компьютер для рисования параллельных линий, вместо того, чтобы указать ему построить стену. Архитекторы занимались черчением более 400 лет. В последние 20 лет им удалось автоматизировать этот процесс. В последующие 20 лет они будут использовать системы 3х-мерной графики для моделирования зданий. Именно моделирование зданий и сооружений создает возможности для архитекторов, такие как: реалистичная визуализация, анимация и "виртуальная реальность", позволяющие всем, как профессионалам, так и людям, далеким от архитектуры — заказчикам, подрядчикам, городской администрации.
Увидеть результат проектирования таким, как он будет выглядеть воплощенным в материале; трехмерное размещение оборудования, планировка помещений, расстановка мебели; моделирование и визуализация строительных материалов; исследование различных вариантов проекта и альтернативных методов строительства; моделирование и планирование изменения конструкций, требующееся в процессе эксплуатации здания; оптимизация использования энергии.
Архитекторы и строительные элементы
Большая часть строительных конструкций типичных зданий — это серийные промышленно изготавливаемые, а не уникальные элементы. В проектировании любого здания, как жилого, так и нежилого, большая доля работы архитектора связана с поиском среди сотен подходящих строительных конструкций наилучшей. Библиотеки символов, используемые в системах САПР копируют технологию традиционного отбора элементов. К сожалению, в таких библиотечных элементах недостаточно информации о том, как выглядит продукт, какова его подробная спецификация. Также таким элементам явно не хватает "интеллекта", чтобы включать в себя все опции, имеющиеся у представляемого реального объекта.
Используя Internet, архитекторы скоро станут производить поиск требуемых конструкций непосредственно в библиотеках производителей и помещать их в проект вместе с полной 3х-мерной моделью, спецификациями и символическими обозначениями на чертежах.
В тот момент, когда файл проекта будет открыт, эти алименты станут запрашивать данные, загружаемые от их изготовителя и уведомлять архитектора, если изменились какие-либо параметры.
В недалеком будущем проектировщик, производитель и архитектор смогут использовать один и тот же 3х-мерный файл модели, описывающей объект. Производитель сэкономит время и деньги на маркетинг новых изделий, архи-текторы получат оперативную информацию, а строительные фирмы — автоматический доступ к графикам выпуска изготовителя, последним данным тестирования и новинкам.
Итеративный, нелинейный не процесс
Традиционно архитектурное проектирование в САПР подражало использованию обычных инструментов — карандаша, пера, бумаги и т.д. Более развитое программное обеспечение, однако, отбрасывает это подражание и внедряет свои собственные методы архитектурного проектирования. Эти методы нелинейны и основаны на тесной интеграции проектирования.
Подготовки иллюстративных материалов, документировании и проработки этапов. Такая концентрическая модель выполнения работы предоставляет клиенту и архитектору гораздо больше возможностей по рассмотрению вариантов и внесению изменений в проект, отслеживая при этом все последствия вне-сенных изменений. Например, на стадии эскизного проектирования у архитек-
тора уже будет детальная и точная информация, ранее доступная только на этапе детального проектирования. И наоборот, фундаментальные изменения в проект могут быть внесены достаточно поздно, не нарушая значительно график выполнения работ, так как 2-мерные рабочие чертеж и являются по своей сути проекциями, полученными автоматически из исходной 3х-мерной модели.
Рекурсивный метод проектирования также позволяет архитекторам экспериментировать с проектными альтернативами и делать выбор лучшего решения на более ранних стадиях, когда степень риска, не окупаемых затрат и потерь рабочего временит существенно ниже.
Строительство на песке
Построение процесса архитектурного проектирования на основе того, что клиент и разработчик будут находиться в постоянном взаимодействии предполагает структуру, которая подвижна, точно сориентирована и быстро воспринимает новые методы. Все архитекторы используют архитектурное (и/или другое программное обеспечение) в своей каждодневной работе. Специализированные чертежные подразделения и чертежное программное обеспечение будут замедлять производственный процесс в фирмах, которым требуется подвижность для того, чтобы успешно конкурировать. Чтобы отвечать требованиям по гибкости, программное обеспечение САПР должно таким образом отображать все аспекты проектирования здания, чтобы каждый сотрудник мог использовать его на любой стадии проектирования.
Широкая специализация
Экономические условия, рост сложности конструкций потребуют от архитекторов более широкого, чем когда-либо ранее, сотрудничества. "Виртуальные фирмы", специализирующиеся на специфических типах зданий и существующие только на время выполнения проекта потребуют соответствующих специализированных решений.
Это означает — программное обеспечение должно обеспечить архитекторам возможность создавать легко модифицируемые строительные элементы, быстро обучать членов команды его использованию и получать лицензию на почасовое использование, что позволит виртуальной фирме избежать реальной капитализации затрат. Это также означает, что архитекторы будут отбирать и оценивать разработчиков программного обеспечения также, как они это делают сейчас при работе с консультантами.
Таким образом изменится стиль взаимодействия с "поставщик-потребитель" на "заказчик-исполнитель". Чтобы удовлетворять требованиям по быстрому развитию программное обеспечение должно будет поставляться по принципу "точно вовремя" с минимальными затратами. Сокращение времени обучения — это одна часть формулы успеха, другая — инновации в области лицензирования пользователя, такие как PayPerUse (плата за использование) фирмы Graphisoft. "Концепция PayPerUse позволяет нам использовать ArchiCAD одновременно для нескольких проектов"- сообщил Том Симмонс (Esherick,Homsey, Dodge and Davis Architects, Сан-Франциско, Калифорния, США). "Так как мы
теперь можем соотнести конкретное использование программы с платой за нее, то в случае необходимости у нас будет столько рабочих мест ArchiCAD, сколько потребуется, без предварительной оплаты".
Клиент/сотрудник
Если Информационный Век только ускоряет изменения, то что же вызывает их? Витрувиус и Корбюзье могли бы предложить один и тот же ответ, каждый в свое время: клиент. Ожидания клиентов и их возможности по восприятию сложной графической информации возросли драматическим образом. Они видят в телепередачах реалистичные компьютерные модели автомобилей, летящих сквозь пространство и недоумевают, почему их здания, стоящие во много раз дороже, не могут быть представлены в процессе разработки в подобном виде. Имея привычку получать немедленный результат от расчетов с помощью электронных таблиц и баз данных, они не могут понять, почему приходится ждать несколько часов или дней, чтобы увидеть результат внесения изменений в конструкцию здания (и даже дополнительно платить за это). Кроме того, внедрив компьютеры в свой собственный бизнес, они смогут стать партнером архитектора, сидя перед компьютером. Успех архитекторов в Информационный Век зависит от их умения сделать клиента своим партнером в итеративном процессе проектирования.
Еще одной гранью грядущего становится изменение соотношения архитектор/клиент. Так как архитектор создает и уточняет 3х-мерную модель здания, то его участие может не ограничиться сдачей проекта. Он будет играть важную роль в обслуживании и последующей реконструкций здания. Архитекторы смогут предоставлять дополнительные услуги клиенту на более-менее постоянной основе, так что акт строительства, приносящий единовременную очень значительную прибыль, может источником не столь больших, но постоянных доходов от клиента во время его владения зданием. Модель здания придаст иной смысл авторскому праву архитектора. Фирма, обладающая 3х-мерной моделью и предоставляющая ее для использования, находится совсем в других условиях, чем если бы она предоставляла свои чертежи, так как последние легко скопировать, а модель, как программное средство, может быть заблокировано от несанкционированного доступа. До тех пор, пока модель не будет продана или передана по какому-либо соглашению, архитектор будет единственным владельцем информации, необходимой для использования и обслуживания здания.
Рабочее место в киберпространстве
И наконец, в качестве кульминации интеграции программных средств и их носителей, как вызов архитектурной мысли, давайте рассмотрим World Wide Web как следующее рабочее место архитектора.
Обучитесь программированию на VRML и изучите этот мир без гравитации, солнечного света и необходимости предохранять свою голову от дождя. В отличие от CD-ROM или любого другого статичного носителя программного обеспечения, Internet предоставляет для пользователей как третье, так и четвертое измерение. Ряд функций, которые традиционно требовали зданий, теперь может выполнять Internet, например: библиотека, архив, магазин, конференц-зал, школа. Позволяя нам перемещаться виртуально, а не физически, Internet становится наиболее "зеленой" окружающей средой, так как строительство в Internet не требует бетона, камня, кирпича, краски — только математическая модель здания, написанная на VRML.
Многие люди и программы могут решать задачи 3х-мерной геометрии, архитекторы же обучены тому, как решать задачи, используя 3х-мерную геометрию. Архитекторы должны осознать свое значение и использовать свои уникальные способности для удовлетворения традиционных и вновь возникающих потребностей общества.
Для многих архитектурных фирм Информационного Века справедливо следующее: они используют ArchiCAD в своей работе от начала до конца, каждый архитектор может выполнять любой этап проекта на компьютере; они выбирают ArchiCAD, так как он удовлетворяет все их потребности; использование интегрирующих свойств ArchiCAD, его инструментария, позволяет им уверенно взаимодействовать с клиентом и вести успешный маркетинг; они могут подключить к работе над проектом в ArchiCAD новичка уже через один-два дня освоения программы. Graphisoft разработала ArchiCAD специально для архитекторов наступившего Информационного Века.
Использовать или ждать?
Интерес к системам автоматизированного проектирования (САПР) растет не по дням, а по часам. Любая проектная организация, архитектурная мастерская, частные лица, получившие более менее серьезный заказ на проектирование какого-либо объекта очень быстро осознают, что оставшимися после перестройки силами без автоматизации заказ просто не сделать.
Приходит осознание необходимости внедрения САПР в повседневную работу, и люди начинают оглядываться, а что вокруг есть? При этом от САПР довольно часто ожидают больше, чем она может дать, рассчитывая получить немедленный результат, не вкладывая никаких усилий.
Обычно после первого знакомства с предлагаемыми системами наблюдаются замечания типа: Ваша система не в состоянии оформить документацию в соответствии с нашими стандартами. Ваша система не ориентирована на нашу специфику. Ваша система не умеет моделировать сложные трехмерные объекты и сборки. От вашей системы нельзя перейти к производству, т.е. к получению программ для ЧПУ. Все это очень дорого.... Высказывающий эти замечания человек обычно впадает в раздумья на тему — с одной стороны, надо бы подождать до лучших времен, с другой стороны, надо повышать производительность труда... А тут еще западный заказчик требует документацию в электронном виде на магнитных носителях... Попробуем дать ответы на эти вопросы и рассеять сомнения.
В области САПР существует некий "философский" вопрос, присущий всем автоматизированным системам: САПР и компьютер, на котором она функционирует, — это инструмент, а не искусственный интеллект, способный принимать решения.
Ни одному конструктору не придет в голову перекладывать проектные решения на карандаш, линейку иди калькулятор...
Тем не менее, когда тот же конструктор садится за компьютер, он воспринимает его как своего партнера и пытается требовать такого уровня автоматизации своих работ, на который не способен ни то что компьютер, но и просто менее опытный конструктор.
САПР — это инструмент, помогающий в проектных работах и предлагающий некоторые заранее в него заложенные проектные решения, а не конструктор с искусственным интеллектом. Один из наиболее часто встречаемых вопросов — "А я могу все это переделать, как я это делаю резинкой и карандашом?" Ответ на этот вопрос — "Да, конечно". Все зависит от того, на каком уровне автоматизации вы хотите работать — можно снизить этот уровень до компьютерного аналога того самого карандаша и резинки.
Наиболее активными в области использования САПР на сегодняшний день оказались архитекторы. Они достаточно быстро выкристовализовались из огромных проектных институтов в маленькие частные архитектурные мастерские, которые имеют достаточное количество заказов и готовы вкладывать деньги в автоматизацию своей работы.
В силу своего более творческого характера труда, они менее консервативны и менее склонны требовать решения всех своих проблем сразу, а готовы проходить этот путь по частям. Традиционные машиностроительные, приборостроительные и судостроительные КБ этот этап еще не прошли и пока приглядываются к предлагаемым системам, с одной стороны, оценивая более-менее доступные (по деньгам) системы подготовки КД и, с другой стороны, заглядываясь на прекрасные (и очень дорогие) системы трехмерного моделирования и подготовки программ ЧПУ и специализированные системы.
Существует вопрос, который интересует всех — как использовать уже разработанные и существующие на бумаге чертежи и схемы. Технологии сканирования и работы со сканированными изображениями интересуют и архитекторов, и машиностроителей, и специалистов по геоинформатике. В этой области вопрос о вложении собственных сил стоит особенно остро.
Трехмерка
Моделирование трехмерных объектов — один из самых больных вопросов в САПР. Конструкторам приходится решать — что им выбрать — автоматизацию проектирования документации (т.е. автоматизация рутинной работы) или автоматизацию моделирования трехмерных объектов (т.е. работу ведущих конструкторов). Не отрицая важности трехмерного моделирования как такового, еще раз подчеркнем высокую стоимость аппаратных и программных средств требуемых для этого.