A.A. 2018-2019 Ingegneria Civile 07-12-18 lez 7 modulo Laboratorio di Disegno Docente: Ing. Cristina Vanini, PhD
Disegno digitale
Disegno digitale Rivoluzione Informatica É ormai diffuso senitr parlare di Rivoluzione Informatica, come quel radicale e rapido cambiamento introdotto con l avvento del Computer in ogni settore della scienza e del quale siamo ancora partecipi e protagonisti. Nel campo del disegno, i primi esperimenti di applicazione dell informatica risalgono agli anni Sessanta del Novecento.
Disegno digitale Tecnologie in sinergia Conta il METODO e non quale STRUMENTO usiamo. Lo strumento deve essere scelto in base a quanto riteniamo possa migliorare il processo che stiamo compiendo. Per questo presenteremo i caratteri generali di due tecnologie digitali attuali: il CAD e il BIM. Le tecnologie digitali che facilitano ed implementano il processo progettuale e di gestione del patrimonio costruito e territoriale sono molteplici. La loro applicazione nasce dalla necessità di gestione della crescente COMPLESSITÀ dei processi. Le tecnologie operano in sinergia tra loro, sono funzionali le une alle altre ed i dati veicolano tra una e l altra.
Disegno digitale immagini raster e vettoriali La grafica digitale o Computer Graphics è la scienza che si occupa della creazione e manipolazione delle immagini attraverso il computer. Una prima classificazione, nella grafica digitale, si attua con la distinzione tra immagini raster e vettoriali. La grafica raster (o bitmap), elabora immagini costituite da una griglia di punti (pixel) a ciascuno dei quali sono associate informazioni di posizione e colore. La definizione dell immagine è associata alle sue dimensioni (concetto di risoluzione). La grafica vettoriale elabora immagini definite da forme generate matematicamente in dipendenza da dati che definiscono punti caratteristici del oggetto. Pertanto la definizione dell immagine è indipendente dalla sua dimensione, perché il disegno viene costantemente ricalcolato/rigenerato.
Disegno digitale l immagine raster
Disegno digitale l immagine raster In ogni caso si nota che i dispositivi di output (screen e plotter) sono comunque basati sul concetto di raster e risoluzione, e pertanto la grafica vettoriale viene, prima o poi, tramutata in raster. Le applicazioni raster e vettoriali non sono compartimentate, infatti generalmente software di grafica vettoriale supportano immagini raster (oltre che in output anche in input) e viceversa software di grafica raster hanno funzionalità di grafica vettoriale (es. Elementi con control points). Nella rappresentazione del progetto architettonico la grafica raster occupa un posto importante nel cosidetto processo di post-produzione dell immagine (Image Postprocessing). Anche nella fase di Mappatura (Mapping) entra in gioco la manipolazione raster dell immagine sorgente (che non potrebbe essere migliorata a posteriori). Il problema maggiore per la grafica raster è la definizione univoca del colore, che dipende dal dispositivo di riproduzione.
Disegno digitale l immagine raster concetto di risoluzione
Disegno digitale l immagine vettoriale
Disegno digitale Il ruolo del disegno digitale nel progetto Come accennato nell introduzione del corso, il disegno prende la forma del contenuto che deve veicolare e di esso esistono molte accezioni. Ci siamo occupati prevalentemente del disegno tecnico, quello che esprime in modo inequivocabile un contenuto preciso e volto alla costruzione. L altro aspetto, a volte contrastante, sta nel disegno di divulgazione, che pone l accento sul potere convincente della propria espressione, rinunciando sovente all oggettività. In entrambe i ruoli il disegno digitale ha un ruolo fondamentale, perché permette l elaborazione e la gestione di maggior complessità rispetto al disegno manuale.
Disegno digitale CAD esordi CAD è acronimo di Computer Aided Drafting or Design? Nel primo caso viene inteso come un potente strumento per il disegno tecnico 2D, senza modificare i metodi progettuali, se non nelle caratteristiche esposte qui sotto. La computer graphics fece i suoi primi sporadici esperimenti a partire dal decennio del 1960, con applicazioni nell industria areonautica ed automobilistica. Le prime esperienze di progettazione con CAD ebbero luogo soprattutto nel decennio successivo e si diffusero negli anni 80-90. Furono subito riconosciute al CAD (Drafting) alcune caratteristiche quali: - la possibilità di variare con facilità la dimensione del disegno; - l elevato livello di precisione; - l automatizzazione di procedure ripetitive; - la facilità di correzione; - la possibilità di gestione ed archiviazione di grandi quantità di dati Che non avrebbero modificato sostanzialmente i metodi progettuali.
Disegno digitale CAD - sviluppo In quei primi anni, nel CAD furono intraviste enormi potenzialità, in relazione soprattutto all automatizzazione del processo progettuale. Il CAD fu visto come il naturale ambiente per la standardizzazione del processo industrializzato e si immaginò addirittura che potesse rendere superflua la figura del progettista. Questa tecnologia trovava naturale evoluzione nei sistemi CAM : Computer Aided Manifacturing. Inoltre era possibile gestire il disegno di curve complesse che trovavano possibilità costruttive nelle nuove tecnologie. La geometria su cui tuttora si basa la grafica vettoriale del CAD è quella delle curve NURBS (Non Uniform Rational B-Splines). Queste sono composte da punti relativi descritti in modo parametrico e la geometria è composta da curve di interpolazione (splines) che passano per punti vincolati (control points).
Disegno digitale CAD nuove potenzialità del disegno Ma il reale apporto del CAD sta ben oltre il solo potente strumento di disegno, il suo potenziale sta tutto nell aver cambiato il metodo della progettazione rispetto ai sistemi tradizionali (e quindi Computer Aided Design = Progettazione Assistita dal Calcolatore). E per chiarire questo aspetto dobbiamo concentrarci sulle possibilità del CAD di generare modelli, più che solo disegni. Il significato del disegnare diventa più globale, il disegno digitale è capace di simulare la realtà in modo più completo e veloce, è capace di essere supporto di informazioni in modo più organico e gestibile. Il disegno come modello digitale ha oggi un ruolo centrale nel processo progettuale. Si mostrano esempi di disegno digitale in varie fasi di progetti complessi.
Disegno digitale CAD 3D disegno come simulatore Nel suo significato di Computer Aided Design, si intuisce il ruolo decisivo del disegno digitale, in grado di modificare il metodo progettuale, permettendo di simulare la realtà in modo completo e veloce. Si parla anche di Virtual Design, perché si ha la possibilità di creare ambienti virtuali interattivi e immersivi. La rappresentazione di un modello 3D digitale passa attraverso la definizione di tre aspetti: - la geometria dell oggetto (descrizione coordinate dei vertici); - la topologia (descrizione delle reciproche relazioni tra le componenti geometriche); - la fotometria (descrizione dei colori, dell apparenza delle superfici e dell illuminazione della scena)
Disegno digitale CAD 3D alcuni principi Le regole base della Geometria e della Geometria Descrittiva sono applicate direttamente dal calcolatore, in modo automatico. Costruendo il modello virtuale è possibile visualizzarlo secondo i metodi di rappresentazione conosciuti, considerando il dispositivo di visualizzazione corrispondente con il piano di proiezione. - il concetto di scala e di misura subiscono un impatto forte, perché è possibile variare la dimensione della visualizzazione in tempo reale, perdendo la percezione delle dimensioni del disegno. Si disegna in scala reale e si definisce la scala di rappresentazione in funzione della stampa (bisogna fare attenzione al concetto dettaglio/scala di rappresentazione) - anche il fattore temporale incide in modo notevole sull impatto della tecnica, perché rappresentazioni che prima avrebbero richiesto tempi lunghissimi sono possibili in tempo reale. - infatti ad esempio, con le tecniche digitali, si usa molto più spesso il metodo prospettico di quanto non si facesse con le tecnche analogiche.
Disegno digitale Riflessioni disegno manuale - disegno digitale Tutto ciò che abbiamo studiato a proposito del disegno manuale, può essere riflesso e trasposto sul disegno digitale, con le opportune variazioni e considerazioni. Vediamone alcune: Metodi di rappresentazione: sono gli stessi codificati dalla Geometria Descrittiva, solo che il Computer può elaborarli in modo automatico. Tecniche: sono varie e ne vedremo alcune (disegno raster, disegno vettoriale, CAD 2D, CAD 3D - modellazione CSG, rendering, etc. Strumenti e supporti: algoritmi di calcolo del disegno e dell immagine, tecnologie software, hardware di input e output. Fasi del disegno: possono essere, ad esempio: modellazione, rendering, produzione di video; oppure modellazione, generazione degli elaborati standard, stampa
Disegno digitale CAD 3D disegno come simulatore A partire da un modello 3D digitale si ottiene un immagine. Le macrofasi del processo che porta all immagine sono due: - modellazione definizione degli oggetti (comprese le texture) e della scena (punti di vista); - rendering a partire dalla rappresentazione geometrica, applicazione di un modello di illuminazione e creazione di un immagine. Le due fasi sono complementari e in dialogo costante tra loro.
CAD 3D Modellazione: metodi e primitive grafiche La creazione del modello segue un processo che, in ogni caso, parte da oggetti semplici (primitive grafiche) e tramite trasformazioni geometriche successive giunge ad oggetti complessi. Le tecniche di modellazione digitale 3D possono essere ricondotte a due metodi di base: Modellazione per superfici Modellazione per solidi Le primitive grafiche sono: curve e superfici Le primitive grafiche sono: solidi elementari
CAD 3D modellazione per superfici La modellazione per superfici si può ottenere fondamentalmente con due tipi di tecniche: - tecnica di modellazione numerica, per mesh. - tecnica di modellazione parametrica, per superfici complesse (patch, NURBS).
CAD 3D - modellazione per superfici modellazione numerica - mesh La prima tecnica di modellazione per superfici è: - tecnica di modellazione numerica, per mesh. Le mesh sono superfici poligonali (triangolari, quadrangolari) che si compongono formando poliedri che approssimano le superfici reali. Ogni mesh è definita dai vertici (come coordinate x,y, z nello spazio) e dalla normale uscente che definisce il verso positivo (orientamento) della faccia della superficie. Gli oggetti sono approssimati da superfici poliedriche composte da mesh: aumentando il numero di mesh si ottiene una migliore approssimazione delle superfici (esempio). Le linee che vediamo nel disegno rappresentano i confini (bordi) di ogni tassello/poligono della mesh. Disegnamo dunque con linee diverse da quelle che useremmo nel disegno tradizionale.
CAD 3D - modellazione per superfici modellazione parametrica - NURBS La seconda tecnica di modellazione per superfici è: - tecnica di modellazione parametrica, per superfici complesse. Tali superfici vengono generate (tramite algoritmi) a partire da curve parametriche dotate di punti di controllo e sono superfici continue (patch). La variazione dei parametri (quali punti di controllo e normali e tangenti alla superficie) ne determina la forma. Le più diffuse tra queste superfici sono quelle generate a partire da curve NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines).
CAD 3D modellazione per solidi La modellazione per solidi si può ricondurre anch essa a due tipi di tecniche principali: - la CSG (Constructive Solid Geometry) che a partire da primitive geometriche solide porta alla costruzione di solidi complessi ottenuti con successioni di operazioni booleane. - la B-Rep (Boundary Representation) che genera delle geometrie solide a partire dalla rappresentazione di vertici, contorni e facce delle superfici che le delimitano. Questa seconda tecnica consente di ottenere rapidamente forme più complesse rispetto alla CSG ma le modifiche sono più difficili ed è facile che si generino solidi non validi fisicamente (ad esempio delimitati da superfici non chiuse, o da superfici con normali ribaltate per cui il calcolatore non riesc a distinguere lo spazio interno/esterno del solido).
CAD 3D mesh primitive - esempio https://en.blender.org/index.php/doc:it/2.6/manual/modeling/meshes/primitives Primitive grafiche mesh in Blender
CAD 3D Software CGS Software CGS (Constructive Solid Geometry), sono software per la modellazione che sfruttano la tecnica per geometrie solide, permettendo di creare oggetti complessi usando operatori Booleani che combinano oggetti semplici. Alcuni degli strumenti di base per la CGS sono: - le primitive di base (definite parametricamente); - modificatori; - strumenti booleani; - smussi e raccordi. Questa tecnica è usata spesso nel CAD e si può schematizzare come un diagramma binario ad albero.
CAD 3D modellazione solida CSG schema OGGETTI SOLIDI COMPLESSI OPERAZIONI BOOLEANE (UNIONEINTERZEZIONESOTTRAZIONE) PRIMITIVE GRAFICHE Immagine Wikmedia Commons
CAD 3D modellazione solida tecnica procedurale Le varie tecniche di modellazione solida nel CAD sono spesso combinate e alternative, nello stesso software: Citiamo ad esempio la tecnica procedurale, che sfrutta le tecniche già menzionate e permette di generare geometrie complesse con l immissione di determinate regole e vincoli (strumenti software generano più o meno automaticamente la geometria voluta (es. simulatori di fluidi, generatori di vegetazione, di tessuti, di capelli, di frattali).
Computer graphic Interfaccia e aspetto grafico Il CAD si interfaccia attraverso il monitor prima di tutto, ma i suoi risultati possono tradursi in output anche su un supporto cartaceo (plotting). L aspetto classico del disegno è geometrico lineare: per le superfici le linee delimitano i bordi (edges) e uniscono i punti di controllo (control points). Questo tipo di visualizzazione è il più antico ed è detto a fil di ferro (wireframe). La computer graphic ha tentato di evolversi verso sistemi di visualizzazione sempre più realistici, simulando il comportamento di interazione dei corpi con la luce, l aspetto materico e la visione umana. Sono stati sviluppati algoritmi di rendering, a partire dai Hideline, ai vari Shading, ai Raytracing (calcola per singolo pixel il tracciato luminoso), il Radiosity (considera le interriflessioni), Unbiased e vari altri sino agli attuali motori di Rendering in Realtime.
Computer graphic rendering Grazie alla creazione dei modelli 3D geometrici è dunque possibile produrre come output immagini elaborate, sia dal punto di vista del metodo di rappresentazione che dal punto di vista della tecnica di simulazione dell aspetto reale degli oggetti. La visualizzazione del modello si basa sulle tecniche di rendering. Tale rappresentazione è possibile anche in termini dinamici: animazione (sequenza di immagini). Attualmente è possibile produrre visualizzazioni foto-realistiche e una vera e propria realtà virtuale (Virtual Reality) fruibile in modo immersivo.
Computer graphic rendering fattori di impostazione Una volta definita la geometria della scena (il modello virtuale in altre parole), nella fase di rendering entrano in gioco i seguenti fattori: - geometria del modello (definita in fase di modellazione) - posizione e tipo del punto di vista (definita in fase di modellazione e/o in fase di rendering) (perspective, camera) - definizione del materiale e texture superficiale (mapping); - caratteristiche dell illuminazione (posizione e tipo della sorgente luminosa, calcolo delle ombre, interriflessioni, etc.) - tecnica di rendering - settaggio dell output
Sistemi OOCAD e BIM
SISTEMI OOCAD e BIM OOCAD grafiche intelligenti Recentemente un ulteriore evoluzione del disegno digitale è stata introdotta con i sistemi OOCAD (Object-Oriented CAD Systems), in cui gli oggetti rappresentano elementi architettonici costruttivi tridimensionali e simulano il loro comportamento, e che vengono spesso definiti grafiche intelligenti. Uno di questi oggetti potrebbe essere, ad esempio, un muro, una porta, una finestra etc. Gli oggetti sono infatti definiti in modo parametrico (con parametri variabili di geometria e fattori funzionali) e ad essi sono associate regole o vincoli che definiscono le relazioni tra gli elementi del modello. Questi vincoli definiscono una rete di relazioni funzionali che riflette le successive modifiche su tutto il modello. Gli oggetti possono inoltre essere ideintificati, descritti e referenziati. Ad esempio: i muri sono oggetti che possono essere allungati (streched), uniti (joined), avere un elevazione, una sezione specifica, e specifiche proprietà associate, come la resistenza al fuoco o il valore di isolamento.
SISTEMI OOCAD e BIM BIM Il BIM (Building Information Modelling) è l ultima generazione di OOCAD systems. Questa tecnologia è contenuta in diversi software, alcuni dei quali sono specializzati in alcune aree e funzioni. I software BIM possono integrarsi con software che eseguono analisi specifiche per determinate funzioni dell edificio. Si mostrano vari esempi di interfacce di software BIM in varie fasi del processo progettuale.
SISTEMI OOCAD e BIM BIM funzioni - caratteristiche Il BIM Vantaggi: - visualizzazione 3D degli edifici e produzione degli elaborati standard in modo automatico; - facilita la gestione e la modifica di elementi in modo integrato; - simulazione delle prestazioni e dei costi; - facilita la gestione dei dati di molteplice natura, collegandoli ad un unico modello informativo; Limiti: - è necessario l intersambio di dati tra software e modelli costruiti per fini specifici in modo che questi siano interoperabili; - i consueti formati di intersambio CAD non supportano le informazioni contenute nel BIM, e sono necessari formati file specifici (IFC); - il processo di modellazione è più laborioso e completo e richiede forti competenze, spostando una maggior quantità di lavoro sulla fase progettuale iniziale.
SISTEMI OOCAD e BIM BIM - formati file IFC (Industry Foundation Classes) è un formato dati aperto, non controllato da un singolo operatore, nato per facilitare l interoperabilità tra i vari operatori. Consente l interscambio di un modello informativo e di elaborare tutte le informazioni dell edificio, in ogni fase del suo ciclo di progettazione e di vita.
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esercitazione_tavola 11 TAV. 11. DISEGNO ARCHITETTONICO: ASSONOMETRIA IN SCALA 1:100. - si può scegliere lo schema assonometrico preferito e conveniente. - questa tavola può essere realizzata in CAD e stampata in A3, oppure può essere realizzata a mano. Ogni studente esegue la tavola a partire dall unità abitativa scelta, già rappresentata in tavole 9 e 10. Lo studente può scegliere il tipo di assonometria da usare. Si rappresenterà l unità edilizia senza copertura, in modo da poter vedere la partizione interna. Questa rappresentazione si chiama spaccato assonometrico perché si ottiene avendo operato una sezione dell oggetto (sto sezionando in orizzontale appena sotto il piano di copertura). - Per chi utilizza il CAD gli angoli assonometrici sono fissati dal software (in genere ass. Ort. isometrica); - Per chi disegna a mano è conveniente applicare un ass. Obl. militare perché consente di lasciare la pianta indeformata (90 sul piano orizzontale) e facilita il disegno e la comunicazione.
esercitazione_tavola 11 PRECISAZIONI ED INDICAZIONI GRAFICHE DISEGNO A MANO: la tavola, in formato A3, deve essere eseguita prima a matita su foglio bianco, poi con inchiostro nero su foglio lucido. DISEGNO DIGITALE: la tavola andrà stampata in formato A3, con squadratura e intestazione. L intestazione è sempre in basso a destra, come per tutte le tavole. Si deve indicare la scala nominale. TIPI DI LINEA: si userà un solo spessore fine e tipo di linea continua per gli spigoli in vista, mentre gli spigoli nascosti non si evidenzieranno. Nel CAD occorrerà stampare con stile di visualizzazione Hidden (a linee nascoste)
esercitazione_tavola 11 SCHEMI ASSONOMETRICI CONSIGLIATI Per il CAD Per il disegno manuale
Esempio di tavola 11 realizzata in CAD, ass. Ort. Isometrica
bibliografia - Docci, Gaiani, Maestri, Scienza del disegno, da pag. 411 (riassume efficacemente l argomento). - Yee R. (traduz. Gottfried A.), Disegno Architettonico. Metodi e strumenti di rappresentazione. Hoepli, Milano 2014. Da pag. 91 a 131 (contiene numerosi esempi sulla modellazione solida). Per approfondimenti sulla storia del disegno digitale: - Giordano A., Dal secolo dei Lumi all epoca attuale, in De Rosa A., Sgrosso A., Giordano A., La Geometria dell Immagine. Storia dei metodi di rappresentazione. UTET, Torino, 2000. Per l uso del software consultare la guida originale e i suggerimenti pop-up forniti durante l uso. Si ribadisce che la scelta del software da utilizzare non è imposta nel corso e che ogni studente può realizzare i disegni con gli strumenti che ritiene a lui più congeniali.