In this series, we will be examining the world of FreeCAD, an open-source CAD modelling application that is still in Beta, but has been gaining acceptance in recent years. Naturally, it is readily available in the Ubuntu repositories. In the fourth article on using FreeCAD, we created a Sketch object, to place individual drawing elements such as lines, arcs, and points, in a precise relationship to each other using constraints. We noted the use of Construction mode elements within the Sketch object, to aid construction of the complete diagram while not appearing in the final drawing. In this part of the series, we will change scale altogether and work on an architectural project.
Dans cette série, nous examinerons le monde de FreeCAD, une application Open Source de modélisation par CAO qui est encore en bêta, mais qui a reçu un bon accueil ces dernières années. Naturellement, elle est facilement disponible dans les dépôts d'Ubuntu. Dans le quatrième article sur l'utilisation de FreeCAD, nous avons créé un objet Sketch et placé des éléments individuels de dessin tels que des lignes, arcs et points, avec des relations précises entre les uns et les autres, en utilisant des contraintes. Nous avons souligné l'utilisation d'éléments du mode Construction dans l'objet Sketch, pour faciliter la construction d'un dessin fini, sans qu'ils apparaissent dans le dessin final. Dans cette partie de la série, nous allons changer complètement d'échelle et travailler sur un projet architectural.
Setting up our units The main difference between the small technical parts we have drawn up so far and an architectural project lies in the units used. Small parts tend to be easily measured in millimeters. However, in the case of a building it would make sense to use larger units such as meters (in the metric system). To set up the environment, let us begin by starting up FreeCAD, and choose a new Project. Then go to menu option Edit, and choose Preferences. Within the General pane, choose the Units sub-pane and change “User system” settings from millimeters to meters - or the imperial system if that is your preference.
Paramétrer nos unités
La principale différence entre les petites pièces techniques que nous avons dessinées jusqu'à maintenant et un projet architectural vient des unités utilisées. Les petites pièces sont facilement mesurées en millimètres. Cependant, dans le cas d'un bâtiment, ce serait logique d'utiliser des unités plus grandes comme des mètres (dans le système métrique). Pour paramétrer l'environnement, commençons par démarrer FreeCAD et choisissons un nouveau Projet. Puis, allez dans l'option de menu Édition et choisissez Préférences. Dans la partie Général, choisissez la sous-partie Unités et modifiez les paramètres « Système de l'utilisateur » de millimètres en mètres, ou en système impérial si vous préférez.
Though we have changed the main units, the auxiliary grid that comes up to help us place elements will still use the former aperture value between grid lines. Having a 1×1 m grid with lines every millimeter may not be of much use to build a house. So, continue within the Preferences dialog box, and go to the Draft pane. Here, choose the Grids and Spacing sub-pane, and change the value for “Grid spacing”. As a quirk, it may be necessary to save your project, close FreeCAD and open it once more to actually see the grid with its new size. Remember to use the mouse wheel to zoom out to see a sufficiently large amount of the X-Y plane. Remember the visible area is always indicated in the lower right corner of the display.
Bien que nous ayons changé les unités principales, la grille auxiliaire qui apparaît pour nous aider à placer les éléments utilisera encore la valeur de pas précédente pour l'espacement des lignes. Avoir une grille de 1×1 m avec des lignes tous les millimètres n'a pas beaucoup d'intérêt pour construire une maison. Aussi, poursuivez dans la boîte de dialogue des Préférences et allez à la section Draft. Là, choisissez la sous-section Paramètres d'accroche et modifiez la valeur de « Espacement de la grille ».
C'est bizarre, mais vous devez peut-être sauvegarder votre projet, fermer FreeCAD et le rouvrir pour réellement voir la grille avec son nouveau pas. Pensez à utiliser la molette de votre souris pour agrandir et voir une partie suffisamment grande du plan X-Y. Souvenez-vous que la zone visible est toujours indiquée dans le coin en bas à droite de l'affichage.
Using the Arch workbench Let us begin actual design by noting the existence of a specific “Arch” workbench. This toolset has been specifically conceived to draw designs of buildings as a Building Integrated Model, or BIM. In this concept, building elements are labelled as such: walls become a Wall object, openings such as windows or doors become Window objects, and objects such as a Support, a Roof or a complete Building object can be specified using the appropriate toolbar. To begin a new building, one could start in the Draft workbench, by drawing out the general floorplan. Simple lines are sufficient to indicate the position of each wall. For the time being, no mention needs to be made of wall widths and of the placement of openings. For instance, one could draw up the following building, representing a small school module with two classrooms or laboratories, one preparation room between them, and an exterior corridor.
Utilisation de l'atelier Arch
Commençons réellement le dessin en remarquant l'existence de l'atelier spécifique Arch. Cet ensemble d'outils a été conçu spécialement pour dessiner des bâtiments avec l'approche BIM (Building Integrated Model - Modèle de construction intégré). Dans ce concept, les éléments de construction sont étiquetés en tant que tels : les murs deviennent des objets Mur, les ouvertures comme les portes et les fenêtres deviennent des objets Fenêtres, et des objets comme un Support, un Toit ou un objet complet de bâtiment peuvent être spécifiés en utilisant la barre d'outils adéquate.
Pour commencer un nouveau bâtiment, on peut démarrer dans l'atelier Draft en dessinant le plan général au sol. De simples lignes suffisent pour indiquer la position de chaque mur. Pour l'instant, aucune mention n'a besoin d'être faite sur l'épaisseur des murs et la position des ouvertures. Par exemple, on peut dessiner le bâtiment suivant, représentant un petit module d'école avec deux salles de classe ou laboratoires, une salle de préparation entre les deux et un couloir extérieur.
Once the floorplan has been drawn in this fashion, move to the Arch workbench, and select all lines. Then select the Wall tool , and all lines magically become proper Wall objects. A default value of 3m is used for wall heights, and 0.2m for wall thicknesses. To continue, one would need to place openings. To do so, start by creating a Sketch object attached to the corresponding wall object. This Sketch object needs to contain a closed form that represents the shape of the opening. For instance, one could create a simple rectangular window for one of the classrooms. Choose the wall object on which to draw, go to the Sketch workbench, and create a new Sketch object. Using the Sketch constraint system described in the previous part of this series, the four lines that describe the position of the new window can be placed with some precision.
Une fois le plan au sol dessiné de cette façon, passez dans l'atelier Arch et sélectionnez toutes les lignes. Puis sélectionnez l'outil Mur et toutes les lignes deviennent magiquement de vrais objets Murs. Des valeurs de 3 m de hauteur et de 0,2 m d'épaisseur leur sont attribuées par défaut.
Pour continuer, les ouvertures doivent être placées. Pour ce faire, commencez par créer un objet Sketch attaché à l'objet Mur correspondant. L'objet Sketch doit contenir une forme fermée qui représente la forme de l'ouverture.
Par exemple, on peut créer une simple fenêtre rectangulaire pour l'une des classes. Choisissez l'objet Mur sur lequel dessiner, passez dans l'atelier Sketch et créez un nouvel objet Sketch. En utilisant le système des contraintes de Sketch décrit dans l'article précédent de cette série, les quatre lignes qui décrivent la position de la nouvelle fenêtre peuvent être positionnées avec une certaine précision.
Once finished, close Sketch edition mode, and make sure the new Sketch object is actually associated to and within the Wall object. Then go to the Arch workbench and transform the Sketch into a Window object. Within the Combo View to our left, we should see how the original Wall object (Wall004) has been replaced by a new Wall (Wall006), that contains both the original shape and a new Window object. This latter object in turn contains the Sketch. Each internal object defines the shape of the external one that contains it. The Arch workbench and the BIM approach to building an architectural project has several advantages. One is ease of use, specially when working with a rapid prototyping approach, under which several models may be tested to explore the possibilities of a new site or construction idea, before settling on a particular solution. Just lay down the lines, and build up your walls. A second advantage is that, once the new building’s elements have been defined as such, the information contained within the model can be used to automate calculations, such as surface area or building volume.
Une fois terminé, fermez le mode édition de Sketch et assurez-vous que le nouvel objet Sketch est vraiment associé avec et dans l'objet Mur. Ensuite, allez dans l'atelier Arch et transformez le Sketch en objet fenêtre. Dans la vue combinée sur la gauche, vous devriez voir maintenant que l'objet Mur d'origine (Wall004) a été remplacé par un nouveau mur (Wall006) qui contient à la fois la forme d'origine et un nouvel objet Fenêtre. Ce dernier objet contient à son tour le Sketch. Chaque objet interne définit la forme de l'objet externe qui le contient.
L'atelier Arch et l'approche BIM pour construire un projet architectural a plusieurs avantages. L'un est la facilité d'utilisation, particulièrement en travaillant dans une approche de prototypage rapide, dans laquelle plusieurs modèles peuvent être testés pour explorer les possibilités d'un nouveau site ou des idées de construction, avant de se fixer sur une solution précise. Couchez simplement des lignes et construisez vos murs. Un second avantage tient à ce que, une fois es éléments du nouveau bâtiment sont définis de cette façon, l'information contenue dans le modèle peut être utilisée pour automatiser des calculs, tels que la surface ou le volume de la construction.
On the other hand, this part of the FreeCAD software is possibly the least mature for the time being. As work in progress, developers seem to be exploring the possibilities of the BIM approach, and there are some rough edges. Element placement is still rather fiddly, and much care must be given by the user to place objects correctly within their containing objects. Roof creation is an art by itself. Object conception is made using regular parts that may, or may not, correspond to the real world. For instance, working with a building interior floor that is not completely flat may become a challenge, as may be working with walls that have varying levels of thickness along their length. Solving corner intersections between walls may also become an issue. For this reason, the choice of using the Arch workbench must be left entirely to each individual user. Some people may hate the limits this approach places on their workflow, while others may revel in the ease of creation of modern-looking buildings. In any case, one of the designers of FreeCAD has created a rather good tutorial on its features, that may be of interest as further reading: https://www.freecadweb.org/wiki/Arch_tutorial
D'un autre côté, cette partie du logiciel FreeCAD est probablement la moins mure actuellement. Dans leur progression, les développeurs semblent explorer les possibilités d'une approche BIM et il y a quelques aspérités. Le placement d'un élément est encore plutôt délicat et beaucoup de soin doit être apporté par l'utilisateur pour placer correctement les objets dans leurs objets contenants. La création d'un toit est tout un art. La conception des objets est faite en utilisant des pièces normales qui peuvent, ou non, correspondre au monde réel. Par exemple, le travail sur le sol intérieur d'un bâtiment qui ne serait pas complètement plat peut devenir une vraie casse-tête, tout comme de travailler avec des murs aux épaisseurs variables sur leur longueur. La résolution des intersections de murs dans un angle peut aussi devenir un problème.
Pour cette raison, le choix d'utiliser l'atelier Arch doit être laissé entièrement à chaque utilisateur. Certaines personnes pourraient ne pas supporter les limitations de cette approche entravent leur progrès, alors que la facile création de d'autres bâtiments à l'allure avant-gardiste pourraient remplir d'autres d joie. De toute façon, un des concepteurs de FreeCAD a créé un tutoriel plutôt bon sur ces fonctionnalités, dont la lecture peut être intéressante : https://www.freecadweb.org/wiki/Arch_tutorial.
A more traditional approach Users who do not need or do not care for the features of BIM may feel more comfortable using the more standard tools in the Draft and Sketch workbenches to draw traditional views of our construction. However, we should always bear in mind that FreeCAD is a 3D-oriented computer design program. For this reason, limiting ourselves to the more traditional conception of architectural drawings - planar projections and perspectives - can certainly work, but we would lose out on the capabilities of visualizing the building in the third dimension that FreeCAD allows us. To see how this could work out, let us project something that would be rather difficult to draw up using the Arch workbench: an arcaded cloister. This is typically a square or rectangular space that consists in a covered walkway surrounding a central open area with vegetation, an arrangement that has been used both in a certain type of Islamic garden (e.g. Patio de los Leones, Alhambra Palace in Granada, Spain) and in Christian churches, both in Romanic and Gothic styles. It is this latter that will inspire us to design the cloister arches, such as those found in Tarragona Cathedral, Catalonia.
Une approche plus traditionnelle
Les utilisateurs qui n'ont pas besoin ou ne s'intéressent pas aux fonctionnalités du BIM peuvent se sentir plus à l'aise en utilisant des outils ordinaires dans les ateliers Draft et Sketch pour dessiner des vues classiques de leur construction. Cependant, vous devriez toujours garder en tête que FreeCAD est un programme informatique de dessin en 3D. Pour cette raison, se limiter aux dessins plus traditionnels de la conception architecturale - projection plane et perspectives - peut certainement fonctionner, mais les possibilités que nous offre FreeCAD de visualiser la construction en trois dimensions nous manqueraient.
Pour voir comment ceci fonctionne, projetons quelque chose qui est plutôt difficile à dessiner en utilisant l'atelier Arch : du cloitre ouvert en arcades. C'est en général une surface carrée ou rectangulaire qui consiste en une promenade couverte entourant une zone centrale à l'air libre avec de la végétation, une disposition qui a été utilisée dans un certain type de jardin mauresque (par ex., le Patio des lions de L'Alhambra de Grenade, en Espagne) et dans les églises chrétiennes, dans les styles roman et gothique. C'est ce dernier qui nous inspirera pour dessiner les arcades du cloître, comme celles que l'on trouve dans la cathédrale de Tarragone, en Catalogne.
Let us begin by drawing a simple Gothic arch. In FreeCAD (bottom left), go to the Draft workbench and set the grid aperture to 500mm. Then go to the Sketcher workbench, and start a new Sketch object. Here, we will probably need to alter the grid aperture a second time, to 0.5 m (same value, different units). We can then begin by drawing the base of our arch, using the grid as a support. Using simple values, I drew two vertical lines 0.5m high and set 1m apart. I was then able to draw the arched top part of our figure. In its most traditional form, this is the combination of two circular arcs. In the figure below, a construction circle has been drawn in blue: centered on the top of the leftmost vertical segment (green point), it passes through the top of the right post, giving it a radius of 1m. Using this circle, draw an arc of a circle from the rightmost post up towards the centerline of the figure (snap to the vertical grid line), giving the right part of the arch. Now draw a similar circle centered on the top of the right post, and draw the left part of the arch.
Commençons par dessiner une simple arcade gothique. Dans FreeCAD (en bas à gauche), allez dans l'atelier Draft et réglez l'espacement de la grille à 500 mm. Puis, allez dans l'atelier Sketch et entamez un nouvel objet Sketch. Ici, nous aurons probablement besoin de modifier l'espacement de la grille une deuxième fois, pour 0,5 m (même valeur dans une unité différente). Nous pouvons alors commencer à dessiner la base de l'arcade, en utilisant la grille comme support. En utilisant des valeurs simples, j'ai dessiné deux lignes verticales de 0,5 m de haut et séparées d'un mètre. Ensuite, j'ai pu dessiner la partie haute cintrée de notre figure. Dans sa forme la plus traditionnelle, c'est la combinaison des deux arcs. Dans la figure ci-dessous, un cercle de construction a été dessiné en bleu : centré sur sur le sommet du segment vertical le plus à gauche (point vert), il passe par le sommet du segment de droite, ayant ainsi un rayon d'un mètre. En utilisant ce cercle, dessinez un arc de cercle du segment le plus à droite jusqu'à la ligne marquant l'axe central de la figure (aimantez-vous à la ligne verticale de la grille), donnant ainsi la partie droite de l'arche. Maintenant, tracez un cercle identique centré sur le sommet du segment de droite et dessinez la partie gauche de l'arche.
Once we exit editing mode, we obtain a nice outline of our Gothic arch, which would in the this case be called an equilateral arch. Since real architectural elements have volume, we now need to find a way of transforming this into a volume, keeping as much in character with real Gothic building techniques as possible. However, when one studies carefully the stone parts that go into making up real Gothic arches, one almost always finds that the same profile has been cut all along soft pieces of white sandstone. Therefore, if we can create such a profile and somehow sweep it along our arch outline, we should end up with a perfect three dimensional arch frame. Please do make sure this shape is complete, i.e. that all lines connect well to each other. The penalty for not doing so would be a final arch shape that is built up only in part - with another part missing. I drew my arch sketch (previous page, bottom right) in the XY plane. I will now create a second Sketch object, but at right angles within the XZ plane: the X-axis is in the left-right direction, Y is top-bottom, and Z goes along the arch depth.
Une fois sorti du mode édition, nous obtenons une jolie forme d'arcade gothique, qui, dans ce cas, devrait être appelée une arche équilatérale. Comme les éléments réels d'architecture ont un volume, nous devons maintenant trouver comment la transformer en un volume, gardant le plus possible l'aspect des vraies techniques de construction du Gothique. Cependant, quand on étudie attentivement les éléments en pierre qui composent les arcades gothiques, on trouve presque toujours que le même profil a été taillé tout le long des morceaux polis de grès blanc. Ainsi donc, si nous créons un tel profil et que nous le passons le long de la forme de l'arche, nous devrions obtenir la forme parfaite d'une arcade en trois dimensions.
S'il vous plaît, assurez-vous que cette forme est complète, c'est-à-dire que toutes les lignes sont bien reliées entre elles. La pénalité si vous ne le faites pas serait que votre arcade ne sera construite qu'en partie - avec un bout manquant.
J'ai dessiné mon esquisse d'arcade (page précédente, en bas à droite) dans le plan XY. Je vais maintenant créer un deuxième objet Sketch, mais à angles droits dans le plan XZ : l'axe X est de gauche à droite, Y est de bas en haut et Z court le long de la largeur de l'arche.
Within this new Sketch Please note that the grid dimensions have been changed. We are now working with an aperture of 5 cm, giving an element profile that fits within a 10×20 cm rectangle. Close this second sketch, and we can now proceed to the Part workbench. In this, select the Sweep tool. In this tool, we select one of the sketches as the form to be swept, and the other as the path to sweep it along. However, there are some caveats. The main point is the relative placement of each sketch. Their relative positions will be respected when one is swept along the other. It is best to ensure the swept form is actually placed upon the path before proceeding. In my case, I needed to displace it some 0.5 m leftward of the place where it had been created, in the vicinity of the coordinate system’s origin. For some reason, I also needed to move the second sketch downward a small amount - some 25 mm, presumably to ensure it was not in the vicinity of a connection point between segments of our arch sketch. In this partial view, one can see how the wireframe arch sketch is acting as a support for the second, profile, sketch, as it goes around using the first sketch as its path.
Ce nouveau Sketch
Notez que les dimensions de la grille ont changé. Nous travaillons maintenant avec un espacement de 5 cm, donnant un profil d'élément qui tient dans un rectangle de 10 x 20 cm. Fermez cette deuxième esquisse ; nous pouvons maintenant poursuivre dans l'atelier Part. Dans celui-ci, sélectionnez l'outil Balayage.
Dans cet outil, nous choisissons une des esquisses comme la forme à balayer et l'autre comme le chemin le long duquel la balayer. Cependant, il y a plusieurs avertissements. Le point principal est le placement relatif de chaque esquisse. Leurs positions relatives seront respectées pendant que l'une est balayée le long de l'autre. Mieux vaut vous assurer que la forme balayée est vraiment placée sur le chemin avant de le faire. Dans mon cas, j'ai dû la déplacer de 0,5 mm à gauche de la place où elle avait été créée, au voisinage de l'origine des coordonnées. Pour une raison quelconque, j'ai eu besoin aussi de déplacer la seconde esquisse un peu vers le bas - d'environ 25 mm -, probablement pour m'assurer qu'elle n'était pas dans le voisinage d'un pont de connexion entre les segments de notre esquisse de l'arcade.
Dans cette vue partielle, on peut voir comment l'esquisse de l'arche en forme filaire est utilisée comme support pour la seconde esquisse, le profil, quand elle se déplace le long de la première esquisse qui définit son parcours.
Once the final arch tridimensional shape has been prepared, what we have actually achieved is a computer model of the elegant carved stone frame of the arch. However, this arch would not work well in architecture by itself, but must be part of a wall or a complete structure. To create this wall, I draw a simple rectangle 1.1 m wide by 2.1 m high in the XY plane, overlapping the arch by several centimeters on all sides. I then extruded this flat piece as a rectangular volume - as in Part II of this series, which I then dyed red. The final touch is to make a Pocket indentation in this rectangle, to accommodate our arch. This done by selecting one of the outward faces of the rectangle, and creating a Sketch on this face, with the same shape as our original arch. A copy of the arch sketch could also be made, and then attached to the face of the rectangle. Then use the Pocket tool in the Part design workbench to push the sketch form “inwards”. If sufficient depth is given to it, it will end up by making a hole straight through our rectangle, in the correct shape to place our arch volume in.
Une fois la forme finale de l'arche tridimensionnelle préparée, ce que nous avons vraiment réalisé est un modèle informatique de l'élégante forme en pierre taillée de l'arcade. Cependant, en architecture, cette arche ne servirait pas à rien toute seule, mais elle doit faire partie d'un mur ou d'une structure complète.
Pour créer ce mur, j'ai dessiné un simple rectangle de 1,1 m de large sur 2,1 m de haut dans le plan XY, débordant de l'arche sur plusieurs centimètres de tous les côtés. Ensuite, j'ai extrudé cette pièce plate pour avoir un volume rectangulaire - voir la partie II de la série - que j'ai ensuite coloriée en rouge. La touche finale est de créer une cavité dans ce rectangle pour installer l'arcade. Ceci a été fait en sélectionnant une des faces externes du rectangle et en créant un Sketch sur cette face, avec la même forme que l'arcade d'origine. Une copie de l'esquisse de l'arche peut aussi être réalisée, puis liée à la face du rectangle. Ensuite, utilisez l'outil Cavité dans l'atelier Part Design pour pousser la forme de l'esquisse « vers l'intérieur ». Si une profondeur suffisante lui est donnée, ça se terminera par un trou dans notre rectangle ayant la forme correcte pour y placer notre arcade en volume.
The arch Sweep volume and the red Pocket can then be selected, and united into a single Component representing a complete architectural module. This module can then be copied and pasted several times, to form a series of arches. Each element will need to be displaced and perhaps also rotated into its final place, working with the object’s Data pane in the lower left toolbox. This series of arches can be further replicated, until a complete architectural ensemble is formed.
Le volume de l'arcade balayée et la cavité rouge peuvent ensuite être sélectionnés et réunis dans un seul composant représentant un module architectural complet.
Ce module peut ensuite être copié et collé plusieurs fois pour former une série d'arcades. Chaque élément devra être déplacé vers son emplacement définitif et peut-être aussi tourné, en travaillant avec le panneau Données de l'objet, en bas à gauche. Cette série d'arches peut à nouveau être dupliquée jusqu'à former un ensemble architectural complet.
What next? In this article on using FreeCAD, we worked on an architectural project in two different ways. In the first place, we used the Arch workbench to create a modern architectural project, in which supplementary information is given to the computer, so using FreeCAD to create a Building Integrated Model (BIM). Since this approach is in an early stage of development, and is limited to simple forms, we then used a more traditional approach to create volumes in the same way as in previous projects, but on a larger scale. The sweeping technique allowed us to create an element with the shape of an arch by sweeping one sketch (a profile) around another sketch (the outline of an arch). In the next part of this series, we will extend FreeCAD’s possibilities using a little Python programming, to create a helicoidal surface in the shape of a gear wheel.
Et ensuite ?
Dans cet article sur l'utilisation de FreeCAD, nous avons travaillé sur un projet architectural de deux manières différentes. Dans la première solution, nous avons utilisé l'atelier Arch pour créer un projet d'architecture moderne, dans lequel des informations complémentaires sont données à l'ordinateur, de façon à créer un BIM (Building Integrated Model). Puisque cette approche est au début de son développement et est limitée à des formes simples, nous avons ensuite utilisé une approche plus traditionnelle pour créer des volumes de la même manière que dans les projets précédents, mais à plus grande échelle. La technique du balayage nous a permis de créer un élément en forme d'arcade par le balayage d'une esquisse (un profil) le long d'une autre esquisse (la forme d'une arche).
Dans le prochain article de cette série, nous étendrons les possibilités de FreeCAD en utilisant un peu de programmation en Python pour créer une surface hélicoïdale en forme de roue dentée.