Оглавление:
- Лазерное сканирование сооружений
- Цифровая фотограмметрия
- BIM в реконструкции и реставрации исторических зданий
- Использование лазерного сканирования и BIM-моделирования на примере реконструкции Свято-Троицкой Сергиевой лавры
До сих пор фотографии и плоские чертежи, иногда даже рисунок карандашом на ватмане — остаются главными инструментами реставраторов старой школы. К сожалению, не все опытные специалисты готовы использовать BIM в реставрации. Ситуация меняется очень медленно, но сдвиги уже есть. И особо они заметны в реконструкции исторических зданий. Сооружение может требовать реконструкции и реставрации. Реконструкция может включать в себя значительное обновление инженерных сетей, или укрепление стен и фундамента, или даже надстройку этажа. Реставрация — восстановление исторического облика внешних элементов. Например, фасада и лепнины. И в том, и в другом случае на помощь реконструкторам и реставраторам могут прийти лазерное сканирование сооружений, цифровая фотограмметрия и BIM.
Лазерное сканирование сооружений
Инструмент, с помощью которого проводят лазерное сканирование, — лазерный сканер. Основной его частью является лазерный луч, который сначала отражается от быстро вращающегося в двух плоскостях зеркала, а затем от всех поверхностей, на которые попадает. Отразившийся луч считывается прибором. Значения расстояния и направление на точку, от которой отразился луч, записываются в базу прибора. В ней оказывается множество значений: координат точек, которые все вместе образуют «облако точек» — десятки миллионов для каждой стоянки прибора. Так при помощи лазера и современного программного обеспечения геометрия любого объекта точно просчитывается, а с помощью облака точек можно создавать объёмные модели.
Облако точек — огромный массив данных. Например, результаты лазерного сканирования Московского императорского воспитательного дома весят почти 4 терабайта. Это примерно как миллион качественных фотографий или 2 000 часов HD-видео. К сожалению, хранить такие объёмы данных компаниям, занимающимся лазерным сканированием, сложно и дорого. Поэтому облака точек многих объектов исторического наследия могут исчезнуть.
Лазерное сканирование заменяет собой большинство инструментов выполнения обмерных работ, но стоит дороже традиционных методов. Поэтому к нему чаще всего обращаются, когда точность нужна до сантиметра, объект геометрически сложный, а ошибки недопустимы. С лазерным сканированием не будет ситуаций, в которых неточности измерений выявляются при производстве работ. Ошибки могут быть, но они будут минимальными и возникать из-за погрешности работы приборов: обычно это миллиметры для отдельных элементов и не больше пяти сантиметров при измерении больших помещений или зданий в целом.

Цифровая фотограмметрия
Фотограмметрия — метод измерения объектов при помощи фотосъёмки. Она использовалась и раньше, но в основном была нужна для создания ортофотопланов — точной проекции на плоскость каких-то элементов. Например, территории, фасадов или элементов декора.
Сейчас фотограмметрию используют и для построения трёхмерных моделей. Объект фотографируют много раз с разных ракурсов, а потом при помощи математических формул через специальное ПО проводят анализ и получают облако точек.
Цифровую фотограмметрию используют отдельно от лазерного сканирования или вместе с ним. Например, для измерения стен, лестниц и фасада — лазер, а для крыши и лепнины под ней — фотографии с квадрокоптера. Оборудование для лазерного сканирования можно поставить не везде или это бывает очень сложно: оно громоздкое и тяжёлое, должно стоять на ровной поверхности.
Фотограмметрию чаще всего применяют для тщательных измерений элементов декора здания. Точное измерение мелких деталей возможно и при помощи лазерного сканирования, но для этого нужна дорогостоящая аппаратура: ручной сканер, который не всегда просто найти. Сделать фотографии — быстрее, проще и дешевле, хотя данные получатся менее точными.

BIM в реконструкции и реставрации исторических зданий
Иногда облако точек называют трёхмерной моделью, но это неправильно. Облако точек — своеобразный геометрический слепок. Когда он попадает к BIM-проектировщику, у него есть три основных варианта его использования:
- Сделать плоские чертежи, чтобы дальше работать с ними как с традиционными результатами обмеров. Такие чертежи будут более точными, чем при применении других методов обмера.
- Сразу сделать модель в 3D, но из-за специфики работы с облаками точек сделать это сложнее. Таких BIM-проектировщиков в России пока не так много. Очевидный плюс: из модели, построенной из облака точек, при необходимости можно быстро получить любой правильный чертëж здания.
- Верифицировать уже имеющуюся модель: проверить еë точность путём наложения данных, полученных при лазерном сканировании. Такая сверка до начала работ на стройплощадке позволяет избежать ошибок.


BIM тяжело приживается в реставрации и больше используется при реконструкции зданий. Дело в том, что в реставрации очень много мелких деталей и сложных геометрических форм, с которыми не умеет работать ПО для BIM. К тому же, если выполнять модель в такой высокой детализации, она становится слишком тяжёлой и с ней неудобно работать. Плюс от BIM для реставраторов — уточнение объёмов работ, но это не такое большое преимущество, ради которого они готовы использовать дополнительное ПО.
С другой стороны, для специалистов по реконструкции зданий в части инженерных сетей BIM-моделирование — инструмент, который имеет столько же плюсов, как и при проектировании нового здания. Инженерные сети не требуют такой детализации, как декоративные элементы. Одна из главных сложностей в проектах реконструкции — учесть все нюансы и спроектировать инженерные сети так, чтобы максимально сохранить исторический вид зданий.
Документацию по реставрации и по инженерным сетям зачастую производят разные компании. Чем раньше они начнут сотрудничать и объединять свои разделы в единое целое, информационную модель, тем быстрее и лучше будет проходить процесс. Если по факту что-то сделать невозможно, многое будет нужно переделать: это долго и невыгодно. Здесь на помощь и приходит BIM, но не со стороны 3D-моделирования, а как среда с общими и всегда актуальными данными, которая позволяет синхронизировать работу архитекторов-реставраторов и инженеров.
Использование лазерного сканирования и BIM-моделирования на примере реконструкции Свято-Троицкой Сергиевой лавры
Проектно-строительная компания ROSECO участвовала в проектировании реконструкции инженерных сетей Свято-Троицкой Сергиевой лавры в Сергиевом Посаде. Это объект культурного наследия федерального значения под охраной ЮНЕСКО.
Перед ROSECO стояла задача спроектировать наружные инженерные сети, тепловые пункты и водомерные узлы. Для этого нужно было провести лазерное сканирование, получить облако точек и сделать BIM-модель.
Лазерное сканирование позволяет сразу и точно определять местоположение будущих объектов. Модель проектируемых коммуникаций можно подгрузить прямо в облако точек, тогда можно избежать ошибок и коллизий: будет хорошо и предельно точно видно, как нужные узлы помещаются в пространстве. В Лавре ROSECO отсканировали более ста помещений в разных зданиях, чтобы понять, куда можно поставить инженерное оборудование, и как его скоординировать с наружными коммуникациями.

Кроме лазерного сканирования специалисты компании ROSECO применяли также фотопанораму на 360°. Это позволяло проводить дополнительные измерения там, где облака точек оказывалось недостаточно.

Если наружные сети проектируют в BIM-модели, то параллельно по данным инженеров-изыскателей и проектной документации стараются смоделировать уже существующие коммуникации: целиком или частями. Это помогает избежать пересечений и не нарушить сети при производстве работ.

В таких проектах обычно участвует очень много людей. Кроме инженеров, конструкторов и архитекторов-реставраторов, например, могут подключиться археологи. Так было и при монтаже инженерных сетей в Свято-Троицкой лавре. Например, одну из тепловых камер нужно было установить в том месте, где её раньше не было. Поэтому сначала провели раскопки археологи. Они нашли старинное захоронение: небольшой склеп. Тепловой камере пришлось искать новое местоположение.
***
Лазерное сканирование в сочетании с BIM — прорыв как для реконструкции, так и для реставрации зданий. На данный момент нет технологий, которые давали бы больше точности измерений и скорости проверки правильности модели. Тем не менее, многие реставраторы до сих пор скептически относятся к BIM и выражают сомнение в обоснованности его использования. Не всегда очевидна и экономическая выгода для реставрации: лазерное сканирование и проектирование стоят дороже традиционных методов, а сэкономить на этапе производства работ получается не всегда.