16.06.2022

Как BIM и лазерное сканирование спасают при реконструкции и реставрации исторических зданий

Как BIM и лазерное сканирование спасают при реконструкции и реставрации исторических зданий

Оглавление:

  1. Лазерное сканирование сооружений
  2. Цифровая фотограмметрия
  3. BIM в реконструкции и реставрации исторических зданий
  4. 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.

Лазерное сканирование можно проводить в цвете или в чёрно-белом варианте — зависит от задач. На изображении — облако точек лестницы Московского воспитательного дома
Лазерное сканирование можно проводить в цвете или в чёрно-белом варианте — зависит от задач. На изображении — облако точек лестницы Московского воспитательного дома

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.

На изображении наглядно видно, из какого числа фотографий и с каких ракурсов было собрано облако точек монумента в форме ладьи
На изображении наглядно видно, из какого числа фотографий и с каких ракурсов было собрано облако точек монумента в форме ладьи

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:

  1. Сделать плоские чертежи, чтобы дальше работать с ними как с традиционными результатами обмеров. Такие чертежи будут более точными, чем при применении других методов обмера.
  2. 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.
  3. Верифицировать уже имеющуюся модель: проверить еë точность путём наложения данных, полученных при лазерном сканировании. Такая сверка до начала работ на стройплощадке позволяет избежать ошибок.
Облако точек похоже на объёмную модель, но ею не является. Это просто набор данных, который можно визуализировать
Облако точек похоже на объёмную модель, но ею не является. Это просто набор данных, который можно визуализировать
Если построить BIM-модель сразу из облака точек, потом её можно использовать для создания любых чертежей здания. BIM-модель общественного здания в Санкт-Петербурге, которую построили по облаку точек с предыдущего изображения
Если построить BIM-модель сразу из облака точек, потом её можно использовать для создания любых чертежей здания. BIM-модель общественного здания в Санкт-Петербурге, которую построили по облаку точек с предыдущего изображения

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.

Модели объектов в облаке точек помещения можно располагать с высокой точностью
Модели объектов в облаке точек помещения можно располагать с высокой точностью

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

При реконструкции облако точек помогает проектировать расположение объектов не только внутри здания, но и снаружи
При реконструкции облако точек помогает проектировать расположение объектов не только внутри здания, но и снаружи

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.

Кроме моделирования в 3D и BIM планы существуют и на плоскости
Кроме моделирования в 3D и BIM планы существуют и на плоскости

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.

Сложно сказать, был ли это проект реставрации или реконструкции. Наружные инженерные сети нельзя реставрировать, их можно только вынуть и положить новые. Но при этом они проходят внутрь через стены, а инженерное оборудование ставилось в помещениях, которые являются объектом культурного наследия. В какой-то мере можно это называть и проектом реставрации. В нём участвовало много специалистов. Мы участвовали как проектировщики, а с определённого момента, когда начались строительные работы, были организацией, которая выполняет авторский надзор в части инженерных решений. С другой стороны были ещё инженеры-конструкторы с большим опытом работы именно с историческими зданиями. Они помогали проектировать узлы прохода через стены. Подключались и археологи из РАН.

Александр Лапыгин, генеральный директор ROSECO
Александр Лапыгин, генеральный директор ROSECO

***

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.