CC BY
43Е. А. Курлаев,
кандидат исторических наук, докторант ИИиА УрО РАН (г. Екатеринбург)
РЕКОНСТРУКЦИЯ ОБЛИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЗАВОДА XVIII в. В ВИДЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ
Несомненно, многие уже не представляют своей работы без использования персонального компьютера. Это величайшее достижение человечества в последние несколько лет активно внедряется во все области жизни. Одна из многочисленных его возможностей — создание объемных графических изображений и их «оживление». В 2000—2002 гг. в рамках проекта РФФИ «Исследование процесса формирования уральской металлургической промышленности в XVII — начале XVIII в. с разработкой гипермедийного приложения» (№ 00-06-80315) совместно с кандидатом технических наук Ю. М. Барановым была создана модель облика Мазуевского металлургического завода в 1722 г.
Одной из мотиваций совместного исследования послужил доклад французского ученого Т. Спета в г. Нижнем Тагиле, продемонстрировавшего первый опыт презентации с помощью компьютерной графики статичных моделей раритетных технологий конца XIX в. Исследователь использовал совершенную в то время модель компьютера IBM-4861.
В 1998 г. начались первые опыты моделирования на IBM-486, а также проводились выбор объекта реконструкции, оценка источниковой базы, легшие в основу исследовательского проекта 2000—2002 гг. и серии последующих публикаций2.
Практика работы с разновременными остатками прошлых эпох создала в нашем мировоззрении образ видения и осязания времени, который подводит к пониманию роли и места реконструкции. В индивидуальном восприятии время представляется как непрерывный процесс изменения, с одной стороны, включающего явление разрушения — утраты связей различного уровня и характера, с другой — их постоянного возникновения и обновления. Изменения имеют одностороннюю направленность. Осознание времени приводит к мысли, что от прошлых эпох доходят лишь обрывки, фрагменты, куски некогда цельной жизни. Чаще всего это «мертвые» предметы — брошенные вещи, недействующие механизмы — чудом сохранившиеся «посланцы» некогда сформировавшей их среды. Основной задачей реконструкции для правильного понимания и интерпретации явлений и вещей становится выявление достоверных связей между фрагментами прошлых эпох.
1 См.: Спет T. Реконструкция раритетных технологий с использованием компьютерной графики и новых технологий / Т. Спет // Сохранение индустриального наследия: мировой опыт и российские проблемы. Екатеринбург, 1994. С. 236—237.
2 См.: Баранов Ю. М. Реконструкция утраченных промышленных объектов и раритетных технологий с использованием компьютерного моделирования / Ю. М. Баранов, Е. А. Курлаев / / Российский научно-технический музей: проблемы и перспективы. Н. Тагил, 2000. С. 46—53; Курлаев Е. А. Исследование генезиса уральской промышленности с созданием компьютерной модели металлургического предприятия начала XVIII в. / Е. А. Курлаев, Ю. М. Баранов / / Там же. С. 53—59; Baranov J. Industrial Archaeology and 3D Modeling / J. Baranov, E. Kurlayev // IX Annual meeting of European Association of Archaeologists. Abstract. St. Petersburg, 2003. P. 178; Idem. The industrial heritage of the Urals in the digital revolution age / / Norberg-Nora. 700 years of Iron Production : International conference papers. Norberg ; Stockholm, 2007. P. 149—152; Курлаев Е. А. Зарождение металлургической промышленности на Урале в XVII — начале XVIII в. [электрон. ресурс] / Е. А. Курлаев, Ю. М. Баранов. Екатеринбург ; Н. Тагил, 2007 и др.
№ 6 2008
Первый крупный провал в информационном обеспечении реконструкции и изучения человеческой истории начинается со смертью представителей старших поколений. Они могли красочно и многогранно, до мельчайших деталей поведать о событиях, их окружавших. Период такой яркой и насыщенной мельчайшими деталями истории равен длине человеческой жизни. Без живых очевидцев остаешься наедине с молчаливыми свидетелями ушедших лет: документами и вещами, которые «расскажут» только то, что прочитает или увидит в них исследователь.
Следующий информационный провал происходит в момент, когда исчезают и документальные источники. В познании прошлого исследователь остается наедине с редкими сохранившимися вещами, которые пока пережили свое неизбежное разрушение в музеях и домашних коллекциях, или с остатками человеческой деятельности в культурном слое. Для исследования всех эпох задача реконструкции остается прежней: собрать из пестрой мозаики осколков прошлого максимально достоверную картину исторических событий.
Из чего и как собирать эту мозаику? Используемые нами источники информации, по классификации Л. Н. Пушкарева, двух типов — письменные и вещественные. Под типами исторических источников в ней подразумеваются наиболее широкие категории источников, которые отличаются друг от друга «самим принципом хранения и кодирования информации, т. е. наиболее общим его свойством, представляющим его источниковедческую ценность»3.
Остановимся на ключевых проблемах и методах исследования и реконструкции промышленных памятников поздних исторических периодов, приведя в качестве примера опыт работы с заводскими остатками ХУП—ХУШ вв. Основные проблемы реконструкции кроются в источниковой базе. Первую проблему в исследовании и реконструкции индустриальных памятников мы видим в разрозненности источников (письменных, вещественных, устных), требующей их длительного поиска и комплексного анализа. Сегодня от промышленных предприятий ХУП—ХУШ вв. сохранились текстовые документы и чертежи, хранящиеся в различных архивах страны, иногда следы и остатки производства на месте заводских площадок, единичные образцы промышленной продукции и инструмента, находящиеся в музеях. Несомненно, реконструкция заводов будет основываться на письменных источниках — описаниях и чертежах. При исследовании относительно узких проблем становится заметной нехватка архивных фондов, поэтому при детальной проработке архитектурных комплексов, технических объектов и технологических процессов потребуются привлечение всей совокупности данных из имеющихся источников, натурные исследования и опыт различных специалистов.
Проблема вторая. Для промышленных построек Урала ХУП—ХУШ в. была характерна исключительно деревянная архитектура, поэтому, насколько известно, до настоящего времени для исследователей не сохранилось в целости ни одного промышленного объекта того времени. К этому привели смена технологии производств, естественное разрушение объектов, другие факторы. В лучшем случае промышленные остатки естественным образом отложились в культурный слой, в худшем были уничтожены более поздними перестройками. Поэтому использовать в качестве основы реконструкции какие-либо оставшиеся постройки, за исключением фундаментов, проблематично. Для исследования остатков разрушившихся объектов необходимы археологические методы работы и поиска в земле (культурном слое). В таком случае археолог становится, по сути дела, ключевой фигурой, без которой далее уже не может полноценно продолжаться работа других специалистов (архитекторов, историков, реставраторов, музейных работников).
Что необходимо для реконструкции внешнего облика заводского устройства? В первую очередь — описания заводских построек: их размеры, материал, из которого они были сделаны, и техника строительства, внутреннее устройство, даже цвет. Для анимации про-
3 Пушкарев Л. Н. Классификация русских письменных источников по отечественной истории / Л. Н. Пушкарев. М., 1975. С. 191.
I
ИНФОРМАЦИОННО-
10 ■ АНАЛИТИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ
изводства потребуются описания технического оснащения и технологии производства. Для демонстрации завода в его развитии — сведения о перестройках на предприятии.
В общем объеме сохранившихся письменных источников ХУП—ХУШ вв. наибольшее количество составляют документы законодательного и финансово-учетного характера, где обнаружить такие сведения маловероятно. Необходимую информацию чаще всего можно найти в материалах текущего делопроизводства. Среди источников, отнесенных к статистической группе, имеется большой комплекс материалов XVIII в., известных под названием «ведений», содержащих подробные сведения об устройстве, имуществе и производительности заводов. В таких документах можно встретить описание размеров и устройства цехов, часто упоминается техника изготовления, перечисляются инструменты, находящиеся у рабочего места. Следует отметить и такие специфические письменные источники, как чертежи, которые дают пространственное отображение реально существовавших исторических явлений и объектов.
В качестве примера приведем фрагмент «ведений» Уктусского завода 1720 г., отстроенного после пожара. «А строения на том заводе... Плавильня медная длиною 11 саж., поперек 8 саж. забрана в заплот, крыта тесом. В ней для плавки меди два горна складены из кирпича с выносною трубою. У тех горнов двои мехи деревянные большие с железными инструменты. У тех мехов вал, на валу колесо, у колеса кожух. И вал и колесо окованы железом. Да в той же плавильне караульная изба. В той же плавильне два горна складены из кирпича с выводною трубою. А не на ходу у тех горнов вал окован железом. Под избу прируб для клажи черной меди. У той плавильны двои вороты створные. .в переплавочном амбаре инструменты: 2 лопатки малых, 2 больших, 4 клещи большие, 2 малые, 3 лома, 2 ковша железных, 1 клеймо.»4.
Общий вид Мазуевского завода в 1722 г.
Вид на плотину
Несмотря на то, что описание построек довольно подробное, отсутствие графического чертежа не дает точного пространственного представления о местонахождении заводских строений относительно друг друга. Только чертеж, который нередко сопровождает текстовое описание завода, позволяет создать его довольно точную архитектурную композицию. Примерно с 1730-х гг. формируется культура графического изображения заводских объектов с использованием масштаба. Появляются чертежи с общими видами заводов в плане, отдельными элементами заводского устройства (печами, цехами), редко в трехмерном изображении. На основе таких данных мы можем составить общий облик завода, но главной проблемой в реконструкции производства остается отсутствие данных о высотных размерах построек и конструктивных деталях.
При реконструкции исторической реальности в дополнение к письменным привлекаются вещественные источники. Археологические методы помогут обнаружить местонахождение заводских остатков, оценить и описать топографию местности, подтвердить или уточнить сведения из архивов, пополнить данные о размерах построек, деталях и технологии производства, образцах материальной культуры, не упомянутых в документах.
Данные о развитии и деятельности предприятия в определенные моменты времени, взятые из различных источников, позволяют создать предварительный собирательный облик завода. На основе таких сведений в практике реконструкции и демонстрации результатов осуществляются:
— создание графических образов предприятий в виде рисунков, чертежей;
— создание моделей, в том числе действующих, с помощью подручных материалов;
— использование подлинных экспонатов в тематических экспозициях музеев;
— превращение отдельных заводских объектов в музеи под открытым небом.
Компьютер позволяет иначе ставить и решать исследовательские, образовательные и
воспитательные задачи. Он дает возможность отойти от традиционных методов воссоздания объекта с помощью художественной графики или строительства макета из подручных материалов. Программное обеспечение современных компьютеров позволяет создавать искусственный трехмерный мир, пространство трехмерной компьютерной графи-
4 ГАСО, ф. 29, оп. 1, д. 1, л. 7.
12
I
ИНФОРМАЦИОННО-
АНАЛИТИЧЕСКИЙ
БЮЛЛЕТЕНЬ
ки (3D-гpафики) — виртуальную реальность. Синтез компьютерного образа реконструируемого объекта включает следующие этапы:
— предварительная подготовка информации об объекте реконструкции;
— разработка геометрических моделей объектов реконструкции и моделирование окружающей среды (создание трехмерной сцены);
— моделирование освещения сцены и настройка съемочных камер;
— разработка, организация и управление материалами, применение их к реконструируемым моделям;
— выполнение анимации объектов реконструкции;
— визуализация сцены и отдельных объектов.
Из перечисленных только последний этап предназначен для получения изображения объекта — чтобы выполнить «фотографирование» или «видеосъемку» сцены, ее нужно сначала создать. Процесс проектирования виртуальной сцены, состоящей из реконструируемых объектов, напоминает разработку макета и строительство декораций в театре с тем только отличием, что макет и декорации создаются в памяти компьютера.
После того, как получено наиболее полное представление о внешнем облике реконструируемого объекта, можно приступать к процессу моделирования. Знание возможностей профессиональных инструментов — программ для объемного моделирования и качественной визуализации является необходимым условием для корректной постановки задачи компьютерной реконструкции утраченных объектов. Для создания модели существует несколько подходов и методов. Основные методы: каркасное, сплайновое и объемное моделирование.
Объекты, создаваемые при каркасном моделировании, состоят из трехмерных граней (треугольников). Посредством соединения множества трехмерных граней создаются каркасные поверхности, формирующие объемный вид объекта. Каркасное моделирование хорошо подходит для создания относительно простых частей реконструируемых объектов, например стен, дверей, скатов крыш.
При сплайновом моделировании трехмерный объект получается за счет перемещения в пространстве сплайна, называемого формой, вдоль другого сплайна, называемого путем. Сплайновое моделирование позволяет создавать как простые объекты («вытягивание» стен из планов построек), так и довольно сложные пространственные объекты (например, кулак боевого вала кричного молота или металлические детали привода доменных мехов). Однако в конечном счете здесь получается та же каркасная модель.
Метод объемного моделирования также основывается на каркасном моделировании. При этом можно, например, вычитать объем одного объекта из объема другого или объединять объемы двух или
более объектов. Объемное моделирование может быть использовано для реконструкции таких объектов, как окна и ворота в проемах стен, ниши для размещения мехов в корпусе доменной печи, дымохода в отводной трубе кричного горна.
Правильно выбранное освещение
Вид на медеплавильный цех
№ 6 ■ 13 2008 Щ 13
обеспечивает визуальное правдоподобие созданной сцены. В распоряжении разработчика имеется несколько типов источников света. Они представляют собой физические объекты, которые можно размещать в любых точках 3D-пространства и которые позволяют моделировать освещение сцены в различных условиях, в разное время суток, при любой погоде и времени года. Все источники света могут отбрасывать тени, что повышает достоверность изображения.
Объектив камеры является окном в созданный мир виртуальной реальности. Камеры позволяют показать во всех подробностях смоделированные объекты исторической реконструкции. Как и источники света, камеры являются физическими объектами и могут быть установлены в любом месте сцены. Вместе с тем они могут перемещаться по сцене по заданной траектории, приближаться и удаляться от объекта съемки, изменять фокусное расстояние объектива. При выборе расположения камер в сцене необходимо учитывать композицию кадра, т. е. наполнение его объектами, составляющими сцену.
После разработки геометрической модели и установки освещения и камер каждому объекту сцены с целью придания визуального правдоподобия назначается материал. Этот процесс напоминает раскрашивание поверхностей объекта красками разного цвета или оклейку их заранее подобранными обоями. Под материалом в 3D-графике понимается определенный набор характеристик, присваиваемых поверхности геометрической модели. Любой материал в сцене кроме определенного цвета может обладать такими свойствами, как сила блеска, прозрачность, рельефность и т. п. Кроме того, имеется возможность создания материалов на основе фотографий реальных объектов окружающего мира, таких, как кирпичная кладка, бревенчатая стена, листва деревьев и т. п. Применяемые материалы оказывают непосредственное влияние на способы моделирования объектов.
Одним из главных аргументов в пользу 3D-графики при реконструкции исторических объектов выступает возможность создания компьютерной мультипликации. Задача анимации реконструируемой сцены состоит в формировании последовательности кадров, представляющих отдельные промежуточные стадии движения «оживляемого» объекта. При анимации требуется установить начальное и конечное положение объекта в пространстве сцены (или установить начальную и конечную фазу движения рабочего органа, например молотовища кричного молота) и указать, каким номерам кадров будущей анимации эти положения должны соответствовать.
Заключительный этап исторической реконструкции — формирование изображения разработанной сцены, или визуализация. Непосредственно процесс визуализации может занимать довольно продолжительное время, зависящее от сложности сцены, оперативной памяти и быстродействия компьютера.
Совместная работа специалистов историков и музейщиков со специалистами по компьютерной графике позволяет решать сложные задачи исторической реконструкции. Создание трехмерной модели на компьютере, как правило, помогает выявить определенные проблемы реконструкции и найти пути их решения. Например, при моделировании каркаса молотовой фабрики Нижнетагильского завода были обнаружены определенные проблемы:
■ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ
не согласующиеся проекции, непригодные скаты крыш, нестыковка отдельных деталей.
Первой достаточно проработанной реконструкцией разрушенного завода XVIII в. стала выполненная в рамках проекта РФФИ модель Мазуевского завода, действовавшего в Кунгурском уезде в первой половине XVIII в. По нашей оценке, это первые компьютерная реконструкция и анимация исторического памятника в отечественной практике. Основываясь на имеющемся багаже знаний о заводах той эпохи, документальной базе и состоянии остатков на заводской площадке, из нескольких десятков металлургических предприятий мы выбрали заброшенный Мазуевский завод.
Краткая справка об объекте реконструкции. В 1704 г. в Кунгурском уезде по указу Петра I и распоряжению Приказа рудокопных дел начал строительство завода известный впоследствии предприниматель Ф. И. Молодой. Несколько позже к нему присоединился компаньон Н. И. Огнев. Для завода была куплена мельничная плотина на р. Мазуевке.
На заводе нами отмечено несколько этапов строительства и перестроек. К 1707 г. у мельничной плотины на частные средства торговых людей были построены кузница и 10 сыродутных печей. К 1712 г. плотина была усилена, достигнув длины 80 м. Для проковки кричного железа при нем был построен молотовой амбар с двумя вододействующими колесами, деревянными мехами и молотом, четырьмя молотами, а также угольный, известковый, рудный и меховой сараи. В 1711—1712 гг. по указу и на казенные деньги при вешняке плотины Ф. И. Молодой построил медеплавильный завод, который состоял из рубленного шатрового амбара с 4 горнами для плавки руды, горнов для обжига руды и очистки меди, вододействующей толчеи на 16 пестов, 6 колод для промывки руды и 2 светлиц для мастера. Здесь было выплавлено всего несколько пудов меди.
В 1713 г. у заводской плотины была сложена домна, но попытка выплавить чугун окончилась неудачно. До 1725 г. на молотовой фабрике была предпринята попытка изготовлять по государственному заказу полосовое железо. С 1725 по 1736 г. производство не работало, и часть оборудования была перевезена на строившийся Ягошихинский завод. С 1736 по 1744 г. дочь Ф. И. Молодого использовала молотовой амбар для проковки небольшого количества кричного железа. В 1742 г. рядом с молотовым амбаром была построена хлебная мельница. В 1744 г. на заводе прекратилась и обработка железа. К тому времени почти все постройки за исключением молотового амбара и мельницы сильно обветшали и в значительной степени разрушились.
Следует отметить, что на этом предприятии действовали все основные типы металлургического производства того времени: сыродутные печи, домна, молотовая фабрика, медеплавильные печи. Следует добавить, что конструкции сооружений представлены наиболее ранними и малоизвестными образцами так называемого догеннинговского периода.
Описания Мазуевского завода по сравнению с другими заводами того времени отличаются относительной полнотой и регулярностью. Появление значительного числа документов — следствие энергичной предпринимательской деятельности Ф. И. Молодого и его конфликтов с законом. Интересующие нас данные о заводских строениях и механизмах
№ 6| 15 2008 Щ "
обнаружены в нескольких архивах в описях облагаемого налогами, конфискованного или передаваемого по различным причинам имущества за 1707, 1712, 1715, 1721 и 1744 гг. Выявлены 2 чертежа 1722 г. и чертеж 1744 г. на котором изображены действующие и разрушающиеся объекты. Однако собранная информация не позволяет получить равноценное представление об устройстве и эволюции заводского хозяйства за всю его деятельность. Поэтому для реконструкции облика предприятия был взят наиболее информационно насыщенный отрезок времени — 1721—1722 гг. На тот период времени сохранились подробный план с масштабом и описание имущества завода. В документах приведены размеры плотины и заводских построек, указаны расстояния друг от друга. Имеются некоторые сведения о технике строительства (сделаны в заплот, срубом, крыты дранью), приводится внутреннее устройство цехов (количество печей, вододействующих молотов и мехов), перечисляется инструмент на каждом рабочем месте. Такие сведения могут показаться излишними для традиционных исторических исследований, но для технологической и технической реконструкции завода они являются крайне важными и необходимыми.
Полученные сведения вызвали еще больший интерес после того, как нам удалось найти остатки завода, разрушившегося естественным образом (в отличие от большинства известных металлургических предприятий того времени). Эта уникальная находка позволила получить представление об окружающей местности и использовать в реконструкции археологические методы.
Чертеж и описание планировки завода с данными о размерах заводских строений и расположении их относительно друг друга, топографическая съемка заводской площадки и окружающей местности являются основой для создания архитектурной композиции завода. Одновременное трехмерное моделирование завода и его отдельных объектов требует разработки электронного чертежа планировки предприятия. Главная сложность при реконструкции объектов Мазуевского завода — это отсутствие данных об их пространственных формах, высотных размерах и конструктивных деталях. На имеющихся чертежах нет трехмерных изображений заводских строений. Вместе с тем с большой долей вероятности можно предположить, что завод строился в рамках технических традиций, сложившихся в отечественной металлургии XVII — начала XVIII в., потому для воссоздания внешнего облика цехов привлекались данные о других уральских заводах.
Следует отметить, что хотя чертежи Мазуевского завода выполнены достаточно подробно и на первый взгляд отражают производственные процессы, при детальном изучении они не дали полную картину, необходимую для технической реконструкции. При внимательном рассмотрении чертежей возникло немало вопросов, касавшихся расположения некоторых единиц технологического оборудования относительно энергетических устройств, способов подачи воды к водяным колесам, организации производства на конкретном рабочем месте и т. д.
В итоге модель Мазуевского металлургического завода включила графическую реконструкцию заводской площадки и окружающего ландшафта (трехмерные модели заводско-
I ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ
Выпуск чугуна из домны
го пруда, р. Мазуевки, плотины с двумя рабочими прорезами и водоводными ларями, доменного, молотового и медеплавильного цехов), а также вспомогательных помещений (кузницы, меховой, «припасного» сарая, известкового амбара, усадьбы заводчика). Помимо создания внешнего облика завода было проведено моделирование внутреннего интерьера цехов и технологического оборудования (кричных молотов и горнов, водяных колес, воздуходувных мехов, доменной печи, литейного двора), осуществлена анимация ряда производственных процессов (ковки железа под молотом, выпуска и разливки чугуна из доменной печи, работы мехов и водяных колес). Для демонстрации и художественного оформления модели был создан видеофильм «Ма-зуевский завод в 1722 г.», иллюстрирующий историю завода и современное состояние заводской площадки.
Реконструкция утраченных исторических объектов — сложнейшая задача, которую приходится решать, исходя из неполных и неподтвержденных данных. Но это все же несоизмеримо менее трудоемкая задача, чем изготовление полноразмерных макетов таких объектов. Компьютер и информационные технологии позволили объединить в исторической реконструкции различные типы и виды источников (чертежи, текстовые описания, производственные остатки), характеризующие планировку, архитектуру, техническое оснащение Мазуевского завода.
Компьютерные методы моделирования помогают ученым визуализировать объекты исследований и дают возможность любознательной публике погружаться в виртуальную среду прошлых исторических эпох. На основе реконструкции и создания действующей модели металлургического предприятия возможны постоянная консультация и сотрудничество с заинтересованными специалистами различных смежных дисциплин, проведение конструкционных изменений и дополнений. Одно дело исследовать и анализировать старинный чертеж молотовой фабрики (задача для специалистов), и совсем другое дело — видеть на дисплее трехмерный цветной образ «молотовой» в окружении реальной заводской застройки XVIII в. при естественном освещении с учетом теней, отбрасываемых объектами сцены. Вместо того чтобы пассивно разглядывать музейные реликвии или рисунки, сделанные по результатам традиционной реконструкции, посетители получают возможность «побродить» по средневековому заводу и почувствовать себя современником Ф. И. Молодого.
В экспозициях классического музея экспонаты вынуты из контекста своего времени, среды, процесса становления — они музеефицированы, что нарушает целостность восприятия мира, частью которого они являлись. Это противоречие можно разрешить с помощью создания симбиоза традиционного и «виртуального» музеев, когда на основе подлинных музейных экспонатов и компьютерной «виртуальной реальности» будет создана принципиально новая музейная экспозиция.
№ 6 ■ 17 2008 Щ 1
