CC BY
8Сравнительная оценка результатов наземного лазерного сканирования с данными традиционного обследования на примере объекта историко-культурного наследия Доходный дом М.М. Барановой в г. Перми
Шамарина Анна Александровна
старший преподаватель кафедры «Архитектура» НИУ МГСУ «Национальный исследовательский московский государственный строительный университет», [email protected]
В статье приведены результаты архитектурного обследования методом наземного лазерного сканирования здания доходного дома купчихи Марии Михайловны Барановой в г. Перми - Объект культурного наследия народов РФ регионального значения. Рег. № 281410027440005 - XIX века. Приведен опыт применения наземного лазерного сканирования в России и мире. Рассмотрена методика проведения исследования, разработанная на кафедре «Архитектуры и урбанистики» ПНИПУ (Пермь) совместно с университетом Павии (Италия) и Флоренции (Италия), приведены результаты историко-библио-графического анализа, описан процесс проведения работ по сканированию объекта, указано программное обеспечение, необходимое для камеральной обработки данных. В работе представлена полученная с помощью лазерного сканера графическая информация, проведено сравнение результатов визуального обследования традиционным методом и методом наземного лазерного сканирования. Показано, что расхождения в размерах здания и его элементов, полученные инструментальным методом и вручную, составляют от 90 мм до 16,79 м в разных конструкциях, имеются существенные отличия в конфигурации здания. Выявлены несоответствия по форме кровли и по находящимся на ней конструктивным элементам, так, например отсутствие аттика и водотвода от парапета, периметр кровли значительно больше чем был указан в переданной документации. Существенные расхождения с результатами обмеров отмечены при определении ширины раскрытия трещин. Отмечены основные трудности и преимущества, возникающие в процессе работы со сканером. Сделаны выводы о целесообразности применения технологии Лидар/LiDar для городской среды с историческим ядром.
Ключевые слова: наземный лазерный сканер, архитектурное обследование, архитектурное наследие.
С развитием современных технологий в сфере архитектурно -строительного проектирования совершенствуются и методы архитектурного обследования. Классические подходы претерпели радикальные изменения в первую очередь с точки зрения инструментария. На смену натурным обмерам и фотофиксации пришли такие технологии, как наземное лазерное сканирование и фотограмметрия, имеющие высокую точность и позволяющие значительно сократить сроки проведения работ [1].
Технология ЛиДар/ LiDAR позволила исследователю получить наиболее полные пространственные данные об объектах. Сканирующие устройства LiDAR в системе машинного зрения формируют трехмерную картину окружающей среды.
В основе лежит получение и обработка данных о различных удаленных объектах при помощи оптической системы .
Преимуществами НЛС являются: высокая детализация и точность данных; скорость съемки до 2 000 000 об/сек; безотражательная технология измерений; высокая степень автоматизации; совместимость полученных данных с форматами программ BIM; изначальная «трехмерность» данных (X,Y,Z); максимальное снижение трудозатрат на полевом этапе работы; съемка в труднодоступных местах [2].
На протяжении последних десятилетий данный метод сбора данных получил широкое распространение на территории России и в мире. Примерами использования при разработке программ реставрации являются такие объекты как Крепости Сан-Лоренцо и Портобелло в Панаме (Fort of San Lorenzo of the Chagres , Fortresses Portobello, Panama) [3], крепости Берниа в Испании (Fort of Bernia, Spain), Картезианского монастыря в историческом центре Флоренции (Certosa di Firenze, Florence), Базилика Сан Микеле в Израиле (San Michele archaeological site of Masada, Israel), исторический центр Монтепульчано (historic center of Montepulciano) [4], церковь Рождества Христова в Вифлееме (Jerusalem Basilica of the Nativity, Bethlehem, Palestine) и другие. На территории России это павильоны ВДНХ г. Москва, дом пароходчика Мешкова г.Пермь, Кирилло-Мефодьевское мужское училище г.Пермь, исторический центр г.Соликамск, Историко-архитектурный комплекс в г. Усолье Пермского края, Санкт-Петербург, Особняк Безобразовой, Гроты Большого Меньшиковского дворца, г. Руза, Церковь Бориса и Глеба и многие другие объекты ОКН.
Архитектурное обследование памятника архитектурного наследия 19 века здания «Доходный дом М.М. Барановой» по ул. Петропавловской, 51 г. Перми проводилось с целью восстановления исторического облика и приспособления под современное использование.
Историко-библиографические исследования.
Дом Барановой расположен в историческом центре города, на пересечении оживленных улиц (рис.1) и вблизи основных административных зданий, что в совокупности с архитектурной выразительностью и удовлетворительным состоянием конструкций, дает возможность полноценно использовать его в качестве офисного здания, гармонично интегрированного в городскую среду (рис.2).
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О M
со
fO CS
о
CS
in
О Ш
m
X
<
m О X X
Рис.1 Ситуационный план расположения Доходного дома М.М. Барановой в г. Перми
Рис.2. Общий вид с перекрестка улиц Петропавловской и Комсомольского пр-та
В плане здание имеет сложную Ш - образную форму, скатную крышу с холодным чердаком; конструктивно состоит из частей, построенных в разные периоды времени.
Согласно официальным данным, был построен на рубеже XIX — XX веков, предположительно, по проекту архитектора Р. Карвовского [5,6,7].
Архитектурное обследование дома М.М. Барановой включало следующие этапы: сбор историко-библиографических данных; натурные обследования методом наземного лазерного сканирования; камеральная обработка полученных данных для подготовки проекта реставрации и реконструкции здания; сопоставление и сравнительный анализ результатов традиционных архитектурных обмеров с данными лазерного сканирования.
Рис. 3 План губернского квартала г. Перми 1914 года [9]
При анализе исторических архивных документов и библиографических данных [8] было выявлено три основных периода «жизненного цикла» объекта. Первый -1899-1920 г.г. Далее - в конце 1920-х годов прошла серьезная реконструкция: достроена основная часть здания по ул. Петропавловская, и расширена дворовая часть с устройством третьего полумансардного этажа. Третий период связан с реконструкцией конца 90-х годов прошлого века.
На плане губернского города Перми 1914 года (рис. 3) показан исследуемый квартал 46 со строениями, выполненными из камня и дерева. Сравнивая фрагмент плана квартала 46, (рис. 3) и ситуационный план 2015 года (рис. 1), можно видеть, что конфигурация зданий претерпела изменения.
Функциональное назначение здания менялось в соответствии с историческими и экономическими условиями [10]. С 1899 по 1920 г.г. здание существовало, как доходный дом [9]. На первом этаже размещались различные помещения конторы, магазины, мастерские, товарищество "Караван", на втором были квартиры сдаваемые в наем. Также в 1909 г. на втором этаже был открыт электротеатр "Модерн ". В основной части здания в период с 1925 по 2007 г.г. размещались разные учреждения: в 1925 году - Чаеуправление, в 1926-1928 гг. - почтамт, в 1933 г. - клуб речников им. Сталина, в 1938-1941 г.г. -Пермский художественный техникум [11]. Позже здесь размещался институт "ВерхнеКамТИСИЗ", затем столовая, а также квартиры. С 1963 по 2006 годы это было здание санэпидемстанции Пермского городского центра Госсанэпиднадзора.
Из документов следует, что в 1999 г. была произведена частичная реконструкция здания в целях расширения лаборатории ФГУЗ "Центр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае". В ходе реконструкции были выполнены работы по надстройке полумансардного этажа, выполнена обкладка кирпичом существующих стен, изменена форма крыши с 2-х скатной на мансардную с оконными проемами, высота стен увеличена на 1,5м [12].
16 июля 2006 году памятник архитектуры Пермского края «Доходный дом М.М. Барановой» был передан по охранному обязательству в пользование Управления Федерального агентства кадастра объектов недвижимости по Пермской области.
Большой ущерб зданию был нанесен в период с 2009 года по 2015 год, когда некоторые части здания не эксплуатировались.
Методика и результаты архитектурного обследования с помощью наземного лазерного сканера.
Натурные исследования выполнялись в соответствии с методикой разработанной на кафедре «Архитектура и урбанистика» ПНИПУ совместно с итальянскими профессорами С. Парринелло университет Павии и С.Берточи университет Флоренции. В ходе предварительного визуального анализа объекта происходила зрительная оценка окружения, примерная разбивка объекта на строительные единицы, определялись размеры и пропорции отдельных элементов. Далее выполнялись зарисовки от руки в ортогональной проекции. Фиксировались все детали и дефекты, которые в дальнейшем анализировались при создании тематических чертежей.
Затем обследование было продолжено методом наземного лазерного сканирования с использованием лазерного сканера Leica Scan Station C-10.
Для получения общей картины была произведена «сшивка» сканов. Для этого в ПО CYCLONE все точки стояния сканера (рис.4) регистрировались с помощью марок (target) и обрабатывались для получения облака точек и ортофотоизоб-ражений.
Обмерный фасад 3с1 сканер
Обмерный фасад традиционные измерения
Рис.4 Расстановка марок во внутреннем дворе объекта исследования.
Далее данные экспортировались в программное обеспечение векторной графики для получения архитектурных обмерных чертежей. В процессе разработки обмерных чертежей были установлены точные размеры элементов, утраченных с течением времени: кирпичного парапета с гипсовыми вазонами, шпиля на угловой башенке, разрезка исторических оконных проемов.
Полученные архитектурные обмерные чертежи были сопоставлены с имеющимися сведениями исторического и технического характера, в результате чего были выявлены и задокументированы изменения кровельного покрытия, системы наружного водостока, замена облицовки цоколя из пиленого известняка на гранитные прямоугольные плиты, снос части здания.
Оценка результатов и выводы.
На завершающем этапе данные лазерного сканирования сопоставлялись с результатами технического обследования. Результаты сравнения подтвердили преимущества применения высокотехнологичного оборудования: точность и детальность результатов при коротких сроках выполнения натурной съемки.
Показательны обнаруженные различия в результатах обмеров. Расхождения в размерах самого здания и его элементов составили от 90 мм при определении высоты шпиля до 16,79 м при определении периметра кровли (рис.5). Конфигурация здания, полученная на основании традиционных обмеров, имела существенные отличия от действительной (рис.6). Однако наиболее существенное с точки зрения последствий расхождение данных обнаружилось при определении ширины раскрытия трещин в наружной кладке стен аварийного крыла. Расхождения с результатами обмеров вручную составили от 6 до 77 мм. Сводные результаты сравнительной оценки показаны в таблице.1.
Обмерный план кровли 3(1 сканер
Обмерный план кровли традиционный метод
:
Рис.6. Конфигурация Дома М.М. Барановой, полученная вручную и с помощью сканера
Таблица 1
Сравнительные результаты архитектурных обмеров дома новой
№ Элементы здания Способы измерений Расхождение
п/п Традиционный Наземное лазерное сканирование результатов
1 2 3 4 5
1 Стены: Раскрытие вертикальных и наклонных трещин
Аварийное крыло 4-7, 5-10 10-25, 45-87 от 6 до 77 мм
2 Длина углового фасада: 12,780 м 13,430 м 650 мм
Высота шпиля 1.230м 1,320м 90 мм
3 Длина главного фасада по улице Петропавловская 43,550 м 44,000 м 450 мм
4 Длина главного фасада по улице Комсомольский проспект 13,580 м 13,940 м 360 мм
4 Кровля: Периметр кровли по наружной грани карнизного свеса 265,500м 282,298м 16,798 м
Уклоны кровли На чертежах не показаны уклоны 90,120,160,190, 260,270,320 Метод НЛС дал высокую
Форма кровли не соответствует действительности степень детализации
Рис.5 Результаты обмеров, полученных методом наземного лазер-ного сканирования и традиционным путем.
С помощью сканирования были также обнаружены дефекты, которые невозможно было установить путем традиционных архитектурных обмеров и визуальных наблюдений: выявлены изменения в расположении несущих металлических балок перекрытия и искривление сводов потолка.
Исследование было проведено в предельно сжатые сроки. Натурные работы выполнялись двумя инженерами ПНИПУ кафедры «Архитектура и урбанистика» совместно с автором в течение трех рабочих дней, для камеральной обработки потребовалось еще четыре дня. Параллельно с лазерной съемкой с помощью встроенной камеры высокого разрешения был выполнен интерактивный 3D гид по объекту (рис.7), что позволило в процессе выполнения работ обмениваться информацией между исполнителем и заказчиком он-лайн.
О
ГО
А П.
fO CS
о
CS
in
О Ш
m
X
<
m О X X
Рис.7 Эй-гид. Панорамное изображение внутреннего двора.
Использование 3d - гида позволило значительно сократить процедуру согласования конструктивных решений с заказчиком и контролирующей организацией. Общие сроки подготовки проекта сократились более чем в 1,5 раза за счет сокращения сроков обследования, объема и качества полученных чертежей.
Обобщая опыт применения метода лазерного сканирования в Перми, необходимо отметить и трудности, которые неизбежно возникают в процессе работы с подобным высокотехнологичным оборудованием. В первую очередь это ограниченный температурный режим работы сканера. Предельно возможная для нормальной работы Leica ScanStation C10 температура - 50С в Перми устанавливается уже в начале ноября, и наружная съемка больше не может проводиться. Это существенно сокращает возможности применения оборудования в данной климатической зоне.
Вторая проблема, с которой необходимо считаться при подготовке к исследованию - съемка точек, расположенных на высоких отметках. Как правило, для получения обмерного плана кровли необходимо для установки сканера обеспечить жесткую горизонтальную площадку на высоте. В нашем случае использовались для съемки крыши рядом стоящих зданий. При съемке зданий большей высоты может быть применен метод совмещение технологий наземного лазерного сканирования и аэрофотограметрии (съемка кровли здания с дрона).
В целом обследование, проведенное методом наземного лазерного сканирования, позволило зафиксировать и подробно описать изменения в объёмно-планировочном и конструктивном решении, произошедшие за годы эксплуатации здания Доходного дома М.М. Барановой. Полученные точные трехмерные данные существующего состояния, могут храниться в цифровом виде как угодно долго и применятся для решения различного рода задач. В процессе эксплуатации наличие цифрового облака точек облегчает процесс мониторинга и диагностики состояния здания [13]. Формат облака поддерживается всеми BIM и ГИС.
Стоит отметить, что лазерная съемка дает возможность получить множество «попутных» данных. При съемке в городской среде в поле зрения сканера попадает и окружающая застройка: смежные объекты, элементы улично-дорожной сети, озеленения. Камера высокого разрешения позволяет передавать облаку точек цветовую палитру, а также дает возможность сферической съемки. Данные сканирования могут применятся многократно с различными целями.
Литература
1. Максимова С.В., Чеклецова И.А., Шамарина А.А. Архитектурно-строительное обследование церкви Успения Пресвятой Богородицы в Чердыни с применением наземного ла-
зерного сканирования // Архитектура и современные информационные технологии. 2019. № 2 (47). С. 332-345. EDN: JLWPMY.
2. Шамарина А.А. Подбор оптимальной модели наземного лазерного сканера для анализа городской среды // Архитектура и современные информационные технологии. 2015. № 2 (31). С. 20. EDN: TWPYSB.
3. Parrinello S. The documentation of Antonellis'fortresses, a research between two worlds. Between East and West. Transposition of cultural systems and military technology of fortified landscapes. 2012. Edifir-Edizioni Firenze, pp: 27-33.
4. Bertocci S., Bua S., Parrinello S., Picchio F. Montepulciano 3D: modelli virtuali per l'urbanistica e lo sviluppo dell'ambiente urbano.// DISEGNARECON [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://disegnarecon.unibo.it/article/view/4152
5. Семенов В. Л. Архитектор Р. И. Карвовский. Жизнь и творчество. — Пермь: Изд. Богатырев П. Г., 2011. 132 с.
6. Спешилова Е. Старая Пермь. Дома. Улицы. Люди. 1723-1917. Пермь, Курсив, 2003. С. 163-164.
7. Государственные списки памятников истории и культуры Пермской области. Пермь, Пушка, 2001. С. 138.
8. Bertocci S., Parrinello S. 3D laser scanner application in documentation of heritage riks: some experiences, historical towns and monuments in Italy, Malta and Russia.. In: -. 15th International conference on laser optics "L0-2012" . St. Petersburg, Russia, 2529/06/2012, p. 78
9. ФФ.38н.Оп.38н.Д.32. "Здание на углу ул. Петропавловской и Кунгурской Пермь. . Начало ХХ". ГАПК. Ф. 35. Оп.1. Д. 104. Л. 319-319 об
10. Памятники истории и культуры Пермской области. Т. 2. Памятники истории, архитектуры и искусства. Пермь, Арабеск, 1993. С. 43.
11. Описание муниципализированного домовладения ул. Кунгурская, 15/51 в 46 квартале г. Перми. 1924-1930 гг. // ГАПК. Ф. р-38. Оп.1. Д. 378. 17 л., 14-16 об., 12,11,4,5,6, 8.
12. ФФ.78п.Оп.78п.Д.65 "Здание Пермского городского центра санитарно-эпидемиологического надзора. Общий вид. Бывший дом купчихи М.М.Барановой" 1984 г
13. Наземное лазерное сканирование : монография / [В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова]. Новосибирск : СГГА, 2009. 261 с. ISBN 978-5-87693-336-2
Comparative assessment of ground laser scanning results with traditional survey data on the example of a historical and cultural heritage object M.M. Baranova apartment house in Perm. Shamarina A.A.
National Research Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU) The article contains results the architectural survey by terrestrial laser scanning buildings apartment house MM Baranova in Perm - the object of the architectural heritage of the XIX century. The technique of research, the results of historical and bibliographical analysis, technical characteristics of the scanner and scanning technique, specified software required for data processing. The article presents received by a laser scanner graphical information, the comparison of the results of the survey method and the traditional method of laser scanning. It is shown that differences in the size of the building and its components, obtained by instrumental and manual range from 90 mm up to 16,79 m, there are significant differences in the configuration of the building. Inconsistencies were found in the shape of the roof and in the structural elements on it, such as the absence of an attic and a water pipe from the parapet, the perimeter the roof is much larger than was indicated in the transmitted documentation. Significant differences with the results of measurements marked in determining the width of the crack opening. It noted the main difficulties and benefits arising in the course of using the scanner. The article draws conclusions about expediency of application of LiDar technology for urban environment with historical core. Keywords: Terrestrial Laser scanner, the architectural research, architectural heritage. References
1. Maksimova S.V., Chekletsova I.A., Shamarina A.A. Architectural and construction survey of the Church of the Dormition of the Blessed Virgin in Cherdyny using ground-based laser scanning // Architecture and modern information technologies. 2019. 2 (47). P. 332-345. EDN: JLWPMY.
2. Shamarina A.A. Selection of the optimal model of the ground laser scanner for urban environment analysis // Architecture and modern information technology. 2015. № 2 (31). С. 20. EDN: TWPYSB.
3. Parrinello S. The documentation of Antonellis'fortresses, a research between two worlds. Between East and West. Transposition of cultural systems and military technology of fortified landscapes. 2012 Edifir-Edizioni Firenze, pp: 27-33.
4. Bertocci S., Bua S., Parrinello S., Picchio F. Montepulciano 3D: modelli virtuali per l'urbanistica e lo sviluppo dell'ambiente urbano.// DISEGNARECON [Электронный ресурс] Режим доступа: http://disegnarecon.unibo.it/article/view/4152
5. Semenov V. L. Architect R. I. Karvovskiy. Life and creativity. - Perm: Izd. Bogatyrev P. G.,2011. 132 с.
6. Speshilova E. Old Perm. At home. Streets. People. 1723-1917. Perm, Kursiv, 2003, pp. 163-164.
7. State lists of historical and cultural monuments of the Perm region. Perm, Pushka, 2001. С. 138.
8. Bertocci S., Parrinello S. 3D laser scanner application in documentation of heritage riks: some experiences, historical towns and monuments in Italy, Malta and Russia.. In: -. 15th International conference on laser optics "L0-20l2" . St. Petersburg, Russia, 25-29/06/2012, p. 78
9. FF.38n.Op.38n.D.32.Building at the corner of St. Petropavlovskaya and Kungurskaya Perm. . Beginning of XX. HAPC. F. 35. Op.1. D. 104. L. 319-319 ab
10. Monuments of history and culture of the Perm region. - T. 2. Monuments of history, architecture and art. - Perm, Arabesk, 1993. - C. 43.
11. Description of the municipal home ownership of Kungurskaya str. 15/51 in the 46th quarter of Perm. 1924-1930. // HAPC. F. p-38. Op.1. D. 378. 17 l., 14-16 o. 12,11,4,5,6, 8.
12. FF. 78p. 78p.D.65 "Building of Perm City Center of Sanitary and Epidemiological Supervision. General view. Former house of merchant M.M.Baranov" 1984
13. Ground Laser Scanning : Monograph / [V.A. Seredovich, A.V. Commissarov, D.V. Commissarov, T.A. Shirokov]. - Novosibirsk : SGA, 2009. - 261 pp. - ISBN 978-5-87693-336-2.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О M
со
