Опыт разработки информационных моделей (bim) памятников промышленной архитектуры Санкт-Петербурга

АВТОРЫ:
Е.С. Соонвальд¹, А.Е. Войнаровский^1,2, С.В. Тюрин², С.Г. Тихонов¹, О.В. Артемьева<sup>2

1</sup> ООО «Научно-производственное предприятие «Фотограмметрия», Санкт-Петербург - info@photogrammetria.ru
² Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра картографии и геоинформатики.

АННОТАЦИЯ

Создание информационных моделей пространственных объектов в настоящее время затрагивает самые широкие области практического использования. В основе лежит информационная структура, опирающаяся на точки, линии и полигоны (ГИС) или параметрически заданные объекты (BIM), к которым привязаны свойства (атрибуты) объектов. Информационные модели зданий и сооружений (BIM) сейчас становятся чрезвычайно популярны. Они охватывают множество факторов, включая физические и функциональные свойства объектов, экономические аспекты, визуальные параметры.

Использование BIM-моделей в настоящее время вводится в обязательную документацию сопровождения зданий от проектирования и строительства до сноса. В данной связи наименее разработанными являются аспекты использования концепции BIM при реконструкции, реставрации и консервации зданий, являющихся объектами исторического и культурного наследия. Поэтому исследования и разработки по направлению HBIM (Historic building information modelling) являются особенно актуальными.

В Санкт-Петербурге находится огромное количество памятников архитектуры. Среди них особый класс представляют памятники промышленной архитектуры. По технологии информационного моделирования нами было выполнено создание 3D-моделей нескольких зданий-памятников промышленной архитектуры Санкт-Петербурга для задач проектирования их реконструкции и приспособления под современные нужды. В качестве исходных данных использовались результаты лазерного сканирования и фотограмметрической съемки. В статье рассмотрены основные подходы, которые были использованы в процессе создания BIM-моделей и особенности моделирования зданий-памятников промышленной архитектуры.


1. ВВЕДЕНИЕ
Современные подходы к вопросам управления территориально распространенными объектами предполагают создание и использование их информационных моделей. Модель государства, региона, города, отдельного здания: все они базируются на современных компьютерных технологиях. К заложенным в модель объектам (предметам или явлениям) через базы данных привязаны определенные свойства (атрибуты). Именно через соединение баз данных с координатами объектов и их свойствами специалисты имеют возможность оценивать состояние объектов и принимать эффективные решения по управлению ими.

Сегодня данные подходы активно внедряются и в строительной отрасли. Информационная модель здания (BIM) – это помощник с точки зрения управления жизненным циклом объекта: от момента начала проектирования и строительства до времени его сноса. Цифровое здание, заложенное в информационную модель, существует как единое целое: изменение одного параметра его части влечет за собой изменение всей конструкции. Такая связь возможна именно через параметрические взаимоотношения частей объекта и свойств этих объектов, зафиксированных в базах данных. Это позволяет проектировать, строить и отслеживать жизнь здания в информационно-цифровом режиме с качеством анализа на много порядков выше, чем без использования BIM.

BIM как идея информационной модели зданий существует с 70-х гг. XX века (Eastman et al., 1974), (Ruffle, 1986). А в современном смысле термин был описан в середине 80-х гг. (Nederveen et al., 1992). Во многих странах использование концепции BIM стало обычным явлением при проектировании, строительстве и поддержании эксплуатации здания в течение всей жизни. В Российской Федерации с 2016 г. разработаны мероприятия по внедрению технологий информационного моделирования в сфере строительства. (The list of instructions following a meeting of the State Council May 17, 2016)

Основные базисные принципы создания BIM:

1. Использование 3D-измерения пространства и конструирование 3D-моделей.

2. Хранение всей атрибутивной и проектной документации в базе данных, соединенной с отдельными элементами зданий.

3. Взаимосвязь всех параметров объекта (интеллектуальная параметризация).

4. Автоматизация на максимальном уровне (генерация всех схем и чертежей по запросу пользователя с учетом существующих параметров модели).

5. Интеллектуально-финансовые расчеты строительства и сопровождения объекта (сокращение затрат).


Из характерных особенностей BIM как параметрической модели также можно отметить следующие:

1. Он-лайн режим изменения показателей: при изменении одного параметра, изменения затронут всю модель.

2. Возможность получения информации из любой части проекта, включая геометрию, размеры, технические характеристики и прочие сведения.

3. Масштабирование в процессе работы: можно вносить изменения в отдельные элементы. После возвращения деталей на место, внесенные изменения автоматически затронут и смежные области.

4. Информационная модель позволяет детально рассмотреть все части объекта: можно извлечь чертеж оконного проёма, балки перекрытия, водосточной трубы и т.п. Они могут быть выполнены как в 3D, так и 2D-формате. (BIM. 2019)

Благодаря данным принципам, заложенным в концепцию BIM и соответствующему программному обеспечению, реализующему данную концепцию, информационное моделирование сегодня находит широкое применение при проектировании и строительстве новых зданий. Применение информационных технологий дает серьезный технологический и экономический эффект на каждом этапе работ. А само создание и развитие BIM-модели становится важной частью процесса и не требует каких-то серьезных дополнительных затрат. Действительно, ведь новое здание возводится с нуля, и то что закладывается в его проект (геометрические размеры, материалы, функциональные особенности и т.д.) сразу же становится элементом и его информационной модели как части этого проекта, и затем может уточняться на этапе строительства.

Существенные отличия имеет весь комплекс задач по созданию и использованию информационных моделей применительно к историческим зданиям и памятникам архитектуры. Эти отличия настолько существенны, что в литературе для обозначения информационных моделей данного типа объектов стал применяться отдельный термин – HBIM (Historic Building Information Models). Перечислим важнейшие отличия:

1. Информационная модель создается не на строящееся с нуля, а на существующее здание.
2. Для обеспечения точных геометрических характеристик будущей модели необходимо выполнить подробную 3D-съемку здания. Как правило, сегодня для данных задач используют методы трехмерного лазерного сканирования и фотограмметрии.
3. Необходимо собрать и проанализировать всю имеющуюся историческую литературу на данное здание, архитектурную и строительную документацию, которую удастся найти.
4. Необходимо провести натурные архитектурно-археологические, химические, инженерные и другие виды исследований для уточнения сведений, которые удалось получить из литературы, и для получения недостающей информации о здании.
5. При создании информационной модели исторического здания часто приходится решать ряд дополнительных технических и организационных вопросов, связанных с «нестандартностью» объекта (кривые стены, сложные формы, наличие архитектурных деталей, нестандартные материалы и др.).

Также существенное значение имеет тот факт, что теория и методология создания и использования BIM-моделей исторических зданий имеет существенно более молодую историю по сравнению с применением информационных технологий для нового строительства. Первым работам, где подняты проблемы HBIM, всего около десяти лет: Murphy et al. (2009, 2012), Fai et al., (2011); Saygi et al. (2013), Brumana et al. (2013); Logothetis et al. (2015), Oreni et al. (2014) etc. И сегодня концепция HBIM в отличие от уже почти классической BIM находится на стадии развития. Применение информационного моделирования на этапе проектирования реставрации памятников архитектуры или реконструкции и приспособления старых зданий для нового использования способно поднять данные работы на новый более современный уровень и дать не только технический и экономический эффект, но и внести существенный вклад в общую задачу сохранения культурного наследия.
Действительно, ведь первые четыре из пяти перечисленных выше пунктов, характеризующих особенности создания HBIM, определяются самой спецификой работ по реставрации старых зданий и выполняются в любом случае вне зависимости от того, какая технология проектных работ применяется: на основе информационных моделей или классическая. Так что применение BIM-технологий для задач реставрации старых зданий по сути является новым способом организации данных работ, не изменяя их смысла. Безусловно, для эффективного применения систем информационного моделирования в реставрационной отрасли требуется их серьезная адаптация, учитывающая как особенности геометрии и конструкции старых исторических зданий, так и особенности процессов по организации реставрационных работ.

Нашей группой были проведены работы по созданию информационных моделей нескольких памятников архитектуры города Санкт-Петербурга (Российская федерация). Как известно, Санкт-Петербург, несмотря на сравнительно молодой возраст, обладает огромным количеством архитектурных шедевров, которые, в основном, были построены в период, когда город был столицей Российской империи (начало XVIII – начало XX веков). В отличие от большинства европейских городов Санкт-Петербург основывался и развивался как столичный город, на основе единого градостроительного плана. В структуре городской застройки четко выделяется исторический центр, пояс исторической промышленной застройки, который кольцом охватывает исторический центр города, и новые спальные районы, расположенные в периферийной части города. Все наши объекты, для которых мы создавали информационные модели относятся к промышленному, так называемому, «серому» поясу города (Рис. 1.)


Рис. 1. «Серый пояс Петербурга» - исторические районы промышленной застройки

Как можно видеть на Рис. 1 по площади области с промышленной застройкой Санкт-Петербурга существенно превышают территорию исторического центра города, который является объектом культурного наследия ЮНЕСКО. При этом кварталы «серого пояса» включают много памятников промышленного зодчества Санкт-Петербурга и отражают все периоды отечественной индустриальной истории — доиндустриальный (XVIII век), начальной индустриализации (первая половина XIX века), поздний (вторая половина XIX — начало XX века) и советский (1917—1930-е годы ХХ века), каждый из которых имеет свои специфические черты. (Stieglitz, 2002). Сегодня многие производства, расположенные на данной территории, либо закрываются, либо переводятся за пределы города, и «серый пояс» Санкт-Петербурга представляет все больший интерес для инвесторов как территория для реновации. Промышленные здания реконструируются и приспосабливаются под новые задачи. При этом важно сохранять их внешний облик как с точки зрения культурно-исторической, так и с экономической, – ведь ценность данных зданий состоит в том числе и в том, что они являются частью целого исторического комплекса, занимающего значительную часть исторической территории города. Кроме того, как уже говорилось, многие из зданий, расположенные в «сером поясе», являются объектами культурного наследия как памятники промышленной архитектуры и охраняются государством. И, безусловно, на них распространяются все правила по ремонтно-реставрационным работам. С другой стороны, благодаря относительной простоте конструкции и лаконизму оформления, здания промышленной архитектуры являются достаточно удобными объектами для применения и отработки новых технологий информационного моделирования как на этапе проектных работ, так и на этапе реконструкции и строительства.

Далее в статье рассматривается пример разработки построения информационной модели объекта культурного наследия «Слесарно-сборная мастерская» «Петербургского товарищества вагоностроительного завода синдиката вагоностроительных заводов «Продвагон», расположенного по адресу: Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 115, литера В (Рис. 2.).


Рис. 2. Аэрофотоснимок здания «Слесарно-сборной мастерской».


2. ОБЪЕКТ, МЕТОДЫ СЪЕМКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1. Историческая справка.

Здание мастерской построено в 1914 году по проекту инженера Григория Розовского, в 1931 году к северному фасаду добавили двухэтажную пристройку. Здание является историко-архитектурным памятником регионального значения и образцом промышленной архитектуры в стиле позднего промышленного модерна и конструктивизма с редким конструктивным решением интерьеров, созданных для промышленных нужд. Корпус представляет собой кирпичное здание площадью 7000 кв. метров, объемом около 104000 куб. метров и состоит из двух частей: одноэтажного цеха и двухэтажной пристройки с подсобными и обслуживающими помещениями. Оформление фасадов строгое, на лицевом фасаде находятся большие воротные проемы с криволинейными тягами, уравновешенными рядом мелких окон с архивольтами сверху, завершен фасад щипцами. На боковых фасадах оконные проемы оформлены архивольтами с замковыми камнями и молдингами. И оконные, и воротные проемы расположены в простенках между вертикальными лопатками и сопровождаются сухариками под верхним карнизом. На лицевых фасадах лопатки оканчиваются навершиями, выступающими над парапетом кровли. Характер обширного внутреннего пространства задает сложная конструкция металлического каркаса, включающего 73 клепаные металлические колонны и сложную систему ажурных металлических ферм и деревянных балок, фонари. В результате пристройки дополнительного объема к северному фасаду корпуса в стене были заложены исторические проемы и пробиты новые, утрачены некоторые элементы декора. В пристройке коридорная система с небольшими помещениями, разделенными перегородками, 3 внутренние лестницы, односкатная крыша, лежащая на двутавровых балках, фасады без декоративных элементов, оконные и дверные проемы разных размеров и с разными заполнениями. Здание в основном сохранило исторический облик и включено в список объектов культурного наследия.


2.2. Построение НBIM-модели корпуса «Слесарно-сборная мастерская».

Основная задача проекта – создание HBIM здания по состоянию на момент съемки с отражением характерных неровностей, деформаций, разрушений, остатков оборудования. Моделированию подлежали не только конструктивные элементы, но и остатки технологического оборудования: воздуховоды, трубы, рельсы, ниши в стенах и перекрытиях, оставшиеся после демонтажа оборудования, технологические ямы. Здание было предварительно очищено от мусора, большинства оборудования и коммуникаций. Детальность проработки модели – 5 см.

Цель создания модели – использование ее в качестве основы для разработки проекта современного бизнес-центра, предполагающего сохранение внешнего облика и характера конструкций здания.

Построение модели проводилось на основе данных лазерного сканирования с использованием трехмерной лазерной сканирующей системы FARO Focus 3D. В ходе съемочных работ было получено 202 скана (162 внутри и 40 снаружи здания), которые в приложении ScanIMAGER были сведены в единую систему координат объекта и городскую систему высот. Затем с помощью программы Autodesk ReCap данные конвертировались в формат *.rcs и были загружены в проект Autodesk Revit. (Рис. 3)


Рис. 3. Точечная 3D модель здания в проекте Revit.

Учитывая высокое разрешение, точечная модель объекта служит наглядной и информативной основой для построения всей BIM-модели. Непосредственно моделирование проводилось «от общего к частному» и «снизу-вверх», как и предполагает технология проектирования Autodesk Revit: анализ точечной модели, определение семантических и геометрических характеристик элементов здания, классификация и выбор способа построения соответствующих им 3D объектов модели. Практически, мы использовали 3 варианта создания 3D объектов:

1. Выбор из системной библиотеки программы соответствующего по значению и размерам объекта и расположение его в модели. Примером объектов системных семейств могут служить стены, перекрытия, элементы металлоконструкций (уголки, с-образные профили, двутавровые балки). Причем, элементы металлоконструкций использовались как непосредственно (стропильные балки), так и в качестве составных элементов пользовательских семейств (фермы, колонны).

2. Создание пользовательских семейств с переменными параметрами для неоднократно встречающихся элементов и элементов, относящихся к несущим конструкциям. Например, оконные проемы с архитравными наличниками на боковых фасадах, колонны, фермы (Рис. 4.). Такой способ оправдан, когда можно четко задать небольшое (конечное) количество параметров объекта, элемент встречается довольно часто и имеет важное значение (планируется его участие в аналитических расчетах).


Рис. 4. Слева направо: оконный проем, колона, ферма

3. Создание контекстных объектов с помощью команды Component – Model In-place. Данная команда позволяет создавать объекты практически любой формы, поэтому рекомендуется использовать именно этот способ создания объектов для нетипичных элементов, встречающихся однократно и не относящихся к конструкции здания.

При построениях отдавалось предпочтение объектам из системной библиотеки программы и объектам пользовательских семейств. Все элементы несущей конструкции здания были замоделированы именно так. Однако приходилось довольно часто пользоваться функцией создания контекстных объектов. Это связано с большим разнообразием типов объектов. Только декоративных элементов на фасадах было выделено 18 типов, причем элементы одного типа могут значительно отличаться друг от другого размерами или отделкой. (Рис..5). Также контекстными объектами создавались остатки оборудования, ниши и ямы, оставшиеся после демонтажа. Уникальные, неповторяющиеся объекты целесообразнее моделировать на основе уже существующих объектов, а не использовать редактор семейств.


Рис. 5. Фрагмент лицевого фасада здания с декоративными элементами.

Особое внимание при моделировании уделялось элементам несущих конструкций (стенам, колоннам, фермам) основного корпуса. Стены являются основой модели. Они задают конфигурацию здания, по ним задается контур перекрытий, в них вставляются оконные и дверные проемы. Стены корпуса были кирпичные, толщиной «три кирпича» или 720 мм, ровные. Контур «щипцов» на лицевом фасаде выполнен с помощью команды «Редактировать профиль». Стены в пристройке были переменной толщины, поэтому состояли из нескольких стен, расположенных друг на друге или рядом друг с другом. При построении перекрытий учитывался рельеф, а также моделированию подлежали насыпи, постаменты и углубления от демонтированного оборудования. Рельеф перекрытия отображался путем добавления характерных «точек изменения формы» с присвоением им соответствующих высотных отметок. Насыпи и постаменты моделировались как контекстные объекты. Колонны копировались с учетом их реального положения – разворота, смещения по высоте, отклонения от осей. (Рис. 6).


Рис. 6. Промежуточная модель со стенами, перекрытиями и колоннами.

Наиболее трудоемким при создании модели было построение ажурной системы ферм и балок, особенно на этапе анализа данных сканирования. Шесть типов ферм переплелись в причудливый узор под крышей на высоте от 8 до 16 метров (Рис. 7). Общее количество ферм – 172 и каждую из них требовалось вручную «поставить на место» с учетом высоты, наклона и поворота.


Рис. 7. Система ферм и балок.

На завершающем этапе построения модели были смоделированы кровля и уровень земли вдоль фасадов. Построение кровли проводилось фрагментарно, с отражением толщины и рельефа, соответствующих данным сканирования. Принцип отражения рельефа кровли аналогичен способу передачи неровностей перекрытия: добавление характерных «точек изменения формы» с отметками. Уровень земли вдоль фасадов строился автоматически, с помощью инструмента «Toposurface»: из данных сканирования была сделана выборка характерных точек рельефа с координатами и высотами, данные были экспортированы в формат .txt и загружены в программу в качестве основы для построения топографической поверхности.
Получившаяся в результате модель представлена на (Рис. 8)


Рис. 8. Итоговая модель корпуса «Слесарно-сборная мастерская»

В итоге работ по созданию редактируемой HBIM инструментами Revit был получен полный комплект чертежей. В соответствии с техническим заданием, чертежи были экспортированы в среду программы AutoCAD, отредактированы и оформлены.

Основная трудность при создании BIM исторических зданий – их «неидеальность». Главные проблемы, которые приходилось решать «вручную»: неровные стены, разные по размерам оконные и дверные проемы, неравномерная сетка несущих колонн (неодинаковый шаг), разное расстояние между фермами, разворот ферм и колонн относительно друг друга (осей), различное их расположение по высоте, несовпадение элементов декора. Причины этих проблем могут быть разные: от несоответствия проекту при строительстве до временных деформаций, утрат. Как результат – минимизация автоматизации процесса моделирования и увеличение «ручного» труда, а также упрощение, обобщение и усреднение модели.

3. ВЫВОДЫ

1. Сегодня информационные модели зданий (BIM) активно применяются на разных этапах их жизненного цикла –проектировании, строительстве и эксплуатации.

2. Наиболее хорошо методики использования BIM-технологий отработаны для объектов нового строительства, где их применение дает существенный технологический и экономический эффект на каждом этапе проектных и строительных работ.

3. Методики применения технологий информационного моделирования для задач реконструкции старых зданий и реставрации архитектурных памятников сегодня развиты сравнительно слабо. Данное направление информационного моделирования требует выполнения дополнительных исследований и разработок по разным аспектам данной проблематики – от разработки нового или адаптации существующего программного обеспечения под задачи HBIM, до вопросов организации процессов реставрации на основе применения информационных технологий.

4. Нашей группой были проведены работы по созданию информационных моделей нескольких памятников промышленной архитектуры города Санкт-Петербурга (Российская федерация) для задач их реконструкции и приспособления под современные нужды. Подходы и приемы, которые были использованы при создании BIM, продемонстрированы на примере разработки модели объекта культурного наследия «Слесарно-сборная мастерская» «Петербургского товарищества вагоностроительного завода синдиката вагоностроительных заводов «Продвагон», расположенного по адресу: Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 115, литера В.

5. Точные геометрические параметры объекта моделирования были получены по результатам трехмерного лазерного сканирования и, частично, методами фотограмметрии.

6. Построение информационной модели выполнялось с привязкой к облаку точек в системе Autodesk Revit. Были смоделированы все основные конструктивные элементы здания и остатки технологического оборудования.

7. Для моделирования в основном были использованы 3 варианта создания 3D объектов: a) выбор объектов из системной библиотеки; b) создание пользовательских семейств с переменными параметрами; c) создание контекстных объектов.

8. Основная сложность создания BIM исторических зданий является их «неидеальность» (кривизна стен, различие в размерах и ориентировке однотипных элементов и т.п.). Это приводит к увеличению доли ручного труда при создании модели и, в перспективе, должно быть автоматизировано в системах, адаптированных для создания HBIM.



ЛИТЕРАТУРА

1. Autodesk. Технология для архитектурного проектирования, 2019, autodesk.ru/solutions/bim/architecture, (15 May, 2019)

2. BIM. Основные принципы BIM-проектирования,2019, bimforum.tilda.ws/osnovnie_principy_bim (20 Feruary, 2019)

3. Brumana R., Oreni D., Raimondi A., Georgopoulos A., Bregianni A., 2013, From survey to HBIM for documentation, dissemination and management of built heritage. Digital Heritage International Congress (Digital Heritage), Oct. 28-Nov. 1 2013, Marseille, pp. 497 – 504.

4. Eastman, C., Fisher D., Lafue G., Lividini J., Stoker D., Yessios C., 1974, An Outline of the Building Description System. — Institute of Physical Planning, Carnegie-Mellon University.

5. Fai S., Graham K., Duckworth T., Wood N., Attar R., 2011, Building Information Modelling and Heritage Documentation, CIPA 2011 Conference Proceedings: XXIIIrd International CIPA Symposium.

6. Logothetis S., Delinasiou A., Stylianidis E., 2015, Building information modelling for cultural heritage: a review, ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume II-5/W3, 25th International CIPA Symposium 2015, Taiwan, doi:10.5194/isprsannals-II-5-W3-177-2015.

7. Murphy, M., McGovern E., 2009. Historic building information modelling (HBIM). Structural Survey Vol. 27 (Iss: 4,), pp. 311 – 327.

8. Murphy, M., Dore, C., 2012, Integration of Historic Building Information Modelling (HBIM) and 3D GIS for Recording and Managing Cultural Heritage Sites, 18th International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM): “Virtual Systems in the Information Society”, 2-5 September 2012, Milan, Italy, pp. 369-376.

9. Nederveen G., Tolman F., 1992, Modelling multiple views on buildings // Automation in Construction. 1 (3): 215–24, DOI:10.1016/0926-5805(92)90014-B.

10. Oreni D., Brumana R., Della Torre S., Banfi F., Barazzetti L., Previtali M., 2014, “Survey turned into HBIM: the restoration and the work involved concerning the Basilica di Collemaggio after the earthquake (L'Aquila)”, ISPRS Technical Commission V Symposium, 23–25 June 2014, Italy.

11. Ruffle S. , 1986, Architectural design exposed: from computer-aided-drawing to computer-aided-design. — Environments and Planning B: Planning and Design. , pp. 385-389.

12. Saygi, G., Remondino, F., 2013, Management of Architectural Heritage Information in BIM and GIS: State-of-the-art and Future Perspectives. Int. Journal of Heritage in the Digital Era, Vol.2(4), pp. 695-714, DOI 10.1260/2047- 4970.2.4.695

13. Stieglitz M., 2002, Industrial architecture of St. Petersburg XVIII - first half of the 20th century: Historical and cultural problems: dissertation of the doctor of architecture: 18.00.01 - Theory and history of architecture, restoration and reconstruction of a historical and cultural heritage. St. Petersburg, Russia, 458 p.

14. The list of instructions following a meeting of the State Council May 17, 2016, kremlin.ru/acts/assignments/orders/52154b (20 September 2017).

Распечатать