Введение
Главной проблемой при реставрации памятников культуры является нехватка планов этих сооружений или недостаточная изученность конструкций зданий. В ходе реставрационных работ нередки случаи, когда новые опорные конструкции должны быть проложены через старые опорные элементы, не обладающие достаточной прочностью. Эти работы требуют высокой точности как проходческого оборудования, так и геодезической разбивки. При прохождении через старые конструкции их прочность уменьшается. Поэтому с целью предотвращения их обрушения проектировщиками разрабатываются предельно допустимые размеры старых элементов. Выдержка этих размеров при проходке – задача геодезии. Геодезические работы в этом случае имеют первостепенную важность, так как без составления точных исполнительных съемок и чертежей вновь обнаруженных конструкций и элементов сооружений работа архитекторов и проектировщиков по корректировке или созданию новых проектных чертежей невозможна. Таким образом, геодезическое обеспечение является неотъемлемой частью работ при реставрации сооружений.
Цели исследования:
1. Исследование современных геодезических методов и инструментов для реализации архитектурных чертежей при реставрации свода подвала дома городской усадьбы 1710 г.
2. Обеспечение необходимой точности и безопасности в процессе работы в ходе геодезической съемки существующего свода.
3. Определение оптимального положения оси новой железобетонной конструкции для восстановления арочного свода, предотвращения его обрушения и соответствия архитектурным требованиям.
Материалы и методы исследования
Существует множество геодезических инструментов, которые помогают в реставрации археологических сооружений. Например, лазерный сканер, с помощью которого можно получить облако точек. При обработке этих данных создается трехмерная модель существующих зданий. Но в некоторых случаях использование лазерного сканера невозможно, поэтому приходится прибегать к традиционным геодезическим методам с использованием электронного тахеометра для выполнения необходимых геодезических съемок и разбивок. Кроме того, в этом случае используется ряд программ, которые помогают в работе проектирования и внедрения, например программный продукт Autodesk Civil 3D [1].
Объект реставрации расположен в верхней части Вознесенского переулка, на выходе к улице Тверской, по правой его стороне (рис. 1).
Объект представляет собой главный дом городской усадьбы – единственное сохранившееся здание из дворового комплекса приусадебного участка, состоявшего из флигеля, домов для прислуги, конюшен и самого дома [2]. Здание вытянуто по красной линии трассы переулка с юго-запада на северо-восток.
В соответствии с историко-культурными исследованиями, проведенными в данном районе по заказу государственного унитарного предприятия «МосжилНИИпроект», и данными, предоставленными по просьбе автора Департаментом культурного наследия города Москвы, история архитектурного развития здания включает в себя следующие этапы:
− На период постройки с 1710 г. на месте сгоревшего деревянного здания сохранился подвал юго-западной части здания, о чем свидетельствуют такие особенности строения, как ниши печуры в кладке стен и коробовом своде подвала.
Рис. 1. Место расположения и внешний вид фасадов объекта Источник: историческая справка по застройке домовладения, Яндекс карта
− На месте сохранившегося подвала около 1797 г. было построено основное здание усадьбы.
− Помещение второго подвала, судя по архитектурно-строительным особенностям, было пристроено примерно в 1800 г. Об этом свидетельствует, в частности, форма распалубков второго помещения подвала [2] (рис. 2).
− Северо-восточная часть здания была пристроена через 80 лет после возведения основной части, юго-западной, и датируется 1880 г. [3].
Его основная планировка в капитальных стенах с тех пор не менялась.
С 1920-х гг. здание использовалось под коммунальные квартиры, были возведены новые перегородки [4].
Таким образом, в здании воплощены архитектурные решения нескольких эпох.
По архивным данным было выявлено, что история участка прослеживается с начала XVII в., развитие застройки участка прослеживается с 1720-х гг., натурные исследования позволяют сделать наблюдения об отдельных элементах застройки участка на период конца XVII в. Старейшее выявленное на настоящий период описание застройки участка относится к 1725 г. и представляет собой долговую вексельную закладную, в которой упоминаются палаты. Частью палат, упомянутых в вексельной закладной, является старейший элемент застройки описываемого участка, выявленный в историческом документе строительства, – помещение подвала в западном углу главного дома городской усадьбы (старый юго-западный корпус главного дома городской усадьбы). Предполагается, что до 1710 г. над описываемым подвалом располагалась каменная постройка, обветшавшая из-за многочисленных пожаров Москвы XVIII в.
На момент начала работ по реставрации фундамент здания состоял из бутового камня, а грунт под зданием был местами укреплен массивной брусовой кладкой. Стены свода подвала старой части здания имели кирпичную кладку [5].
Стены верхней части здания представляли собой кирпичную кладку, укрепленную песчано-бетонным и известняковым растворами. С каждым этажом толщина кладки уменьшалась, что помогало снизить нагрузку на фундамент и немного увеличить пространство внутренних помещений [6].
Перекрытия между этажами были выполнены из массивных деревянных брусьев, выточенных из цельных стволов сосны. Опорой для брусьев служили специально подготовленные отверстия в стенах. Крыша состояла из несущего каркаса, опирающегося на стены здания. Кровля была выполнена из оцинкованного железа [7].
Подвал здания расположен в осях 8–9//A-D (рис. 3) и состоит из вертикальных стен, выложенных из кирпича, и арочного свода подвала с толщиной кладки 20 см. Помещение подвала имеет вытянутую прямоугольную форму, до реконструкции оно состояло из двух комнат и выполняло функции технического помещения, в котором были расположены элементы водоснабжения – трубы горячего и холодного водоснабжения и насосная станция.
Рис. 2. Схема расположения подвалов здания Источник: составлено автором
Рис. 3. План помещения подвала до реставрации и проектный план Источник: составлено автором
Вход в подвал был расположен с юго-западной стороны апсиды здания в осях 8–9//C и оформлен в виде полукруглой лестницы, огибающей одну из апсид здания, на спуск по часовой стрелке.
Следует сказать, что этот подвал является самым старым помещением во всем доме: он был построен еще до 1710 г., до реформ Петра I о запрете каменного строительства во всех городах, кроме Санкт-Петербурга, о чем свидетельствует архитектура подвала – ниши печуры в кладке стен и коробовой свод подвала. Именно этот подвал остался после сноса обветшалой от московских пожаров постройки, ранее стоявшей на этом месте, и послужил основой для возведения главного дома усадьбы, которая сохранилась до настоящего времени.
По проекту реконструкции назначение подвала должно остаться прежним; изменениям подлежали только техническое оборудование подвала, его объем и форма. Если раньше подвал занимал площадь 90 м2 при объеме 245 м3, то после реставрации объем подвала составил 438 м3 при той же площади. Прирост объема произошел за счет увеличения высоты подвала на 1,110 м. Отметка чистого пола подвала была перенесена с -3,900 м на -5,110 м.
Цилиндрический свод подвала – очень прочная и долговечная конструкция. На свод приходится часть нагрузки несущих стен здания, а также опирается перекрытие первого этажа. Сам свод опирался на фундамент из бутового камня, который был позже заменен на железобетонный фундамент [7].
Перед началом работ по замене старого бутового фундамента на новый, железобетонный фундамент, с целью усиления старого свода и опоры для несущих конструкций (колонн, стен), было принято решение укрепить свод подвала металлической двутавровой балкой размером 250 x 200 мм по всему периметру стен подвала. Балки закреплялись с двух сторон каждой стены.
Балка – один из основных опорных элементов конструкции наряду с фундаментом. Верх балки был заложен на отметке -3,800 м с помощью оптического нивелира Sokkia C410. Эта балка выполняла несущие свойства во время замены фундамента методом захваток – на нее опирались капитальные стены здания. Балка также служит опорой для монолитных несущих колонн, на которых смонтированы новые железобетонные перекрытия и крыша здания.
В соответствии с проектом монолитных работ колонны должны опираться на металлическую двутавровую балку. Размеры колонны – 200 х 400 мм. Всего в помещении подвала (в осях 8-9//A-D) расположено 17 колонн. Эти колонны служат опорой для монолитных перекрытий первого, второго, третьего этажей, а также кровли здания.
Одной из первых геодезических задач являлась разбивка ниш в кирпичных стенах для колонн на первом этаже (над подвалом). Но после проверки положения колонн относительно металлической балки и стены свода подвала выяснилось, что высока вероятность обрушения кирпичного свода в ходе штробления ниш для колонн (рис. 4).
Поэтому было принято решение выполнить исполнительную съемку свода, по которой будет видно положение балки относительно стены свода и колонн. По данным исполнительной съемки видно, что металлическая балка и стена свода не параллельны, как было запроектировано [4, 7].
Рис. 4. Разрез свода до реставрации (слева) и проектный разрез свода (справа) Источник: составлено автором
Рис. 5. Исполнительная съемка стен подвала Источник: составлено автором
Ошибки определения координат точки стояния прибора методом обратной линейно-угловой засечки определялись по формуле [8]:
mобр.зас .= ,
где n – количество исходных пунктов;
Scp – среднее расстояние от прибора до исходных пунктов;
ms – ср. кв. ошибка измерения расстояний электронным тахеометром;
mβ – ср. кв. ошибка измерения угла электронным тахеометром.
При n = 4, Scp = 5 м, ms = 2, mβ = 3,
mобр.зас.= мм.
Максимальное отклонение балки от стены свода составило 176 мм, а минимальное – 87 мм.
Плановое положение стены свода относительно балки указано на рис. 5.
Для удобства обозначают расстояние между стеной свода и балкой буквой L, расстояние между стеной свода и проектной колонной – буквой S, опирание колонны на балку – буквой B. В наиболее рискованном месте – там, где расположена колонна № 2, – величина L составляет 87 мм. Чтобы обеспечить необходимую прочность, в этом месте была задана максимальная толщина стены свода – 200 мм. Таким образом, величина опирания колонны на балку составила всего 95 мм (рис. 4).
Поскольку приоритетной задачей было сохранение стены свода, то нужно найти оптимальную разбивочную ось колоны, которая удовлетворяет условиям проектировщиков (колонна должна заходить на балку как минимум на 120 мм, а минимальная толщина стены свода должна быть 100 мм). Для оценки возможных решений на основе данных необходимо определить функцию предпочтения и степень важности каждого критерия для данной задачи [3].
,
где П – критериальная оценка значения i-го физического фактора;
Ki – «вес» критерия;
K1 – коэффициент при толщине свода меньше 20 см (S < 20 см);
K2 – коэффициент при толщине свода больше 20 см (S > 20 см);
K3 – коэффициент при ширине меньше 20 см (S > 20 см).
Для упрощения процесса анализа были введены условные коэффициенты K1, K2 и K3:
K1 – на каждый 1 см стены свода толщиной менее 20 см приходится -2 условные единицы;
K2 – на каждый 1 см стены свода толщиной более 20 см приходится +1 условная единица;
K3 – на каждый 1 см ширины опирания колонны меньше 13 см приходится -1 условная единица. Значения этих коэффициентов приведены в табл. 1.
K1 = |-2|; K2 = |+1|; K3 = |-1|
Таблица 1
Значения условных коэффициентов
К1 |
К2 |
К3 |
|
К1 коэффициент при толщине свода меньше 20 см (S < 20 см) |
-2 |
0 |
0 |
К2 коэффициент при толщине свода больше 20 см (S > 20 см) |
0 |
+1 |
0 |
К3 коэффициент при ширине меньше 20 см (S > 20 см) |
0 |
0 |
-1 |
При предварительном положении разбивочной линии колонн, как на рис. 6, где указана толщина стены свода (S) и ширины опирания колонны (B) для каждой колонны, сумма критерия будет:
Колона № 1 S11 = 246 мм, B11 = 72 мм П11 = |0|*(246-200) + |+1|*(246-200) +|-1|*(130-72) = 10,4.
Колона № 2 S12 = 200 мм, B12 = 88 мм П12 = |0|*(200-200) + |+1|*(200-200) +|-1|*(130-88) = 4,2.
Колона № 3 S13 = 226 мм, B13 = 66 мм П13 = |0|*(226-200) + |+1|*(226-200) +|-1|*(130-66) = 9.
Колона № 4 S14 = 259 мм, B14 = 36 мм П14 = |0|*(259-200) + |+1|*(259-200) +|-1|*(130-33) = 15,3.
Колона № 5 S15 = 317 мм, B15 = 60 мм П15 = |0|*(317-200) + |+1|*(317-200) +|-1|*(130-60) = 18,7.
Сумма критерия = 57,6.
При смещении предварительного положения разбивочной линии колонн на 10 мм в сторону стены свода сумма критерия будет:
Колона № 1 S21 = 236 мм, B21 = 82 мм П21 = |0|*(236-200) + |+1|*(236-200) +|-1|*(130-82) = 8,4.
Колона № 2 S22 = 190 мм, B22 = 98 мм П22 = |-2|*(190-200) + |0|*(190-200) +|-1|*(130-98) = 5,2.
Колона № 3 S23 = 216 мм, B23 = 76 мм П23 = |0|*(216-200) + |+1|*(216-200) +|-1|*(130-76) = 7.
Колона № 4 S24 = 249 мм, B24 = 46 мм П24 = |0|*(249-200) + |+1|*(249-200) +|-1|*(130-43) = 13,3.
Колона № 5 S25 = 307 мм, B25 = 70 мм П25 = |0|*(307-200) + |+1|*(307-200) +|-1|*(130-70) = 16,7.
Сумма критерия = 50,6.
Рис. 6. Предварительное и оптимальное положение разбивочной линии колонн Источник: составлено автором
С целью уменьшения суммарного коэффициента расстояние между стеной свода и проектной колонной постепенно уменьшалось с шагом в 1 см (табл. 2).
В наименее рискованном варианте для свода сумма коэффициентов составила 57,7. Однако площадь опирания колонн на балку в этом случае слишком мала.
Таблица 2
Расчет оптимальной толщины стен свода и опирания колонн на балку
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П11 |
|К2|*П12 |
|К3|*П13 |
П11 |
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П61 |
|К2|*П62 |
|К3|*П63 |
П16 |
|||
К11 |
246 |
72 |
46 |
-58 |
0 |
4,6 |
5,8 |
10,4 |
К61 |
196 |
122 |
-4 |
-8 |
0,8 |
0 |
0,8 |
1,6 |
|
К12 |
200 |
88 |
0 |
-42 |
0 |
0 |
4,2 |
4,2 |
К62 |
150 |
138 |
-50 |
8 |
10 |
0 |
0,8 |
10,8 |
|
К13 |
226 |
66 |
26 |
-64 |
0 |
2,6 |
6,4 |
9 |
К63 |
176 |
116 |
-24 |
-14 |
4,8 |
0 |
1,4 |
6,2 |
|
К14 |
259 |
36 |
59 |
-94 |
0 |
5,9 |
9,4 |
15,3 |
К64 |
209 |
86 |
9 |
-44 |
0 |
0,9 |
4,4 |
5,3 |
|
К15 |
317 |
60 |
117 |
-70 |
0 |
11,7 |
7 |
18,7 |
К65 |
267 |
110 |
67 |
-20 |
0 |
6,7 |
2 |
8,7 |
|
57,6 |
32,6 |
|||||||||||||||||
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П21 |
|К2|*П22 |
|К3|*П23 |
П12 |
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П71 |
|К2|*П72 |
|К3|*П73 |
П17 |
|||
К21 |
236 |
82 |
36 |
-48 |
0 |
3,6 |
4,8 |
8,4 |
К71 |
186 |
132 |
-14 |
2 |
2,8 |
0 |
0 |
2,8 |
|
К22 |
190 |
98 |
-10 |
-32 |
2 |
0 |
3,2 |
5,2 |
К72 |
140 |
148 |
-60 |
18 |
12 |
0 |
0 |
12 |
|
К23 |
216 |
76 |
16 |
-54 |
0 |
1,6 |
5,4 |
7 |
К73 |
166 |
126 |
-34 |
-4 |
3,4 |
0 |
0,4 |
3,8 |
|
К24 |
249 |
46 |
49 |
-84 |
0 |
4,9 |
8,4 |
13,3 |
К74 |
199 |
98 |
-1 |
-32 |
0,2 |
0 |
3,2 |
3,4 |
|
К25 |
307 |
70 |
107 |
-60 |
0 |
10,7 |
6 |
16,7 |
К75 |
257 |
120 |
57 |
-10 |
0 |
5,7 |
1 |
6,7 |
|
50,6 |
28,7 |
|||||||||||||||||
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П31 |
|К2|*П32 |
|К3|*П33 |
П13 |
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П81 |
|К2|*П82 |
|К3|*П83 |
П18 |
|||
К31 |
226 |
92 |
26 |
-38 |
0 |
2,6 |
3,8 |
6,4 |
К81 |
176 |
142 |
-24 |
12 |
4,8 |
0 |
0 |
4,8 |
|
К32 |
180 |
108 |
-20 |
-22 |
4 |
0 |
2,2 |
6,2 |
К82 |
130 |
158 |
-70 |
28 |
14 |
0 |
0 |
14 |
|
К33 |
206 |
86 |
6 |
-44 |
0 |
0,6 |
4,4 |
5 |
К83 |
156 |
136 |
-44 |
6 |
8,8 |
0 |
0 |
8,8 |
|
К34 |
239 |
56 |
39 |
-74 |
0 |
3,9 |
7,4 |
11,3 |
К84 |
189 |
108 |
-11 |
-22 |
2,2 |
0 |
2,2 |
4,4 |
|
К35 |
297 |
80 |
97 |
-50 |
0 |
9,7 |
5 |
14,7 |
К85 |
247 |
130 |
47 |
0 |
0 |
4,7 |
0 |
4,7 |
|
43,6 |
36,7 |
|||||||||||||||||
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П41 |
|К2|*П42 |
|К3|*П43 |
П14 |
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П91 |
|К2|*П92 |
|К3|*П93 |
П19 |
|||
К41 |
216 |
102 |
16 |
-28 |
0 |
1,6 |
2,8 |
4,4 |
К91 |
166 |
152 |
-34 |
22 |
6,8 |
0 |
0 |
6,8 |
|
К42 |
170 |
118 |
-30 |
-12 |
6 |
0 |
1,2 |
7,2 |
К92 |
120 |
168 |
-80 |
38 |
16 |
0 |
0 |
16 |
|
К43 |
196 |
96 |
-4 |
-34 |
0,8 |
0 |
3,4 |
4,2 |
К93 |
146 |
146 |
-54 |
16 |
10,8 |
0 |
0 |
10,8 |
|
К44 |
229 |
66 |
29 |
-64 |
0 |
2,9 |
6,4 |
9,3 |
К94 |
179 |
118 |
-21 |
-12 |
4,2 |
0 |
1.2 |
5,4 |
|
К45 |
287 |
90 |
87 |
-40 |
0 |
8,7 |
4 |
12,7 |
К95 |
237 |
140 |
37 |
10 |
0 |
3,7 |
0 |
3,7 |
|
37,8 |
42.7 |
|||||||||||||||||
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П51 |
|К2|*П52 |
|К3|*П53 |
П15 |
S |
В |
S-200 |
B-130 |
|К1|*П101 |
|К2|*П102 |
|К3|*П103 |
П110 |
|||
К51 |
206 |
112 |
6 |
-18 |
0 |
0,6 |
1,8 |
2,4 |
К101 |
156 |
162 |
-44 |
32 |
8,8 |
0 |
0 |
8,8 |
|
К52 |
160 |
128 |
-40 |
-2 |
8 |
0 |
0,2 |
8,2 |
К102 |
110 |
178 |
-90 |
48 |
18 |
0 |
0 |
18 |
|
К53 |
186 |
106 |
-14 |
-24 |
2.8 |
0 |
2,4 |
5,2 |
К103 |
136 |
156 |
-64 |
26 |
12,8 |
0 |
0 |
12,8 |
|
К54 |
219 |
76 |
19 |
-54 |
0 |
1.9 |
5,4 |
7,3 |
К104 |
169 |
128 |
-31 |
-2 |
6,2 |
0 |
0,2 |
6,4 |
|
К55 |
277 |
100 |
77 |
-30 |
0 |
7.7 |
3 |
10,7 |
К105 |
227 |
150 |
27 |
20 |
0 |
2,7 |
0 |
2,7 |
|
33,8 |
48,7 |
В результате после нескольких приближений было достигнуто оптимальное значение суммарного коэффициента 28,7.
Таким образом, использование традиционных геодезических методов позволило увеличить расстояние между археологическим сводом железобетонных колонн с 87 мм до 140 мм в самом слабом месте свода, которое удовлетворяет условиям проектировщиков (колонна должна заходить на балку как минимум на 120 мм, а минимальная толщина стены свода должна быть 100 мм) [7, 8].
Заключение
По завершении этого исследования и определения оптимального положения разбивочной линии колонн без ущерба для свода можно сделать следующие выводы:
− Геодезическое обеспечение является неотъемлемой частью работ при реставрации сооружений. Все геодезические работы на объекте производятся в соответствии с нормативными документами: строительными и реставрационными нормами и правилами и государственными стандартами.
− Археологические постройки невозможно сохранить в случае реставрации без использования современного геодезического оборудования и вычислительных методов.
− Исследование показывает, насколько важно использовать технологию информационного моделирования зданий (BIM), позволяющую экономить время и контролировать каждый шаг стройки и избегать ошибок при проектировании, которые могут всплыть уже на этапе возведения объекта.
Библиографическая ссылка
Насереддин Х.Х. ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРИ РЕСТАВРАЦИИ СВОДА ПОДВАЛА УСАДЬБЫ XVIII ВЕКА // Успехи современного естествознания. – 2024. – № 10. – С. 102-111;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38325 (дата обращения: 23.11.2024).