Тема: Архитектурные обмеры

1. Методы обмерных работ

________В практике работ по реконструкции и реставрации архитектурных сооружений большое значение имеют обмеры. От точности и подробности обмерных чертежей во многом зависит качество проектов реставрации и реконструкции.

________Основными методами обмеров являются фотограмметрический, геодезический и натурный.

________Первые два относятся к разряду дистанционных (бесконтактных), то есть не требующих обязательного близкого взаимодействия с объектом и возведения строительных лесов, как при использовании метода натурных обмеров.

________Сущность фотограмметрического метода обмеров заключается в определении размеров объекта по данным измерений фотоснимков – одиночных и стереопар.

________Для получения обмерных чертежей архитектурный объект фотографируется с близкого расстояния.

________Специальные фотокамера ИМК 10 - 1318 и стереофотокамера 5МК - 5,5-0808, ранее выпускаемые предприятием «Карл Цейсс» (Йена, Германия), были сконструированы специально для съемки с близких расстояний. Сейчас данные модели заменены на более технологичные.

________Фотографирование можно было выполнить при горизонтальном, вертикальном и наклонном положении оптической оси фотокамеры.

________Применение стереокамер в значительной мере ускоряет и облегчает процесс фотосъемки, так как освобождает оператора от работ, связанных с взаимным ориентированием фотокамер.

________При аналитическом методе измерение снимков выполняется на стереокомпараторе, пространственные координаты точек обмеряемого сооружения вычисляются на ЭВМ. Он применяется в основном для определения координат опорных точек сооружения, которые являются основой для составления обмерных чертежей другими методами.

________Фотограмметрические обмеры включают в основном те же процессы, что и в наземной фототопографической съемке местности. Вначале фотографируется памятник архитектуры, затем стереопары снимков измеряются на фотограмметрическом приборе, и составляется обмерный чертеж.

________Фотограмметрические обмеры эффективнее натурных измерений по всем технико-экономическим показателям, таким как:
• точность,
• производительность,
• стоимость,
• культура,
• безопасность труда.

________Фотограмметрические методы позволяют успешно решать многие вопросы охраны и исследования памятников архитектуры, которые ранее были неразрешимыми, например:
• воссоздание параметров утраченных элементов памятников архитектуры по архивным снимкам;
• установление точной геометрической формы сооружений;
• исследования асимметрии и конструктивных особенностей, влияющих на восприятие памятника или его деталей.

________Фотограмметрические методы позволяют выполнить обмеры ветхих и руинированных объектов.

________Геодезический метод обмеров, так же как и фотограмметрический, является дистанционным (бесконтактным), поэтому для выполнения измерений нет необходимости в постройке лесов. Для обмерных работ используются широко применяемые при инженерно-геодезических изысканиях и в строительстве простые приборы:

________Методика производства обмеров по сравнению с фотограмметрической съемкой довольно простая. Она по существу мало чем отличается от топографической съемки местности. Однако, вследствие того что обмерные чертежи составляются в более крупном масштабе, чем топографические планы, точность измерений и построений должна быть более высокой.

________Для получения обмерного чертежа определяют координаты всех характерных точек архитектурного сооружения. Для этого создается опорная геодезическая сеть, точки которой являются основой для детальных обмеров фасадов и внутренних помещений. Координаты доступных точек определяют путем обычных наружных измерений от точек геодезической сети, а неприступных точек – чаще всего методом прямой геодезической засечки. Для этого от ближайшей точки геодезической сети измеряют расстояние до определяемой точки S и угол между направлением на эту точку и направлением стороны геодезической сети.

________В том случае, когда расстояние S нельзя измерить непосредственно, его подсчитывают из решения задачи по определению неприступного расстояния.

________Геодезический метод обмеров требует довольно большого объема вычислительных работ, но они довольно просты, и их целесообразно выполнять на калькуляторе.

________Метод натурных (ручных) обмеров основан на измерении объектов с помощью:
• лент,
• рулеток,
• отвесов,
• уровней,
• «водяного нивелира».

________То есть с использованием простейших измерительных средств. Этот метод был долгое время единственно возможным..

________Метод натурных обмеров не утратил своего значения в настоящее время, он применяется для обмеров небольших строений (павильонов, беседок), интерьеров зданий, а также архитектурных деталей, доступных для непосредственного измерения. Процесс составления обмерных чертежей по данным натурных измерений можно выполнить на персональном компьютере.

________Стоимость работ при использовании метода натурных обмеров значительно выше, чем при использовании других методов.

________Выбор метода обмеров зависит в основном от особенностей обмеряемого сооружения:
• формы и размеров,
• конфигурации,
• расположения его в системе существующей застройки и ландшафта,
• степени необходимой детализации,
• требуемой точности обмерных работ.

________Как правило, при обмерах памятников архитектуры применяется комбинированный метод, то есть сочетание всех трех методов.

________В процессе обмеров архитектурных сооружений выполняются следующие работы:
• измеряются общие габариты объекта;
• определяются размеры деталей (например, дверных и оконных проемов);
• устанавливается геометрическая форма отдельных элементов (например, кривая арки);
• определяется пространственное положение объекта (горизонтальность, вертикальность, ориентация в пространстве);
• определяются архитектурные связи между различными формами здания.

________В комплект обязательных материалов обмеров архитектурного сооружения должны входить:
• обмерные чертежи фасадов,
• поэтажные планы интерьеров,
• генеральный план здания (план внешнего контура),
• разрезы (сечения),
• каталог координат опорных точек,
• чертежи деталей фасадов и интерьеров.

________Как правило, наибольшая точность предъявляется к обмерам древних памятников архитектуры, когда необходимо установить точные формы и размеры деталей фасадов и интерьеров, зафиксировать признаки разрушений и следы более ранних построек.

________В результате обследования памятника архитектуры, окружающей застройки и ландшафта разрабатывается проект производства обмерных работ:
• определяются способы создания планово–высотной основы,
• подбираются инструменты и приборы для полевых и камеральных работ,
• определяются методы фотограмметрических измерений.

________Кроме того, устанавливается необходимая точность выполнения обмеров, состав документации, стоимости, сроки.

2. Элементы геодезических обмеров

________Для измерения размеров горизонтальных отрезков часто используют вертикальную нить сетки нитей зрительной трубы теодолита как отвес. Допустим, необходимо определить размер АВ окна второго этажа здания. Вблизи здания устанавливают теодолит, тщательно нивелируют его и отмечают на фасаде здания линию условного горизонта LL.

________Требуется определить высоту AN. Теодолитом измеряют вертикальные углы v₁ и v₂, визируя на точки N и А. Расстояние d определяют непосредственным промером мерной лентой или косвенным путем, произведя дополнительные измерения.

________Вычисление вертикального отрезка AN производиться по формуле:

________Для обмеров внутренних помещений внутри здания по лестничным пролетам и коридорам прокладывают систему вспомогательных высотных теодолитных ходов. Их начальными точками являются обычно точки геодезической сети, расположенные против входов в здание (1–7).

________Дальнейшая детальная съемка внутренних помещений выполняется от вершин и сторон вспомогательных ходов. Для этого в точке дополнительного хода устанавливают теодолит и определяют положение точек помещения методом полярных координат. Отметки точек вспомогательных ходов и точек внутренних помещений определяют путем прокладывания ходов геометрического нивелирования.

________При обмерах зданий высоты точек измеряются относительно «нулевой линии», которая обозначается на стенах по всему периметру здания. Расстояние от земли или от пола до нулевой линии выбирается с таким расчетом, чтобы было удобно делать изменения. Например, нулевую линию обозначают краской на нижнем уровне оконного проема первого этажа. Нулевую линию точнее и проще провести с помощью нивелира. Инструмент устанавливается вблизи стены здания, берется отсчет по рейке, расположенной на начальной точке нулевой линии – а. Затем рейка переставляется на новую точку, расположенную на расстоянии 2–3 м от исходной.

________Опуская или поднимая рейку, получаем отсчет а. Под пяткой рейки отмечают на стене нулевую линию и переносят рейку на следующую точку. При перестановке нивелира на следующую станцию определяют отсчет b, соответствующий нулевой линии. При этом наблюдается как минимум одна общая для двух станций точка. При значительном перепаде рельефа отметка нулевой линии может быть изменена для некоторых частей здания. Нулевую линию можно провести также с помощью так называемого водяного нивелира (система сообщающихся сосудов).

________При определении координат опорных точек, расположенных в верхних частях зданий, применяется, как правило, метод прямой угловой засечки. Измерения выполняются с двух точек, координаты которых известны. С помощью теодолита измеряются горизонтальные углы β₁ и β₂. По измеренным углам вычисляются дирекционные углы направлений со станций на определяемую точку: α_1-3 и α_2-3.

________Координаты определяемой точки 3 – (Х₃ Y₃) вычисляются по формулам:

________Координата Y₃ вычисляется дважды для контроля.

________Точность определения координат и высот точек объекта зависит главным образом от точности измерения углов и расстояний. Например, при использовании теодолита типа 2Т30П погрешности определения координат точек не превышают 1–2 см, при этом опорные точки должны иметь четкий контур. Для повышения точности измерений выполняются маркировка опорных точек.

________При обмерах барабанов и куполов церквей, колонн и других объектов возникает задача определения координат центров вращения, радиусов сечений.

________По полученным данным подсчитываются некоторые характеристики сооружения, например:
• величина и направление крена,
• асимметрия,
• энтазис колонн.

________Одна из возможных схем измерений объекта геодезическими методами приведена на рис. 8.

________Вблизи сооружения разбиваются два базиса – АВ и ВС. Задаются определяемые сечения. В точках А, В, и C устанавливаются теодолиты. Измеряются:
• горизонтальные углы β₁–β₈, составленные направлениями визирования на крайней точки сечения с направлением базисов АВ и ВС,
• длины базисов АВ и ВС,
• вертикальные углы ν при наведении на точки 1 и 2 со станции А, 3 и 4 со станции В и 5, 6 со станции С.

________Следует отметить, что наблюдаемые точки 1–6 принадлежат касательным к окружности. Таким образом, наблюдатель видит хорды.

________Радиус сечения подсчитывается по горизонтальному расстоянию d от станции до центра вращения и углу β по формуле:

________Расстояние d от точек А, В и С определяется как неприступное.

________Для контроля радиуса определяется по данным измерений со станций А, В и С.

________В качестве точностных характеристик обмерных работ Международный комитет по архитектурной фотограмметрии рекомендует использовать показатели, приведенные в таблице 1:

________В России чертежи деталей принято представлять в масштабах 1:2 ... 1:20. Требования к точности обмеров должны быть необходимыми и достаточными.

3. Проект производства обмерных работ

________Обмеры выполняются специализированной группой, в состав которой входят:
• геодезисты,
• фотограмметристы,
• архитекторы,
• инженеры-конструкторы,
• др. специалисты.

________ Такие группы имеются в настоящее время в большинстве проектных организаций, занимающиеся реставрацией памятников архитектуры.

________Работы по обмерам архитектуры выполняются в следующей последовательности:
• предварительное обследование памятника архитектуры, окружающей застройки и ландшафта с составлением проекта производства обмерных работ;
• создание планово-высотной основы;
• полевые работы: фотосъемка, геодезические и натурные измерения;
• камеральные работы по фотограмметрической и компьютерной обработке данных полевых работ с составлением обмерных чертежей.

________В результате обследования памятника архитектуры, окружающей застройки и ландшафта разрабатывается проект производства обмерных работ:
• определяются способы создания планово-высотной основы;
• подбираются инструменты и приборы для полевых и камеральных работ;
• определяются методы фотограмметрических измерений.

________Кроме того, устанавливается необходимая точность выполнения обмеров, состав документации, стоимости, сроки.

4. Планово-высотная основа для производства архитектурных обмеров

________Планово-высотная основа – это система точек, для которых определены координаты Х, У и высота Х.

________Такие точки называются опорными, они обеспечивают необходимую точность выполнения обмерных работ в единой системе координат и высот. Опорные точки намечаются как непосредственно на обмеряемом памятнике архитектуры, так и за его пределами.

При производстве обмеров в целях разработки проектов реставрации необходимо выполнить привязку опорной сети к пунктам государственной геодезической сети.

________Это требование особенно важно соблюдать при обмерах архитектурных комплексов:
• крепости,
• монастыри;
• усадьбы.

________Выполнение обмерных работ в государственной системе координат и высот позволяет осуществить увязку проекта с существующей планировкой территории.

________Способы создания планово-высотной основы для обмерных работ аналогичны применяемым в процессе крупномасштабной топографической съемки застроенной территории: теодолитные и нивелирные ходы, микротриангуляция и пр.

________Наиболее распространенным способом создания плановой основы является замкнутый теодолитный ход, проложенный вокруг памятника архитектуры . Точность угловых и линейных измерений при проложении хода предопределяется требуемой точностью обмерных работ. Как правило, средняя квадратическая ошибка измерения углов равна 30^", относительная ошибка измерения сторон не должна быть более 1/2000. Стороны хода измеряются стальной компарированной лентой (или рулеткой) в прямом и обратном направлении, а углы – теодолитом, например 4ТЗО.

5. Перспективы применения цифровой фотограмметрии при архитектурных обмерах

________Цифровая фотограмметрия основана на использовании компьютерных технологий обработки фотоснимков.

________По сравнению с аналоговыми и аналитическими методами цифровая фотограмметрия имеет явные преимущества:
• дорогостоящие фотограмметрические приборы, требующие высокой квалификации исполнителя, полностью заменены доступными персональными компьютерами;
• обрабатываются снимки практически с любыми параметрами съемки;
• традиционная фотограмметрическая обработка происходит значительно быстрее;
• существенно расширен диапазон представляемых материалов.

________Как отмечалось ранее, в России применяются разные цифровые фотограмметрические системы (ЦФС), которые представляют собой персональный компьютер, дополненный стереоскопом для рассматривания стереоскопического изображения на экране дисплея.

________Все современные цифровые фотограмметрические системы (ЦФС) основываются на алгоритмах стереоотождествления одной и той же точки на двух снимках стереопары. ЦФС используются в основном для обработки аэрокосмических снимков, а также успешно применяются при обмерах архитектурных сооружений.

________При этом выполняются следующие операции:
• построение отдельной стереомодели;
• стереоизмерения точек и контуров объекта;
• автоматизированное построение цифровой модели объекта;
• автоматическое построение ортофотоизображения;
• автоматическое построение трехмерных проекций с любой точки и под любым углом зрения и получение мультипликационного фильма с перемещающейся точкой наблюдения.

________Предварительно необходимо выполнить сканирование снимков. Наилучшие результаты обеспечивают высокоточные топографические сканеры с разрешением порядка 5 микрон, что позволяет вводить снимок в компьютер почти без потери качества изображения. Бытовые сканеры с разрешением 40–50 микрон существенно снижают точность обработки снимка.

________ Одной из наиболее распространенных в России и за рубежом является цифровая фотограмметрическая система.

6. Основные направления использования космических снимков в градостроительстве

________Использование космических снимков в градостроительстве позволяет:
• существенно сократить сроки и расходы на изыскательские, инвентаризационные и предпроектные работы;
• более полно и обоснованно оценить урбанизированную и природную среду;
• обновлять топографические карты.

________Градостроительное проектирование предъявляет высокие требования к картографическим материалам в части их соответствия действительному состоянию местности. Однако составление и обновление топографических карт – работа длительная и трудоемкая, вследствие чего архитектор часто вынужден использовать топографические основы, не отражающие происшедших изменений.

________Космическая съемка открывает широкие перспективы для обновления карт в короткие сроки. При относительно небольших изменениях на местности изменившуюся ситуацию наносят на дежурные карты по космическим снимкам. При значительном старении карты, когда ее исправление нецелесообразно, производится полное обновление, с выполнением того же комплекса работ, что и при аэрофототопографической съемке. При этом для планового обоснования используют опорные точки – как использованные при создании обновляемой карты, так и полученные после ее создания. Метод и технология обновления карт среднего и мелкого масштабов по космическим снимкам достаточно отработаны.

________Разрешающая способность современных космических фотоснимков, используемых в народном хозяйстве, не может еще обеспечить полноценного обновления планов городов. Однако такие снимки содержат большое количество последних данных как о планировке и застройке населенных пунктов, так и о природных объектах, дополняющих и уточняющих имеющиеся картографические материалы.

________Изучать населенные пункты, как показывает опыт, целесообразно по космическим снимкам, увеличенным в 10…15 раз. На таких снимках видны границы городских территорий, общая схема планировки и характера застройки, особенности планировочной структуры; можно выделить функционально различные зоны городов – промышленную, жилую с малоэтажной застройкой, зону новостроек и т.д. По разновременным снимкам можно установить динамику развития городов по различным показателям: тенденции и интенсивность роста за определенный период, степень развития дорожной сети, эффективность использования пригородных зон и др.

7. Контроль состояния окружающей среды

________В России организована общегосударственная служба наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды, уровнем загрязнения атмосферы, почвы и водяных объектов по физическим, химическим и гидробиологическим показателям. Важной составной частью этой системы является фотографирование из космоса.

________Если по наземным данным можно составить лишь приблизительную картину влияния промышленности на природную среду, то на космических снимках четко различаются зоны воздействия различной интенсивности.

________Исследование качества окружающей среды, ее охрана и улучшение – основные цели на всех стадиях архитектурно-строительного проектирования. Систематизация результатов анализа состояния природной среды представляет исходный материал для решения многих задач проектирования.