Лазерное сканирование и 3D-моделирование Шуховской башни на Шаболовке

Источник: isicad

Аникушкин М. Н., Леонов А. В.

От редакции isicad: Trimetari Consulting - динамично развивающаяся компания, работающая в области наземного лазерного сканирования. Наша миссия - помогать специалистам из различных отраслей в решении задач, связанных с комплексными измерениями в трехмерном пространстве. Мы публикуем статью об одном из проектов, выполненных Trimetari Consulting. Оригинал статьи опубликован на сайте компании.

Леонов Андрей Владимирович, к.ф.-м.н. Руководитель Центра виртуальной истории науки и техники ИИЕТ РАН
Аникушкин Михаил Николаевич, Генеральный директор ООО "Триметари"

Радиобашня на Шаболовке - символ советского радио- и телевещания, всемирно известный памятник архитектуры русского авангарда [1]. Сегодня её чаще называют Шуховской башней, по имени её создателя - выдающегося русского инженера, члена-корреспондента и почётного члена Академии наук СССР Владимира Григорьевича Шухова (1853-1939). Башня была построена в 1919-1922 годах, трансляция радиопередач началась 19 марта 1922 года. В 1937-1967 годах башня использовалась также для телевещания.

Шуховская башня на Шаболовке, Москва

Капитальный ремонт башни не проводился ни разу за 90 лет. "Шуховская" несущая конструкция (шесть гиперболоидных секций) сохранилась практически в первоначальном виде. В разные годы на ней был установлен ряд дополнительных элементов: технологические платформы на разных уровнях и ферма для подводки фидеров (1937), промежуточные кольца жёсткости (1973), новая надстройка для крепления антенн УКВ-ЧМ (1991), грузопассажирский электрический лифт, антенны сотовой связи и др.

Лазерное сканирование Шуховской башни, отметка 0 м.

Коррозия стальных конструкций башни достигла угрожающего уровня уже в 1991 году [8], но государственные средства на реставрацию были выделены только в 2011 году. Существует несколько проектов реставрации башни [2]. В настоящее время (апрель 2012 г.) проводится государственная экспертиза проектной документации, подготовленной ООО "Качество и надёжность" в 2011 году, которая подразумевает приведение башни к первоначальному виду 1922 года. По этому проекту, в частности, планируется демонтировать и спустить на землю для реставрации четыре верхние гиперболоидные секции башни, а затем смонтировать их заново.

В связи с масштабными реставрационными работами, запланированными на 2012 год, а также в связи с 90-летним юбилеем башни в 2012 году и 160-летним юбилеем В. Г. Шухова в 2013 году, в ИИЕТ РАН в конце 2011 года было принято решение о создании точной цифровой 3D-модели башни. Цель проекта - сохранить точную и детальную информацию о "шуховской" конструкции до её демонтажа и реставрации, обеспечить доступ к этим данным широкой публике. Проект выполняется Центром виртуальной истории науки и техники ИИЕТ РАН при поддержке компании "Триметари", г. Санкт-Петербург.

Лазерное сканирование Шуховской башни, отметка +100 м.

Проектная и рабочая документация по башне практически не сохранилась, в Архиве РАН и РГАНТД находятся четыре разрозненных чертежа [3-5]. В 1947 году был выполнен подробный обмер конструкции башни [6]. В пояснительной записке отмечается: "Техническая документация (технический проект, рабочие чертежи и расчёты) по башне не сохранились. В 1937 году, для установки антенны телевизионного центра и подводки фидера по высоте башни до вышки, была установлена металлическая двухстенчатая ферма и выполнены три площадки (на отметке 141,768; 144,3 и 148,378 м.) На все металлоконструкции выполненные по реконструкции имеются рабочие

3D сканирование Шуховской башни, отметка +125 м.

чертежи" [6, черт. 281-3]. Однако уже в 1971 году документация 1937 года считалась утерянной: "В 1937 году трестом "Радиострой" была выполнена реконструкция башни: установлена металлическая двухстенчатая ферма и выполнены три площадки на отметке 141,768; 144,3 и 148,378 м. Техническая документация на строительство и реконструкцию башни не сохранилась" [7, черт. 569-4].

В 1971 году было выполнено определение несущей способности металлоконструкций башни и составлено заключение о возможности её дальнейшей эксплуатации [7]. В пояснительной записке отмечено: "Основные геометрические размеры башни, отметки и диаметры опорных колец приняты в соответствии с выпуском № 281 Проектстальконструкции 1947 г. Сечения элементов башни приняты на основании выпуска № 281 Проектстальконструкции 1947 года и материалов обследования ОРПС Министерства связи СССР 1971 г." [7, 569-5].

Подъем 3D сканера на самую верхнюю секцию башни

В 1991 году был подготовлен проект надстройки для крепления антенн УКВ-ЧМ [8]. Общая схема башни, приведённая в этом проекте, повторяет схему 1947 года [8, лист 2]. В частности, на ней не указаны дополнительные промежуточные кольца жёсткости, установленные в 1973 году, технологические площадки на уровнях 50, 75, 100, 125 м и др.

Таким образом, общие сведения о геометрии башни, приведённые в доступной документации, основаны на обмере 1947 года и не отражают современного состояния объекта. Поэтому основным источником данных для создания 3D-модели стали результаты трехмерного лазерного сканирования башни, которое было выполнено нами в конце 2011 года. Документация 1947 года используется как вспомогательный материал.

Установка трехмерного сканера на отметке +142 м.

В декабре 2011 года нами было выполнено трёхмерное лазерное сканирование башни с использованием сканеров Leica ScanStation 2 и FARO Focus3D. Полевой этап длился три дня, было сделано семь сканерных станций (три на поверхности земли в 5-10 м от башни, одна на поверхности земли в центре башни, и три на технологических площадках, расположенных на разных уровнях башни - 100, 125 и 141 м). Точность взаимного ориентирования сканов составила 7 мм, итоговая модель содержит около 100 млн. точек. Модель была привязана к реперам в основании башни, а также к пунктам опорной геодезической сети Москвы.

Стереовидеосъемка элементов конструкции башни

В настоящее время завершено 3D-моделирование башни, на основе результатов лазерного сканирования, а также доступной документации [3-8].

Для точного вписывания трёхмерных моделей в облако точек применяется следующий метод. Из облака точек выделяется часть, соответствующая отдельному элементу (например, швеллеру). Определяются края элемента, и проводится средняя линия. Перпендикулярно ей через каждые 2-3 м строятся секущие слои толщиной 1 см. По точкам, попавшим в секущий слой, вручную выставляется заранее известное сечение элемента (например, сечение швеллера N 14). Таким образом, получается набор из 10-12 сечений, по которым затем "выдавливается" профиль. Подобный метод позволяет моделировать кручение, изгиб металлоконструкций. Средняя точность "вписывания" трёхмерной модели элемента в облако точек, достигаемая таким методом, составляет 4-8 мм.

Облако точек - первичный результат лазерного сканирования

Таким образом, средняя точность построенной 3D-модели башни, по предварительным оценкам, составляет около 1 см в единой системе координат.

Твердотельная модель Шуховской башни, построенная по данным 3D сканирования

Лазерное сканирование башни, выполненное в ходе работ, позволило зафиксировать общую геометрию конструкции с высокой точностью и пространственным разрешением. Полученное облако точек является наиболее полной первичной 3D-документацией геометрии башни. 3D-модель башни, которая разрабатывается в результате проекта, вероятно, станет наиболее точной и детальной из существующих моделей.

Цифровая модель, созданная в результате проекта по 3D лазерному сканированию, существенно упрощает доступ к данным о конструкции башни, и позволяет привлечь широкий круг исследователей, в том числе зарубежных, к историческому и техническому анализу. В частности, она позволяет выделить все элементы башни, не отражённые в доступной архивной документации, и таким образом поставить ряд вопросов для дальнейшего исторического исследования.

Твердотельная модель Шуховской башни, фрагмент

Создание цифровых 3D-моделей выдающихся памятников архитектуры, произведений искусства, образцов техники - это мировой тренд. Технологии виртуального наследия (Virtual Heritage), представленные в данной статье на примере 3D-модели Шуховской башни, позволяют сохранить информацию об уникальных объектах для будущих поколений, вносят неоценимый вклад в популяризацию науки и техники.

3D модель Шуховской башни, вид снизу

Авторы благодарят за помощь директора ИИЕТ РАН Ю. М. Батурина, генерального директора МРЦ РТРС К. Т. Кудрявцева, директора ВГТРК О. Б. Добродеева, а также С. Александрова, Е. Н. Ашарина, П. А. Иваницкого, М. Ю. Каневского, Л. Б. Ковалёву, С. И. Котельникова, В. А. Конышева, Д. В. Линовского, И. А. Петропавловскую, Г. Р. Шеляпину.

Авторы: Аникушкин М. Н., Леонов А. В. О первых результатах лазерного сканирования и 3D-моделирования Шуховской башни на Шаболовке (сокращённая версия) // Труды XVIII годичной научной конференции, посвящённой 80-летию ИИЕТ РАН, 17-19 апреля 2012 г., Москва. - 2012. - принята в печать.

Литература

[1]. Петропавловская И. А. Башня радиостанции на Шаболовке // В. Г. Шухов (1853‒ 1939). Искусство конструкции / Пер. с нем. М.: Мир, 1994, с. 92‒103.

[2]. Петропавловская И.А. Шаболовская башня в Москве (1919-2013). (Проекты реконструкции) // Годичная научная конференция, посвященная 120-летию со дня рождения С.И. Вавилова ИИЕТ им. С.И. Вавилова РАН (2011). М.: Изд-во "Янус‒К", 2011, с. 560‒563.

[3]. Шабловская радио-башня системы инж. Шухова. Высота 150 мт. Проект 1919 г. // Архив РАН. Ф. 1508. Оп. 1. Д. 85. Л. 1.

[4]. Сетчатая башня системы Инженера В. Г. Шухова. Высота башни = 150 metr. для безпроволочного телеграфа. Фундамент. 1921 г. // РГАНТД. Ф. 166. Оп. 1. Д. 36. Л. 1.

[5]. Верхнее кольцо 2й секции радио-башни. 1921 г. // РГАНТД. Ф. 166. Оп. 1. Д. 36. Л. 2.

[6]. Обследование металлоконструкций башни системы Шухова Московского телевизионного центра. 1947 г. // Архив ЦНИИПСК им. Мельникова. Шифр 281.

[7]. Определение несущей способности металлоконструкций телебашни системы Шухова и составление заключения о возможности её дальнейшей эксплуатации. 1971 г. // Архив ЦНИИПСК им. Мельникова. Шифр ОРИС-569.

[8]. Металлоконструкции надстройки башни Шухова для крепления антенн УКВ-ЧМ. 1991 г. // Архив ЦНИИПСК им. Мельникова. Шифр 20-Ф 5720-1-КМ.