Проект реконструкции исторического здания с использованием технологий BIM

Stefan Boeykens, Department of Architecture, Urbanism and Planning, университет KU Leuven, Бельгия, Stefan.Boeykens@asro.kuleuven.be

Caroline Himpe, Department of Architecture, Urbanism and Planning, университет KU Leuven, Бельгия

Bob Martens, Faculty of Architecture and Regional Planning, Технический университет Вены (TU Vienna), Австрия

Исторический контекст

Виноградная синагога была расположена в бывшем пражском предместье – небольшом городе Kralovske Vinohrady. В конце XIX века здесь была построена одна из самых больших и красивейших синагог в Европе. В 1945 году здание было сильно разрушено в результате бомбардировок и окончательно снесено в 1951 году.

Морфология объекта

Крупнейшая синагога Праги занимала площадь около 2550 м² и была выполнена в стиле неоренессанс. Две 60-метровые башни визуально разделяли здание на три части: основной неф и двухъярусные крылья здания. В проект было включено не только основное здание, но и прилегающая территория.

Методология

Проектная стратегия включала следующие этапы:

1. Исследовательская работа по сбору проектной документации, изображений, иллюстраций и описаний.
2. Сравнительный анализ проектной документации и фотографий.
3. Определение этажной структуры.
4. Определение структуры слоев.
5. Спецификация использованных материалов.
6. Определение наружной отделки.
7. Спецификация библиотечных элементов и модулей.
8. Архивирование проектных файлов.

Исходные данные

Очень важно определить структуру проекта на основе имеющихся источников еще до этапа создания виртуальной модели. Поэтому большое внимание было уделено первым двум этапам на основе методологии университета KU Leuven по корректному сбору и архивации исходных материалов.

Список всех имеющих ресурсов основан на так называемом метафайле в виде таблицы с ресурсными метаданными. Была разработана удобная для использования и модификации электронная таблица. Подобная гибкость была бы невозможна в жесткой структуре базы данных, т.к. структура менялась на различных проектных этапах. Например, если на одном этапе требуется категоризация ресурсов с учетом хронологической структуры, то на других она смещается в область функциональной или поэтажной структуры. Вместо простого перечня всех возможных материалов в длинном, но неструктурированном списке, таблица в основном построена на фактах и гипотезах с различными уровнями достоверности. Это позволяет, например, присоединять различные части здания или проектные этапы к соответствующим фрагментам текста, планов и эскизов для анализа возможных решений в процессе реконструкции. Таблица является в большей части текстовой, однако содержит прямые ссылки для дальнейших процессов моделирования и визуализации.

Большинство исторических материалов для реконструкции было получено из архивов Пражского еврейского музея.

Рисунок 1. (подробнее) Визуализация модели реконструируемого здания в существующей городской застройке

В процессе реконструкции исполнители столкнулись с избытком графических сущностей и недостатком специализированной информации и надежного фактического материала. Основной целью была идентификация содержимого каждого изображения, их визуальное сравнение на основе определенных характеристик и получение корректных решений для начала процесса виртуальной реконструкции в программной системе. Для простоты обработки и доступа в будущем весь процесс надо было хорошо документировать. Для этого по каждому изображению были определены следующие характеристики (метаданные):

• Тип (план, раздел, фотография, чертеж, вид и т.д.).
• Назначение (документ по определенному факту или виду, часть здания, предложения по дизайну, размещению и т.д.).
• Расположение (основной неф, правая или левая сторона, фасад и т.д.).
• Этаж (–1, 0, 1, 2).
• Дата.
• Год.
• Группа. Определяет группировку определенных изображений, документов.
• Автор.
• Источник.
• Примечания.

Вся информация была собрана в одном файле для хранения, сравнения и анализа содержимого более чем 100 различных файлов с документами и изображениями. Электронная таблица позволяет легко фильтровать и искать данные по любому параметру.

Применение BIM

3D-моделирование

В то время как САПР и обычное ПО для моделирования находят широкое применение для исторического моделирования, исполнители данного проекта намеренно выбрали подход с применением BIM. ПО Graphisoft ArchiCAD имеет ряд функций, отвечающих потребностям геометрического моделирования, администрирования слоев. Это ПО поддерживает гигантскую библиотеку материалов и параметрических объектов, однако это не так важно для проектов реконструкции. ArchiCAD уже показал себя вполне эффективной системой моделирования, при этом необходимо отметить, что последние обновления предоставили еще более мощные и гибкие функции моделирования, которые полностью отсутствовали в предыдущих версиях. Особенно стоит отметить улучшенную поддержку натуральной геометрии (organic geometry) с помощью инструмента Shell Tool, исключительно важного для получения более детальных и точных результатов.

Кроме этого, в проекте была очень полезна функция совместимости с внешним ПО для моделирования и визуализации, таким как MaxonCinema4D.

Другим интересным инструментом являет Renovation Filter. В основном он применяется для актуальных проектов реконструкций, однако также имеет значительный потенциал в случае его дальнейшего развития. В то время, как текущие опции скорее ограниченны – элементу могут быть присвоены только три типа постоянных характеристик (существующий, на снос и новый), – в дальнейшем инструмент может использовать более детальное тегирование, например для отображения различных стадий строительства. В рассматриваемом случае он использовался для передачи различных наборов объектов с различными признаками материалов в общую модель. Объекты могут отображаться или скрываться в соответствии с выбранным Renovation Filter.

В целом, несмотря на то, что ArchiCAD 15 был разработан с ориентацией на удобный пользовательский интерфейс, подходящий и для проектов, отличающихся от текущего строительства, для таких проектов он обладает рядом недостатков и ограничений. Renovation Filter обладает высоким потенциалом, однако слишком ограничен в актуальном функционале. Совместимость с внешним программным обеспечением в отдельных случаях может быть очень полезна для 3D-моделирования, однако она может генерировать полигональную геометрию, слишком сложную для обработки в ArchiCAD, например при создании векторных теней и скрытых линейных видов.

Одной из первоначальных целей проекта было использование таких возможностей BIM, как создание интеллектуальных, параметрических объектов с использованием внутреннего GDL скриптинг-языка ArchiCAD, которые могли быть далее использованы в других подобных реконструкциях, но размер проекта оказался слишком значительным, чтобы использовать более сложные объекты.

Документирование

Возможности BIM по управлению моделью для получения различных результатов – одно из самых больших преимуществ данного подхода. Одна и та же модель может быть использована не только для генерации чертежей и 3D-представлений, но и для создания списков объектов или материалов и соответствующих отфильтрованных представлений. 2D-чертеж может одновременно просматриваться и в 3D-режиме. Пример использования BIM для документирования проекта Виноградной синагоги – настраиваемые покрытия стен, которые применяются без дополнительных затрат на проектирование как для чертежей фасада, так и в 3D-модели.

При возможности тип материала можно было определить непосредственно из фотографий объекта, однако в проекте отсутствовали качественные фотографии здания, поэтому простые геометрические формы были нарисованы через 2D-полигоны и сохранены как векторные штриховки, которые можно было применить к существующим стандартным материалам ArchiCAD для получения дополнительного измерения (рис. 2). На более позднем этапе создания реалистических рендерных изображений такие простые двухмерные изображения с векторными штриховками можно использовать для создания соответствующих карт рельефности (bump maps).

Рисунок 2. Визуализация модели с выключенными настроенными материалами (слева) оригинальной фотографии (справа вверху) и с включенными настроенными материалами во внутреннем 3D-средстве просмотра (справа внизу)

Визуализация

Даже несмотря на то, что использованная в процессе реконструкции методология дает модели фактическую основу, повторяющийся визуальный анализ как часть процесса реконструкции остается постоянным субъектом интерпретации, особенно при отсутствии физических признаков на самом здании. Наиболее осязаемый результат проекта – фотореалистичный рендеринг (визуальное представление). Различные наборы рендеринга создаются для прояснения любых предположений относительно материальной модели. Конечно, такие рендеренги, как правило, создаются для включения образного представления у наблюдателя. Модели с отсутствующими предположениями по визуализации выглядят менее реалистично, при этом цветные модели придают эскизам правдоподобность.

Необходимо отметить наличие в данном проекте ограничений по времени и возможностям технических средств. По-прежнему существуют ограничения визуализации исторических реконструкций, независимо от возможностей человека, создающего изображения. Не существует качественных требований к результатам визуализации. Строительство реализует то лучшее, что в состоянии предложить проектировщик реконструкции, балансирующий между качеством исходных данных и реализмом как основным критерием для большой аудитории.

Рендеринг изображений является легкодоступным способом представления предполагаемого исторического контекста, однако необходимо быть осторожным и не рассматривать интерпретации как факты. Для прояснения подобных предположений можно использовать нефотореалистичные методы или схематические диаграммы.

Все исходные черно-белые фотографии сравнивались с результатами рендеринга для анализа качества освещенности и общей атмосферы в помещениях, как показано на рис. 3.

Рисунок 3. Сравнение исходной фотографии и рендеринга внутреннего пространства

Выводы и заключения

В наше время виртуальная реконструкция не является новинкой – компьютерные технологии предлагают богатые возможности. Ключевой принцип процесса – документирование: жизненно важно корректно архивировать и документировать все ресурсы и решения, использованные в проекте. Если следовать этой методологии, процесс реконструкции остается доступным для анализа со стороны и, при необходимости, интерпретации в будущем. Использование технологии BIM в целом имеет важные преимущества: настраиваемое геометрическое моделирование, администрирование и расположение слоев и т.д. Использование параметрических и адаптируемых объектов в ArchiCAD имеет потенциал для облегчения работы будущих строителей, однако в системе необходимо выполнить ряд настроек для эффективной поддержки процессов исторической реконструкции. Для реализации требований исторической реконструкции проектировщик-реконструктор должен иметь доступ к более удобным пользовательским инструментам для создания настраиваемых объектов, и возможно даже, «облачному сервису» (cloud) для взаимодействия с другими пользователями. Существенное количество объектов в системе являются проектно ориентированными, при этом возможно использование преимущества их параметризации, так чтобы при небольших изменениях их можно было повторно использовать в похожих проектах реконструкции исторических объектов. В настоящий момент большинство библиотек объектов при историческом моделировании создаются исключительно для целей одного проекта. Необходимо расширить имеющиеся техники визуализации до современного уровня технологий и даже более высокого уровня реалистичности (т.е. приближенного к исторической реальности) для широкой аудитории. Фотореалистичные изображения или даже 3D-представления могут удовлетворить ожидания обычного зрителя, однако интерактивные техники визуализации могут воссоздать ощущение цифрового физического окружения гораздо более эффективно. Таким образом, зритель сможет не только изучать предварительно оцифрованные снимки рендеринга, но и самостоятельно исследовать модель.

Литература

1. Boeykens, S., Himpe, C., & Martens, B. (2012). A Case Study of Using BIM in Historical Reconstruction – The Vinohrady synagogue in Prague. In H. Achten, J. Pavlicek, J. Hulin, & D. Matejovska (Eds.), Physical Digitality – Digital Physicality. 30th eCAADe Conference Proceedings (Vol. 1, pp. 729–738). Prague (Czech Republic): eCAADe and CVUT, Faculty of Architecture.
2. Affleck, J. and Kvan Th., 2005, 'Reinterpreting Virtual Heritage', in CAADRIA 2005 Conference Proceedings, New Delhi (India), vol. 1, pp. 169-178.
3. Boeykens, S. & Neuckermans, H., 2009. ‘Architectural design analysis, historicalreconstruction and structured archival using 3D Models’, in T. Tidafi and T. Dorta, eds. Joining Languages, Cultures and Visions, CAAD Futures 2009. Montréal (Canada): LesPresses de l’Université de Montréal, pp. 119-132.
4. Chévrier, C. and Perrin, J.-P., 2009, ‘Generation of Architectural Parametric Components’, in T. Tidafi & T. Dorta, eds. Joining Languages, Cultures and Visions: CAAD Futures. Montréal (Canada): Les Presses de l’Université de Montréal, pp. 105-118.
5. Martens, B. and Peter, H., 2002, 'Developing Systematics Regarding Virtual Reconstruction of Synagogues', in ACADIA 2002 Conference Proceedings, Pomona (USA), pp. 349-356.
6. Martens, B. and Peter, H., 2011, 'Selfrunning Software Access for the Exploration of Virtually Reconstructed Synagogues', in Proceedings of the 11th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality 2011, pp. 90-99.
7. Murphy, M., McGovern, E. and Pavia, S., 2009, ‘Historic building information modeling (HBIM)’, in Structural Survey, 27(4), pp. 311-327.
8. Nicholson-Cole, D., 2000, The GDL Cookbook 3rd ed., Nottingham (UK): Marmalade Graphics.
9. Perkins, N. H., 1992, 'Three questions on the use of photo-realistic simulations as realworld surrogates', in Landscape Urban Planning, 21, pp. 256-267.
10. Tan, B.-K. and Rahaman, H., 2009, 'Virtual heritage: Reality and criticism' , in T. Tidafi & T. Dorta, eds.
11. Joining Languages, Cultures and Visions, CAAD Futures 2009. Montréal (Canada): Les Presses de l’Université de Montréal, pp. 143-156.
12. Tanaka, S., 2009, Wilhelm Stiassny (1842-1910), Synagogenbau, Orientalismus und  jüdische Identität , PhD dissertation, Vienna (Austria).
13. Vandevyvere, H., Neuckermans, H. and De Jonge, K., 2005, ‘Digital historical reconstruction: Case studies of an interdisciplinary task’, in Augmented Heritage, Proceedings of EuropIA 10. Damascus (Syria), pp. 79-93.

Перевод и техническое редактирование выполнены В.В. Ильиным,
экспертом по АСУЗ, otvet@abok.ru.1

¹ Проект стал результатом международного сотрудничества по программе европейского студенческого взаимодействия Erasmus, использовался опыт TU Vienna по реконструкции синагоги в Вене, а также методологические ресурсы KU Leuven.

² Оригинал статьи размещен на сайте https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/350340 .