В статье приведены результаты архитектурно-строительного обследования здания церкви Успения Пресвятой Богородицы в городе Чердынь Пермского края, образца провинциальной барочной архитектуры конца XVIII века. Обследование проведено с применением технологии наземного лазерного сканирования с целью получения исходных данных для проекта реконструкции колокольни и реставрации церкви. Изложены результаты документального анализа, изучены историко-архивные, эксплуатационные и другие документы.
С.В. Максимова, И.А. Чеклецова, А.А. Шамарина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия.
- С помощью облака точек построена трехмерная модель здания, на основании которой уточнены архитектурно-планировочные параметры здания. Представлена визуализация в формате RCP (Recap), результаты поверочных расчетов конструкций притвора, 2D-чертежи для разработки проекта реконструкции колокольни и реставрации церкви.
- Богатство севера Пермского края составляет архитектура Чердынского района, где Чердынь с ее исторической планировкой, каменными и деревянными церквями и колокольнями, занимает особенное место. Сохранение памятников архитектуры Чердыни –один из важнейших факторов развития культурно-познавательного туризма в городе, основа его качественного преобразования и устойчивого развития.
- В числе объектов, входящих в перечень культурного наследия регионального значения Чердыни, находится церковь Успения Пресвятой Богородицы (Успенская) культовое здание XVIII века, памятник архитектуры и градостроительства регионального значения. В настоящее время в планах муниципальных властей возвращение Успенской церкви ее первоначального облика. Архитектурно-строительное обследование, результаты которого представлены в данной статье, выполнялось с целью получения исходных данных для разработки в дальнейшем проектов реконструкции и реставрации здания. В ходе работы проводились: документальный анализ, цифровое обследование методом наземного лазерного сканирования, инструментальное обследование и диагностика неразрушающими методами контроля, поверочные расчеты строительных конструкций.
- Документальный анализ включал историко-архивные, библиографические исследования церкви для получения исчерпывающих сведений об основных этапах жизненного цикла здания с момента его постройки до настоящего времени, что является надежной основой для оценки его текущего состояния, дальнейшего мониторинга и планирования мероприятий по его сохранению. Анализ сохранившихся исторических и эксплуатационных документов проводился в Городском архиве Чердыни, Чердынском краеведческом музее имени А.С.Пушкина, Государственном архиве Пермского края, в архиве автономного учреждения «Комплекс по сохранению историко-культурного наследия и охраны памятников» (КСИКНОП) города Чердыни.
- Цифровое обследование объекта проведено с целью построения трехмерной текстурированной модели здания, оформлению на ее основе двумерных чертежей –планов, разрезов, фасадов и т.д., а также для проведения поверочных расчетов конструкций. Для получения сканов архитектурного объекта с последующей сшивкой в трехмерную модель был использован метод наземного лазерного сканирования. Преимущества применения лазерного сканирования в архитектурном обследовании известны благодаря точности получаемых измерений, быстроте исполнения, возможности детально отснять сложные или труднодоступные архитектурные элементы. Пост-обработка съемки с помощью постоянно совершенствующихся программных продуктов позволяет получить большой объем данных как с точки зрения разнообразных линейных размеров, так и с точки зрения объемно-пространственных, композиционных характеристик объекта. Кроме того, наземное лазерное сканирование дает возможность производить работы и на малозастроенной местности, и на территориях с высокой плотностью застройки. Технология позволяет параллельно проводить мониторинг при строительстве, проектировании и эксплуатации здания.
- Благодаря высокой скорости выполнения работ, точности и объему получаемой информации лазерное сканирование получило широкое распространение в практике исследования объектов историко-архитектурного и культурного наследия. С помощью лазерного сканирования были задокументированы фасады театра драмы города Якутска и наскальные рисунки в Якутии [3], церкви Александра Невского и Рождества Христова в Челябинске, здание Челябинской ГРЭС в Юрюзани [9], Дом Мешкова в Перми [1], храм Александра Невского в Новосибирске (Новониколаевске) [11]. Метод наземного лазерного сканирования активно использовался при обследовании и разработке программ реставрации крепостей Сан-Лоренцо и Портобелло в Панаме (Fort of San Lorenzo of the Chagres, Fortresses Portobello, Panama), церкви Рождества Христова в Вифлееме (Jerusalem Basilica of the Nativity, Bethlehem, Palestine) [10]. Лазерное сканирование применялось авторами при выполнении проекта реставрации Доходного дома М.М.Барановой в г.Перми [13], памятников архитектуры города Усолье Пермского края [15].
Историко-архитектурный анализ
- Церковь Успения Пресвятой Богородицы появилась в Чердыни в начале XVIIвека. Первоначально она была деревянной и входила в состав женского монастыря, который был закрыт в 1764году. Новая каменная церковь, дошедшая до наших дней, была воссоздана после пожара в 1784году. Колокольня с притвором были пристроены к зданию позднее, в 1845-1856годах, а в 1884 году реконструированы.
- В 1930-х годах глава с восьмериком и колокольня были разрушены. Существующие в здании фрески с евангельскими сюжетами и орнаментальными мотивами замазали известью и краской (к счастью, они сохранились под отделкой и были открыты в 2000году). В начале 1960-х годов здание было передано Чердынскому краеведческому музею и с 1976 года до настоящего времени в нем функционируют архив и библиотека музея. В 2000 году церковь Успения была включена в перечень объектов культурного наследия регионального значения. Сейчас в ней расположен Музей истории православной веры. В 2001году произведена масштабная реставрация интерьеров церкви. В 2005 году частично реконструирована кровля, восстановлен восьмерик и глава храма. Исторические трансформации храма представлены на рис.1.
- Успенская церковь имеет традиционное для православных храмов архитектурно-планировочное решение: двухэтажный храм «кораблем» с последовательно расположенными помещениями: притвор, трапезная, храм, алтарь. Объемно-планировочное решение также традиционно: квадратный четверик, восьмерик, пятигранная апсида. Храмовая часть увенчана единственной главой. Поднимаясь на два яруса от верха притвора, колокольня со звонницей заканчивалась низким восьмериком, который венчал высокий шпиль. Высота колокольни от уровня пола первого этажа здания, согласно исследованию и проекту восстановления, разработанному Карапетяном по архивным чертежам, составляла 37,738 метров [14]. Перекрытия сомкнутые своды, соединенные широкими приподнятыми арками. Свод над притвором был разобран в 1930 году.
- Архитектура Успенской церкви примечательна тем, что в ней сочетаются элементы русского провинциального барокко (трапезная, храмовая часть, апсида) и позднего классицизма (притвор) [4,5]. Утраченная колокольня, как и притвор, была построена в стиле позднего классицизма [8,12]. В архитектуре окон апсиды (колонки с капителями) угадываются элементы, присущие «московскому барокко». Волюты и «жучковый орнамент», характерный для Строгановского барокко, и напоминающий об архитектуре Палат Строгановых в Усолье, дополняют убранство окон. Законченность фасаду придает отделка карнизов и зубчатый пояс по периметру из лекального кирпича. Внутреннее убранство храма составляют фрески на евангельские сюжеты в арках и сводах нижнего яруса. Пилястры с каннелюрами и карнизы использованы в декоре второго этажа.
- Конструктивная система здания церкви Успения Пресвятой Богородицы – стеновая, с продольными наружными и поперечными внутренними несущими стенами. Верхний этаж храмовой части двусветный. Фундаменты –бутовые, ленточные, глубокого заложения. Отмостка отсутствует. Стены кирпичные, из большемерного кирпича; элементы декора –из лекального кирпича. Наружная отделка –побелка известью. Внутренняя отделка –штукатурка, побелка. Частично сохранились настенные росписи на евангельские сюжеты, орнаментальная живопись. Перекрытия: трапезной, храмовой части –сомкнутый кирпичный свод, алтаря –граненый полусомкнутый кирпичный свод;притвора –плоское деревянное перекрытие. Лестница притвора деревянная, лестница, ведущая на колокольню, находится в стене притвора и трапезной. Крыша: трапезной и притвора двускатная, по деревянным стропилам; храмовой части –четырехскатная, по деревянным стропилам; алтарной части – пятискатная, по деревянным стропилам; обрешетка –деревянная; кровля –оцинкованная.
- Рис. 1. Исторические трансформации Церкви Успения Пресвятой Богородицы: а) общий вид (съемка начала XX века); б) южный фасад (дата съемки: 1995 г.); в) вид с юго-востока (дата съемки: август 2000 г.); г) вид с юго-запада. Восстановление восьмерика и главки (дата съемки –июль 2005 г.); д) вид с северо-запада. Современное состояние (дата съемки: июль 2018 г.)
Цифровое обследование
- Работы по цифровому обследованию здания церкви Успения Пресвятой Богородицы методом наземного лазерного сканирования проводились в июле 2018года сканером Leica SS C10.
- После анализа ландшафта и градостроительной ситуации было определено местоположение 39 точек стояния рабочих станций (рис.2а), что позволило получить облако точек с необходимыми пространственно-геометрическими характеристиками. Обработка и сшивка сканов в трехмерную модель проводилась в программе Leica Cyclone. Далее файл облака точек экспортированный в формате PTX из Leica Cyclone, был сконвертирован в формат RCP и далее в AutoCAD. Формат DWG использовался для последующей работы по извлечению геометрии облака и созданию 2D векторной графики на его основе [13].
- Программное обеспечение Autodesk Recap включает в себя эффективные инструменты визуального представления и обработки облака точек, позволяет менять плотность облака, параметры освещенности, цветовую схему стилизации (рис.2б,2в). Так, например, программа дает возможность получить фотореалистичные изображения со всех точек стояния сканера. Эти виды получаются наложением высококачественных фотографий на облако точек, что в сочетании с удобной навигацией дает возможность детального изучения, измерения, аннотирования архитектурных элементов здания (рис.2г), анализа монументально-декоративной росписи в нем (рис. 2д).
Рис. 2. Визуальное представление точечной модели в Autodesk Recap: а) карта точек стояния сканера; б) общий вид точечной модели; в) подрезка облака при помощи инструмента Limit Box; г) фотореалистичное изображение храма с нанесенными размерами и примечаниями; д) фотореалистичное изображение сохранившейся фрески «Страшный суд»
- Для графического анализа планов церкви в программе AutoCAD произведено извлечение 2D-геометрии сегментированного облака точек. Последовательность операций показана на рис.3. Сначала выполнена прямоугольная подрезка облака для отображения ограниченного фрагмента, после чего произведено его рассечение и извлечение геометрии отсеченного сегмента точечной модели. Данная методика была успешно применена при выполнении проекта реставрации «Доходного дома М.М.Барановой» [13].
Рис. 3. Извлечение 2D-геометрии облака точек: а) подрезка облака точек; б) поворот подрезанного облака; в) сечение первого этажа; г) извлечение геометрии отсеченного сегмента
- Поэтажные планы церкви, полученные в ходе сканирования, сравнивались с планами из проекта восстановления колокольни [14], которые на сегодняшний день являются как наиболее «свежими», так и единственными официальными документами, используемыми для реставрационных работ (рис. 4, 5).
- Горизонтальное сечение, выполненное в результате графической доработки аппаратно-извлеченной геометрии сечения облака точек, позволило уточнить как угловые, таки все линейные размеры в комплексе. При сравнении старых и новых планов обнаружены расхождения общих габаритов здания на 905 мм по крайним осям, размеров отдельных архитектурных элементов, простенков, в расположении и геометрии оконных проемов.
Рис. 4. План первого этажа здания из Проекта восстановления колокольни [14]
Рис.5. План первого этажа здания, полученный из точечной модели
Инструментальное обследование
- Полученные в ходе цифрового исследования точные геометрические характеристики здания были дополнены параметрами, полученными при помощи визуального анализа состояния конструкций и анализа поверхностной прочности несущих кирпичных стен и сводов методом неразрушающего контроля при помощи прибора ИПС-МГ4.
- Оценка технического состояния конструкций здания – фундаментов, стен, крыши –проводилась по визуальным признакам3. На основании совокупных данных определялась фактическая прочность кирпичной кладки наружных и внутренних стен здания для проведения поверочного расчета прочности несущих стен при увеличении расчетной нагрузки в связи с планируемой надстройкой колокольни.
- Фасад церкви в месте примыкания притвора к трапезной имеет трещины (рис. 6а). Так как притвор с колокольней пристраивались к основному зданию в более позднее время, перевязки кладки между трапезной и притвором нет. Это означает, что фактически между ними существует деформационный шов. Раскрытие трещины по штукатурке в месте деформационного шва сверху и затухание трещины книзу свидетельствует о неравномерной деформации грунта основания в двух частях здания, при этом характер трещины позволяет предположить, что осадку испытывает храм, который оседает с восточной стороны (со стороны апсиды, вниз по склону), тогда как притвор остается на месте.
- Неорганизованный водосток, отсутствие отмостки и организации поверхностного стока с территории являются причинами увлажненного состояния цоколя и локального разрушения штукатурки, кирпичной кладки, коррозии металлических элементов (рис.6б-д). Периодическое увлажнение наружных стен способствует развитию биологической коррозии материала стен, настенной живописи внутри здания.
- Измеренная при помощи прибора ИПС-МГ4 прочность кирпича стен притвора составляет 12,3-13,9 мПа, что соответствует марке М100. Прочность стен трапезной и храма составляет 9,4 11,1 мПа, что соответствует марке М75. Прочность кирпича верхней части здания (сводов и стен внутри крыши) составляет 13,8-15,6 мПа, что соответствует марке М125. Прочность раствора стен составляет 3,0-4,0 мПа, что соответствует марке М25.
- Для установления реальных размеров и материала фундаментов, определения типа грунта основания было выполнено три шурфа у стен притвора церкви. При осмотре фундаментов в шурфах выявлено, что материал фундаментов трапезной и притвора – кладка из плитчатого бута, материал бутового камня – известняк.
- Установлено, что фундамент притвора выполнен с уширением в основании, что объясняется тем, что притвор строился вместе с колокольней, и такая конструкция обеспечивала бо́льшую устойчивость фундамента в грунте и меньшее напряжение под подошвой. Толщина верхней части фундамента, на которую опираются стены, составляет около 1,5 м. Высота верхней части от уровня цоколя – 0,7 м. Уширение фундамента составляет 1м в каждую сторону. Таким образом, ширина подошвы фундамента составляет 3,5 м. Между верхней частью фундамента и уширенной существует перевязка блоков в горизонтальном направлении. Высота уширенной части составляет 1,25м. Глубина заложения фундамента от уровня низа цоколя составляет 1,95 м. Фундаменты притвора и трапезной выполнены вплотную, но без перевязки кладки. Трещин по стыку фундаментов не обнаружено. Визуально в основании фундамента определяется тяжелая супесь –песок, приблизительно на 1520% перемешанный с глинистыми частицами, на уровне уширенной подошвы –мелкие пески. Грунтовые воды при шурфовании не обнаружены.
- Состояние всех деревянных конструкций крыши –работоспособное. Следы гниения отсутствуют. Некоторые стропила имеют трещины, вызванные естественной усушкой материала за период эксплуатации, не влияющие на несущую способность конструкций.
- Состояние металлических соединительных элементов –скоб, гвоздей –работоспособное, хотя следы коррозии присутствуют, в том числе, на отдельных элементах металлической конструкции главки. Во внутренних пространствах крыш над трапезной и над четвериком храма своды кирпичные. Свод над притвором демонтирован.
- Результаты проведенных исследований свидетельствуют о незначительном снижении несущей способности и долговечности конструкций церкви и,в соответствии с ГОСТ ГОСТ Р 55567-2013, техническое состояние фундаментов, стен здания и деревянных конструкций крыши признано работоспособным, что подтверждает целесообразность восстановления колокольни.
Рис. 6. Фотофиксация дефектов и повреждений (фото автора): а) трещина между притвором и трапезной; б) сквозная коррозия стальной двери в подвал; в) замачивание штукатурки и кирпичной кладки, разрушение штукатурного слоя; г) замачивание штукатурки и кирпичной кладки в уровне первого этажа, водоотвод не организован; д) разрушение кирпичной кладки цоколя, отсутствие отмостки
Поверочные расчеты строительных конструкций
- На основании проведенных исследований были проведены поверочные инженерно-технические расчеты конструкций притвора на нагрузку, возникающую при восстановлении утраченной колокольни. Поскольку между притвором и трапезной существует деформационный шов, нагрузку от восстановленной колокольни будут воспринимать только конструкции притвора. Поверочные расчеты касались кирпичных стен притвора и оснований фундаментов под притвором. Целью расчетов являлось определение возможности надстройки колокольни на существующие конструкции.
- Нагрузка от колокольни принята на основании геометрических размеров колокольни, материалов конструкций и оснащения звонницы, приведенных в эскизном проекте восстановления колокольни Успенской церкви [14]. Геометрические размеры стен притвора приняты фактические, по результатам лазерного сканирования здания. Грунты основания приняты на основе данных, полученных при освидетельствовании грунтов и фундаментов в шурфах, физико-механические свойства уточнены по данным инженерно-геологических изысканий 2014 года.
- Расчет кирпичных стен притвора выполнен в приложении к программному комплексу SCAD Office «Камин», версия 21.1.1.1. Фундаменты и грунты основания проверялись в расчетной программе «Фундамент», версия 13.3.
- По результатам поверочных расчетов установлено, что несущая способность кирпичных стен притвора на полную расчетную нагрузку с учетом восстановления колокольни обеспечена. Запас несущей способности составляет 56,5%. Несущая способность грунтов основания на полную расчетную нагрузку также обеспечена. Запас несущей способности составляет 72%. Таким образом, механическая безопасность здания после надстройки колокольни обеспечивается.
- Проведенное архитектурно-строительное обследование позволило зафиксировать текущее состояние Успенской церкви в Чердыни, скорректировать и дополнить сведения, содержащиеся в архивных и эксплуатационных документах, подготовить исходные данные для проекта восстановления колокольни и реконструкции здания в целом. Созданная трехмерная точечная модель в дальнейшем ложится в основу цифровой базы данных об исследуемом объекте и будет использована в качестве подосновы для информационного моделирования реконструируемой колокольни храма в Autodesk Revit. Детальная, качественная исходная информация об объекте исследования в виде облачной модели позволит выполнить точные построения информационной модели здания.
- Накопление подобной информации и формирование баз данных, является прочным фундаментом для мониторинга состояния объектов историко-культурного наследия и разработки своевременных мероприятий по их консервации и реставрации, особенно для исторических объектов, находящихся в отдаленных районах России.