Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ретроспективный обзор опыта сохранения памятников истории и культуры и развития теоретических основ реставрации 17
1.1. Состояние вопроса. 17
1.2. Исторические примеры зарубежного опыта сохранения и реставрации ПИиК 19
1.3. Российский опыт сохранения и реставрации памятников архитектуры и истории 32
1.4. Проблема подлинности и возможность ее реализации при реставрации 49
1.5. Социально-экономические и научно-технические аспекты сохранения и реставрации недвижимых памятников истории и культуры 56
1.6. Основные понятия и определения 64
1.7. Выводы по главе 1.
Основные задачи исследований. 68
Глава 2. Экосистемные основы сохранения и инженерной реставрации памятников истории и культуры 72
2.1. Общие замечания 72
2.2. Приро дно-техническая экосистем а «объект реставрации - среда» (ЭС «ОРС») 74
2.3. Экосистема «ОРС» как объект управления. Критерии качества 79
2.4. Основные принципы управления инженерной реставрацией ПИиК на основе экосистем ного метода 88
2.5. Выводы по главе 2 93
Глава 3. Экологический мониторинг экосистемы «объект реставрации - среда» 98
3.1. Общие положения " 98
3.2. Основные понятия, задачи и методы экологического мониторинга недвижимых памятников истории и культуры 101
3.3. Инженерно-археологические исследования ЭС«ОРС» 108
3.4. Геотехнический мониторинг экосистемы «объект реставрации среда» 116
3.5. Метод экспертных оценок при решении задач инженерной реставрации ПИиК 129
3.6. Выводы по главе 3 138
Глава 4. Численные методы моделирования, диагностики и прогноза состояния экосистемы «объект реставрации - среда». статический расчет ндс, оценка прочности и устойчивости грунтовых оснований ПИиК 140
4.1. Предварительные замечания 140
4.2. Основные положения численных расчетов несущих конструкций и оснований ПИиК ЭС «ОРС» 142
4.3. Статический расчет МКЭ напряженно-деформированного состояния оснований и несущих конструкций ПИиК ЭС «ОРС» 148
4.3.1. Общие положения 148
4.3.2.. Программа автоматической МКЭ-апироксимации. Алгоритм расчета НДС оснований ПИиК. Оценка точности расчетов 152
4.3.3. Нелинейный расчет грунтовых оснований ПИиК... 165
4.4. Оценка прочности и устойчивости оснований и несущих конструкций ПИиК ЭС «ОРС» 178
4.5. Алгоритмы и программы расчета НДС, прочности и устойчивости оснований ПИиК ЭС «ОРС» в сложных условиях 187
4.6. Выводы по главе 4 192
Глава 5. Динамический расчет напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований ПИиК ЭС «ОРС» 194
5.1. Предварительные замечания 194
5.2. Теоретические основы динамических расчетов 198
5.3. Алгоритмы и программы расчетов на динамические нагрузки 204
5.3.1. Свободные колебания 204
5.3.2. Вынужденные колебания 207
5.4. Оценка воздействия на грунтовые основания ПИиК автомобильных и железнодорожных магистралей 212
5.4.1. Оценка воздействия на грунтовое основание удара колеса о стык рельса железной дороги 212
5.4.2. Расчеты НДС грунтовых оснований ПИиК от воздействия высокоскоростных железнодорожных магистралей 214
5.5. Выводы по главе 5 219
Глава 6. Способ укрепления древних каменных конструкций на основе модифицированных известково-песчаных растворов 220
6.1. Предварительные замечания 220
6.2. Исследования древнерусских строительных растворов 222
6.3. Физико-химические представления консервации и укрепления каменных конструкций 235
6.4. Технология изготовления модифицированных известково-песчаных растворов 242
6.5. Технологические рекомендации по применению модифицированных известково-песчаных растворов 247
6.6. Выводы по главе 6 252
Глава 7. Примеры экосистемного метода инженерной реставрации памятников истории и культуры владимирской области 254
7.1. Современное состояние реставрационной практики во Владимирской области 254
7.2. Систематизированный перечень примеров и основные принципы инженерной реставрации экосистемы «объект реставрации - среда» 262
7.3. Проблемы сохранения памятников в изменяющихся гидрологических условиях на примере г: Суздаля 266
7.4. Оценка воздействия железнодорожной магистрали на грунтовое основание Дмитриевского собора в г. Владимире 273
7 5. Противооползневая защита крепостных стен Спас-Евфимиевского монастыря в г. Суздале 276
7.6. Строительство храма-памятника на месте собора Рождества Богородицы в г. Владимире 284
7.7. Инженерная реставрация сооружений Суздальского Кремля 293
7.8. Инженерно-археологические исследования Георгиевского собора в г. Юрьев-Польском 312
7.9. Реконструкция здания Торговых рядов в г. Владимире 318
7.10. Защита от подтопления здания областного театра кукол в г. Владимире 323
7.11. Выводы по главе 7 325
Заключение 327
Литература 331
- Социально-экономические и научно-технические аспекты сохранения и реставрации недвижимых памятников истории и культуры
- Основные принципы управления инженерной реставрацией ПИиК на основе экосистем ного метода
- Геотехнический мониторинг экосистемы «объект реставрации среда»
- Программа автоматической МКЭ-апироксимации. Алгоритм расчета НДС оснований ПИиК. Оценка точности расчетов
Введение к работе
Актуальность работы. Памятники истории и культуры (ПИиК) - здания-памятники и сооружения, старые кварталы," исторические города и центры -являются национальным достоянием, мировым культурным наследием, средством утверждения вечных ценностей в созданной в результате инженерно-строительной деятельности среде обитания Человека.
Сохранение культурного наследия все более осознается как одна из самых важных проблем, стоящих перед обществом. Памятники прошлого, и в частности произведения архитектуры, призваны противостоять возрастанию приоритета проблем современных нужд над проблемами сохранения национального достояния, возникающими как порочный эффект неспособности находить гуманные, по отношению к национальному достоянию, решения в процессе рационально-индустриального развития. Все это повышает значимость работ по сохранению и реставрации памятников архитектуры и истории. Современные формы и темпы демографического и. экономического развития как никогда ранее угрожают сохранности недвижимых памятников истории и культуры. Одной из причин бюрократического пособничества этому процессу остается неопределенность понятий «памятник истории», «памятник культуры», «памятник архитектуры». Это обстоятельство позволяет периодически пересматривать реестр национального достояния и изменять статус памятников и исторических зданий с целью отказа тратить средства на их ремонт и восстановление.
В научной и специальной литературе понятие «недвижимый памятник истории и культуры» почти не анализировалось. В изданном более 50 лет назад «Положении об охране памятников культуры» определение ПИиК дано в виде простого перечня всевозможных видов зданий и сооружений, из которого можно заключить, что все когда-либо построенные здания и сооружения
должны охраняться. В ряде последующих постановлений и инструкций формулировки отработаны более тщательно, но также не имеют законченного характера. Таким образом, по сей день не выработаны объективные критерии для признания того или иного здания памятником. В то же время хронологический критерий, являющийся общепризнанным среди специалистов, в официальные инструкции не введен. Неясность самого понятия «памятник», а также общественного значения ПИйК обуславливает зачастую и различные ошибки при проводимых реставрационных работах.
Сохранение памятников истории и культуры является одной из важнейших междисциплинарных научных проблем, решение которой относится, прежде всего, к компетенции архитектурно-строительных наук. В ее решении большую роль играют методология, достоверность оценки физического состояния конструкций, материалов зданий и сооружений и среды их размещения, определение причин его изменения, точность прогнозирования остаточного ресурса, обоснованность выбора сценариев управления параметрами состояния на разных стадиях жизненного цикла ПИиК. Зачастую принимаемые решения по текущему содержанию (техническому обслуживанию) и ремонтно-реставрационным работам (РРР) не являются комплексными, не обеспечивают сохранение и восстановление свойств оригинальных материалов, оптимизацию технических решений по усилению конструкций и оснований реставрируемых сооружений, сохранение первоначального архитектурного замысла оригинала, гармонизацию исторического и нового ландшафтов.
Разнообразие причин изменения облика ГГИиК наряду с множеством сочетаний воздействий на конструкции и материалы зданий и сооружений делает попытки создания унифицированных «рецептур» конструктивных решений, приемов и технологий реставрационных работ непродуктивными, а иногда и вредными. История реставрационных работ изобилует свидетельствами противоречий и ошибок, являющихся следствием недооценки либо инженерного, либо архитектурно-художественного аспектов проблемы. Преодоление диа-
лектического противоречия между ними является одной из методологических проблем строительной науки. Становление и развитие научно обоснованных взглядов на сущность и цели инженерной реставрации (ИР) ПИиК напрямую зависят от уровня овладения современными достижениями системологии при разработке, принятии и реализации конструктивно-технологических и организационно-управленческих решений. Отсутствие системного подхода к решению отдельных (локальных) реставрационных задач, хотя и имеет объективную мотивацию аварийным состоянием реставрируемых объектов, зачастую лишь усугубляет противоречия в системе основных принципов сохранения памятников культуры.
Несмотря на то, что проблеме сохранения и реставрации ПИиК во всем мире уделяется огромное внимание, о чем свидетельствует создание специальных программ и органов ЮНЕСКО под эгидой ООН, сложившаяся практика инженерной реставрации ПИиК у нас в стране носит, в основном, фрагментарный характер, недостаточно ориентирована на конечные цели, не имеет системно сформулированных критериев оценки и, в итоге, не обеспечивает оптимальной результативности реставрационно-строительных работ.
Развитие теории и практики сохранения архитектурного наследия в России привело к становлению взгляда на памятники истории и культуры, как на составную часть экологического комплекса. Соответственно, в последние годы получил развитие системотехнический подход к решению проблемы сохранения памятников истории и культуры, основанный на применении понятия «природно-техническая система (ПТС)». Выявление закономерностей взаимодействий антропогенных и природных компонентов ПТС ПИиК на различных уровнях их пространственной организации и на различных стадиях жизненного цикла позволило разрабатывать и реализовывать эффективные сценарии управления их физическим состоянием. Такие сценарии базируются на сочетании традиционных архитектурно- художественных и инженерных методов реставрации конкретных ПИиК и современных высоких технологий. Это об-
стоятельство предопределило пути поиска новых подходов к определению и формулированию целей и задач инженерной реставрации, методов и сценариев ях решения.
Целью диссертационной работы является разработка научной концепции инженерной реставрации и сохранения зданий и сооружений - памятников истории и культуры - на базе экосистемного метода, создание сопутствующего методического и программного аппарата, обеспечивающего комплексную безопасность при оптимальных затратах ресурсов, и практическая реализация новых сценариев управления на основе научно обоснованных системотехнических решений ремонтно-реставрадионных работ в специфических условиях центрально-российского региона.
Методологическую основу исследовании составляют:
современные теории и концепции сохранения архитектурного наследия;
системно-целевой подход к решению комплексных научно-технических проблем;
современные научные основы системологии (системотехники), методы геоинформационных технологий, теории управления, экологии, инженерной геологии, механики грунтов, строительной механики, материа-
" доведения, математического и физического моделирования, включая лабораторные, стендовые и натурные эксперименты;
- методы статистического анализа, в том числе'экспертных оценок, а так
же элементы теории управления рисками.
На защиту представлены:
- научная концепция инженерной реставрации и сохранения ПИиК,
включающая элементы теории и основы инженерных методов расчетов
при проектировании и реализации технических решений по реставрации
ПИиК на базе методологических принципов экосистемного подхода;
концепция и методы решения инженерных задач геоэкологического мониторинга литосферной компоненты объектов архитектурного наследия, как ПТС;
методологические принципы комплексных инженерно-археологических исследований зданий-памятников с учетом их взаимодействий с окружающей средой;
методики математического моделирования, диагностики и прогноза состояний компонентов ПИиК на различных стадиях их жизненного цикла;
методы и способы укрепления древних белокаменных конструкций на основе применения модифицированных известково-песчаных растворов.
Основные научные положения;
Ключом к решению проблемы сохранения объектов культурного наследия является разработка и применение новой научной концепции инженерной реставрации, включающей базовые теоретические положения (элементы теории), методологические основы обследований, программные средства для расчетов при проектировании и систему технических решений при выполнении ремонтно-реставрационных работ на конкретных объектах ПИиК, рассматриваемых в качестве специфических многокомпонентных природно-технических систем (ПТС).
Методология принятия оптимальных решений по реставрации созданных в результате архитектурно-инженерно-строитедьной деятельности Человека при его взаимодействии с Природой ПИиК должна базироваться на основных принципах экосистемного метода, рассматривающего объекты инженерной реставрации по итерационной схеме одновременно на пяти сопряженных иерархических уровнях их пространственной организации: архитектурно-ландшафтный комплекс <-* сооружение *-+ конструкции *-> изделия (соединения) +-> материалы в качестве объектов управления на всех стадиях их жиз-
11 ненного цикла: проект — строительство — эксплуатация - реконструкция (реставрация).
3. В инженерно-строительной практике принятие конкретных решений по
реставрации достаточно осуществлять на трех сопряженных иерархических
уровнях дерева целей управления: локальном (материалы, изделия), объектном
(конструкции, сооружения) и региональном (архитектурный комплекс, ланд
шафт). На каждом из них необходимо учитывать взаимодействия всех компо
нентов ПТС: атмосферы, литосферы, гидросферы, биосферы и техносферы.
4. Основой обеспечения информационной безопасности при принятии
управленческих решений по инженерной реставрации и сохранению памятни
ков истории и культуры является технология многоуровневого мониторинга,
построенная на системе интегрированных показателей и систем прогноза, по
зволяющая сочетать экосистемный и средовой подходы. При последователь
ном решении практических задач инженерной реставрации, осуществляемых
по итерационной схеме на трех сопряженных подуровнях: сооружение, конст
рукция, материал, необходимо определять на каждом из них свои ограничи
тельные функции по условиям обеспечения требований комплексной безопас
ности и устойчивого развития.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана новая научная концепция реставрации ПИиК, включающая элементы теории и инженерные методы экосистемного управления взаимодействием техногенных и природных компонентов ПТС ПИиК при проектировании и реализации конкретных сценариев реставрации и сохранения ПИиК;
впервые введено новое понятие «инженерная реставрация зданий и сооружений - памятников истории и культуры», определены ее основные цели и задачи, обоснованы направления совершенствования существующей практики инженерной реставрации на основе экосистемного
подхода и применения достижений смєїкньіх научных дисциплин, в том числе средств и методов современных информационных технологий;
разработана методика инженерно-археологических исследований и раскрыта сущность нового научного направления «инженерная археология»; впервые в практику реставрационных работ внедрены методы комплексных инженерно-археологических исследований на ряде объектов, в частности по собору Рождества Богородицы в г. Суздале (1994 -1995 гг.), Рождественском соборе в г. Владимире (1997 - 1999 гг.);
разработана комплексная специализированная (проблемно ориентированная) программная система для конечноэлементного анализа и расчета оснований и несущих конструкций объектов реставрации, оценки их прочности, деформативности и устойчивости в сложных условиях, в том числе при динамическом воздействии различных источников, например транспортных средств, и с учетом геометрической и физической нели-нейностей материалов конструкций и грунтов оснований и прилегающих геомассивов;
впервые на уникальных объектах архитектурного наследия Владимирской области созданы и внедрены системы геоэкологического мониторинга ПИиК с использованием численных методов расчетов параметров состояния и прогноза их изменений при различных взаимодействиях, которые дали успешные результаты, в частности, по противооползневой защите сооружений Спас-Ев фимиевского и. Васильевского монастырей в г. Суздале (1994,1995 гг.).
разработаны новые методы укрепления и консервации древних каменных конструкций на основе учета физико-химических связей и научно обоснованных представлений о подлинности ПИиК; впервые эти методы успешно применены на памятниках белокаменного зодчества Владимирской области;
- на основе экосистемного метода создана региональная нормативная база выработки и принятия системно ориентированных конструктивных и организационно-технологических решений (ЄОКОТР) для управления сохранением ПИиК на различных уровнях иерархии пространственной организации ПТС ПИиК: ландшафт - архитектурный ансамбль ~ сооружение - конструкция (грунтовое основание) - материал и на различных стадиях ее жизненного цикла: эксплуатация - исследование -проектирование - инженерная реставрация - эксплуатация. Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработан и применен в практике инженерной реставрации в пределах Золотого Кольца центрально-российского региона комплекс теоретических положений и практических инженерных методов, составляющий новую научную концепцию инженерной реставрации ПИиК и представляющий собой логически и иерархически выстроенный, формализованный методический и программный аппарат для решения широкого круга научно-исследовательских, изыскательских, проектных, производственных и управленческих задач по сохранению недвижимых памятников истории и культуры. Использование результатов исследований создало предпосылки системного подхода к сохранению и инженерной реставрации ПИиК, коренному улучшению дел в реставрационном строительстве за счет повышения технологической и экологической культуры реставрационных работ, качества подготовки высококвалифицированных кадров реставраторов.
Достоверность полученных результатов исследований подтверждается: применением разработанных методов в реальном проектировании и при производстве реставрационных работ на 57 объектах архитектурного наследия, в том числе на семи объектах, включенных в список Всемирного наследия ЮНЕСКО;
хорошей сходимостью результатов исследований, полученных разными методами, экспериментами и практикой, обоснованными прогнозами
оползней и их последствий на примере Спас-Евфимневского монастыря в г. Суздале;
включением основных рекомендаций, вытекающих из приведенного исследования, в краткосрочные и долгосрочные программы сохранения и реставрации памятников архитектуры Владимирской области; широкой публикацией материалов исследований, в том числе в центральных издательствах и апробацией работы на различных уровнях. Апробация работы. Внедрение. Основные положения диссертации докладывались на научной конференции «Проблемы исследования памятников истории, культуры и природы Европейской России» (г. Нижний Новгород, 1995 г.), на Российской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), на международном полевом семинаре по итогам архитектурно-археологического изучения памятников Золотого Кольца России (г. Владимир, 1999 г.), на первом международном научно-практическом симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси» (г. Сергиев Посад, 2000 г.), на научной конференции «Суздальский Спасо-Евфимиевский монастырь в истории и культуре России» (г. Владимир - г. Суздаль, 2002 г.), на втором международном научно-практическом симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси» (г. Сергиев Посад, 2003 г.) и других.
Основные положения и результаты проведенных исследований докладывались и получили признание на 19 международных научно-технических конференциях и симпозиумах, 10 всесоюзных и всероссийских научно-практических конференциях, 8 региональных конференциях.
Результаты исследований, позволившие решать важные научно-технические задачи, использованы при реставрации подлинных архитектурных шедевров, таких как:
- собор Рождества Богородицы в г. Суздале (в списке Всемирного наследия ЮНЕСКО),
Дмитриевский собор в г. Владимире (в списке Всемирного наследия
ЮНЕСКО),
Успенский собор в г. Владимире (в списке Всемирного наследия
ЮНЕСКО),
Покровская церковь Спасо-Преображенского монастыря в г. Муроме,
Георгиевский собор в г. Юрьев-Польском,
Рождественский собор в г. Владимире,
Крепостные стены Спас-Евфимиевского монастыря в г. Суздале (в списке Всемирного наследия ЮНЕСКО),
Сооружения Покровского монастыря в г. Суздале (в списке Всемирного
наследия ЮНЕСКО),
Архиерейские палаты в г. Суздале (в списке Всемирного наследия
ЮНЕСКО),
Собор Бориса и Глеба в с. Кидекша Суздальского района (в списке
Всемирного наследия ЮНЕСКО) и других. Предложенные автором методы и экосистемный подход к инженерной реставрации памятников архитектуры положены в основу целевых региональных программ по сохранению и использованию ПИиК Владимирской области, в частности, «Сохранение памятников белокаменного зодчества», «Реконструкция исторических городов», «Возрождение русской усадьбы», «Возрождение монастырей».
В целом совокупность разработанных и выносимых на защиту положений представляет собой, по мнению автора диссертации, научную концепцию решения важной проблемы сохранения и инженерной реставрации ПИиК на региональном уровне, имеющей большое социально-экономическое и гуманитарное значение.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе пять монографий, авторское свидетельство на программную систему, три патента на изобретения. Разработаны 192 научно-технических проекта инженер-
16 ной реставрации и отчета о научно-исследовательских и научно-праісгических работах.
Личный вклад автора заключается в постановке и решении сформулированных в диссертации проблем и задач в качестве ответственного исполнителя, руководителя научно-исследовательских и научно-проектных работ инженерной реставрации ПИиК Владимирской области и ряда других регионов Центральной России, выполненных в рамках госбюджетных и хоздоговорных работ Владимирским государственным университетом, научно-гфоизводственной фирмой «Поиск», научно-производственной фирмой «Тектоника» в 1990 - 2004 годах. Все представленные на защиту научные положения и выводы по результатам получены автором лично.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 182 наименования. Объем работы составляет всего 477 страниц машинописного текста (347 стр. основного текста), в том числе 64 рисунка, 24 таблицы и 5 приложений (в отдельном томе).
Социально-экономические и научно-технические аспекты сохранения и реставрации недвижимых памятников истории и культуры
Во все исторические эпохи люди возводили монументальные здания и сооружения, рассчитанные на долговременное общественное использование и изначально признаваемые памятниками своей эпохи, в которых в осязаемой форме проявлялись их идеалы, стремления и воззрения. Многие из них продолжают существовать и поныне. Однако современные темпы демографического и экономического развития как никогда ранее угрожают сохранности культурного наследия. Принятое XV Генеральной конференцией ЮНЕСКО 19 ноября 1968 г. решение, «касающееся охраны культурного наследия, находящегося под угрозой уничтожения в связи с осуществлением общественных или частных работ», - красноречивое доказательство озабоченности, вызываемой суровой угрозой, нависшей над нашим культурным наследием [45].
В условиях современного общества по-новому ставятся вопросы сбережения и использования архитектурно-исторических памятников. В настоящее время и в ближайшем будущем государство не в состоянии самостоятельно решить проблему сохранения культурного наследия. Проблема организации использования выделяемых средств при существующей социально-экономической структуре становится еще более острой, так как арендная эксплуатация памятников, как правило, носит потребительский характер, а ре-монтно-реставрационные работы в лучшем случае решают локальные проти-воаварийные проблемы [125]. В то же время, безвозвратная утрата памятников при их бесхозном старении - проблема не только материальной, но и духовно-социальной сферы, о чем уже говорилось выше.
Процесс старения неизбежен, но его можно замедлить или приостановить. А что касается памятника архитектуры, то он может быть «омоложен». Речь идет, конечно же, не о возврате, в смысле времени, памятника к жизни, едва ли это возможно, а о восстановлении его физических элементов, позволяющих сохранить прошлое содержание и продлить его существование для восприятия и понимания будущими поколениями. При этом, безусловно, трудно воссоздать сами условия жизни памятника, так как окружающая среда непрерывно меняется, но на каждом этапе жизни памятника общество должно максимально сохранять эту среду, позволяющую понять социальную сущность возникновения памятника.
Для того чтобы приостановить старение, а тем более омолодить памятники архитектуры и истории, нужны значительные материальные и трудовые затраты. К сожалению, процесс старения памятников постоянно возрастает из-за недостатка средств на их реставрацию, увеличения агрессивности окружающей среды, вызванной урбанизацией общества, а также нравственной его деградацией по отношению к памяти прошлого и культурному наследию. Помимо сугубо экономических причин, пересмотр государственного реестра памятников как национального достояния в сторону его уменьшения есть главный признак нравственной деградации общества, принимающего такое решение. При любых социально-экономических изменениях нравственно здоровое общество будет искать новые формы сохранения существующего национального достояния [73].
В то же время в основе процесса сохранения, восстановления и реставрации памятников архитектуры и истории, по убеждению основателя советского реставрационного дела И.Э.Грабаря, «должен лежать стимул сохранения и спасения первоначальной основы памятника; дошедшей до нас» [27]. Поэтому восстановлению и реставрации памятника должна предшествовать тщательная и всесторонняя диагностика его физического состояния, материального износа и изменений среды его обитания.
Каждый памятник есть материальный документ периода своей прожитой жизни. Неправильное прочтение этого документа влечет к неправильной постановке задачи, которую ставят перед собой реставраторы. А попытки реставраторов к сотворчеству приводят к частичному или полному искажению сущности памятника и созданию камуфляжного макета. Восстановление утраченных объемов памятника в реставрации бывает необходимо, с одной стороны, для того, чтобы не подвергались эрозионному разрушению и перерождению первичные материалы, конструкции и эстетические покрытия отдельных частей памятника, с другой стороны, чтобы изменить отношение общества к памятнику, так как памятники архитектуры и истории должны быть и обязательно будут востребованы. На реставратора ложится нелегкая задача обновленным ликом памятника изменить нездоровое отношение к нему окружающей социальной среды. При этом памятник не просто должен быть восстановлен, он должен найти достойное место в материальной и социальной среде своего обитания. Если социальная среда не"способна понять ценность памятника, то есть не обладает достаточными знаниями по истории культуры и не осознает своей двойной ответственности перед прошлым и будущим, то реставраторы обязаны найти такие решения, чтобы восстанавливаемый памятник, не теряя своей документальности, смог бы вызвать в социальной среде адекватное отношение к необходимости его существования и не подвергнуться далее риску быть снесенным или причисленным к памятникам второстепенного значения, смещаемым с места или заменяемым макетом (реконструкцией) и т.д.
В реставрационном деле существует «опасная болезнь», когда в реставраторе гнездятся неподавляемые «комплексы» художника, архитектора, волевого творца, стремящегося в первую очередь восстановить «экспозиционную» ценность памятника, его доступность обозрению и восприятию со стороны туристов, посетителей музеев и т.д., не заботясь о сохранении документальности самих памятников и сред их обитания. Среди некоторых реставраторов бытует еще мнение, что всякая реставрация должна ориентироваться на авторский замысел. Это утверждение неверно в своей основе, так как, во-первых, авторский замысел не всегда может быть точно установлен, во-вторых, авторский замысел часто меняется в процессе творчества и, в-третьих, потому, что последующие изменения представляют собой естественную и часто очень важную часть жизни памятника архитектуры, которую нет никаких оснований уничтожать.
Реставрация и восстановление, которым подвергаются памятники архитектуры и истории, должны соответствовать точному, индивидуальному диагнозу, а следовательно, не могут совершаться по шаблону, по типовым принципам. Индивидуальный диагноз физического состояния памятника в значительной мере зависит не только от характера нанесенных ему повреждений извне, но и от первоначальной его сущности, а также от истории его существования, от ценности наслоений и изменений, которым они подвергаются и т.д. Изменения могут наносить не только порчу, но и представлять собой определенную ценность, с которой не считаться также бывает нельзя. Тому есть немало классических примеров. Например, в основе существующего ныне в Санкт-Петербурге собора Исаакия Далматского лежат стены церкви Исаакия, построенной в XVIII веке А.Ринальди (1768 г.). А в основе Адмиралтейства (арх. А.Захаров) там же, в Санкт-Петербурге, лежат стены первой постройки Адмиралтейства (арх. И.Коробов). В обоих случаях никогда и ни при каких обстоятельствах идея восстановления прежних построек, т.е. старой церкви Исаакия или коробовского Адмиралтейства не сможет получить реализацию.
Основные принципы управления инженерной реставрацией ПИиК на основе экосистем ного метода
Результатом деятельности Человека является преобразованная Природа (Природа-2 или природно-технические системы). Антропогенные (эгосфера, социосфера и техносфера) и природные (биосфера, гидросфера, литосфера, газосфера и космосфера) компоненты ПТС, взаимодействуя друг с другом, находятся в состоянии неустойчивого динамического равновесия (гомеостаза). Задача заключается в том, чтобы в результате хозяйственной деятельности не допустить опасных необратимых нарушений этого равновесия [158].
Все изложенное предопределяет необходимость рассматривать ПИиК с экосистемных позиций. Сущность экосистемного подхода заключается в представлении объекта реставрации как геотехническдй подсистемы природно-технической системы ЭС «ОРС» в трех аспектах системотехники: структурно-иерархическом, диалектическом и кибернетическом.
Структурно-иерархический аспект предполагает построение на основе декомпозиционного анализа моделей ЭС «ОРС» с выделением соответствугощих структурных подсистем на микро-, мини-, мезо-, макро- и мегауровнях их пространственной организации.
Диалектический аспект означает необходимость рассматривать ЭС «ОРС» в его развитии (техногенезе) на всех стадиях жизненного цикла, включая изыскания и исследования, проектирование, консервацию, реставрацию и эксплуатацию.
Кибернетический аспект предполагает рассмотрение многокомпонентной, многоуровневой, иерархически организованной и диалектически развивающейся ЭС «ОРС» в качестве объекта управления. Иерархию ЭС «ОРС» можно ранжировать, например, по схеме: грунт ос-нования - материалы - конструкции - сооружения - объекты - территориальные комплексы, рассматривая их как элементы хозяйственной и культурной инфраструктуры. Процесс управления инженерной реставрацией ПИиК состоит из определенной последовательности основных процедур: 1. Формализация объекта управления (выявление взаимодействующих компонентов, составление моделей ЭС «ОРС» для соответствующих уровней иерархии). 2. Формирование дерева (матрицы) целей управления. 3. Определение ограничительных функций (допустимых пределов варьирования параметров состояния). 4. Информационное обеспечение и прогнозирование ближайших и отдаленных последствий взаимодействия антропогенных и природных компонентов ЭС «ОРС». 5. Построение функционала управления («ресурсоемкость - продуктив ность»). 6. Разработка и оптимизация сценариев управления (рецептур, конструкций, технологий, режимов эксплуатации). 7. Создание механизмов реализации сценариев управления, включающих обратные связи, препятствующие опасным (неблагоприятным) воздействиям случайных, трудно прогнозируемых природных, или антропогенных потенциальных и массовых сил. Согласно принципу системности, управление ЭС «ОРС» состоит из процедур поэтапного достижения генеральной цели. Для верхних уровней иерархии ПТС такой целью является обеспечение основных прав (на жизнь, на ресурсы) и потребностей (физиологических, биологических, социально-психологических, информационно-эстетических, духовно-этнических и т.п.) Человека и Общества при взаимодействии их с Природой [160]. Цели управления ЭС «ОРС» определяются ее функциями и критериями качества. Генеральной целью управления ЭС «ОРС» является сохранение. Этапность отражает иерархию целей управления (в соответствии с федеральным, региональным, локальным уровнями иерархии систем управления) и стадийность жизненных циклов ЭС «ОРС». На каждой из стадий жизненного цикла управление осуществляется как самостоятельный процесс достижения целей соответствующего уровня иерархии (дерева или матрицы). При разработке сценариев управления и их реализации важное значение имеют подсистемы информационного обеспечения принятия управляющих решений, прогнозирования реакции (отклика) ЭС «ОРС» на управляющие воздействия и подсистема ограничительных функций, определяющих допустимые пределы изменений параметров состояния компонентов ЭС «ОРС» (локальные критерии качества). Требования достаточного разнообразия и необходимой полноты информации для принятия управляющих решений устанавливаются, исходя из фундаментального положения теории систем: размер любой системы должен соответствовать ее функциям. Из него следует основной принцип пространственного квантования (декомпозиции) систем: контрольные поверхности (границы) системы должны однозначно определять области ее гомеостаза, то есть на границах системы должны быть однозначно определены потоки потенциальных и массовых сил. Состояние системы определенного уровня оценивается из предпосылки, что ее взаимодействие с системами более высоких иерархических уровней реализуется в виде потоков потенциальных и массовых сил через поверхности, ограничивающие исследуемую систему (внешняя задача). Взаимодействие с системами более низких уровней выражается в виде их реакции (отклика) на внешнее воздействие в форме изменения соотношений между параметрами механического, термодинамического, экологического или социального равновесия (внутренняя задача).
Соответственно, при исследовании систем следует различать два типа задач: внешние - определение параметров потенциальных и массовых сил на границах (контрольных поверхностях) системы и внутренние - определение параметров равновесного состояния системы (температуры, напряжений, деформаций, плотностей, энтальпий, концентраций и т.п.). Очевидно, что определить (измерить, вычислить) параметры состояния и внешних воздействий можно только в пределах, ограниченных моделью исследуемой системы. Она предопределяет выбор методов и средств измерения, расчет моделей и сценариев управления. Основная цель измерений при испытаниях - идентификация моделей исследуемой системы. Основным методологическим принципом экспериментальных исследований является имитация реального процесса нагружения и регистрация реакции системы на это воздействие.
Геотехнический мониторинг экосистемы «объект реставрации среда»
Традиционные методы сохранения недвижимых памятников культурного наследия предусматривают: комплексные инструментальные исследования памятников по многочисленным факторам физического состояния, как конструкций самих памятников, так и их внешней и внутренней среды; анализ и оценку имеющихся и собранных в результате исследований материалов проектирования, ремонтно-восстановительных, противоаварийных, консервацион-ных и реставрационных работ по существующим нормативам и методикам; осуществление авторского надзора за реализацией проектов с необходимой корректировкой ранее принятых решений. Однако эта схема высокозатратна и не предусматривает изучение динамики деформационных процессов, предшествующих ИР, при производстве работ и в последующий период стабилизации. Отсутствие же сквозного мониторинга деформаций не позволяет оценить качественную сторону проектных решений и их реализации, сделать прогноз по долговечности и надежности проведенных работ и в целом памятника. Вместе с тем множественность факторов, влияющих на состояние экосистемы «объект реставрации - среда», в качестве первостепенной выдвигает задачу их систематизации и выбора небольшого количества доминирующих для данного памятника и данного периода времени. При этом зачастую приходится избегать субъективного преувеличения роли некоторых факторов в зависимости от степени влияния, авторитета и статуса специалистов разных направлений [126].
Экосистемный подход позволяет выделить в качестве косвенного интегрального индикатора состояния памятника изменение его формы (размеры в плане, по высоте, крены, прогибы и т.д.), которое характеризуется пространственным положением отдельных конструкций и их узловых точек, т.е. деформациями. Причем, в первую очередь нас интересуют не деформации, как таковые, т.е. не диагностика деформаций, а диагностика технического состояния памятника через анализ имеющих место деформаций.
Основными элементами окружающей среды, влияющими на устойчивость, стабильность и долговечность сооружений, являются: - инженерно-геологическое строение территории застройки; - гидрологические условия грунтовых массивов оснований во взаимодействии с русловыми процессами рек; - осадочные и эрозионные процессы рельефа застроенных территорий; - эрозионное воздействие воды и газов на материалы конструкций зданий. Эти факторы воздействия окружающей среды на сооружения необходимо рассматривать при их наиболее неблагоприятных сочетаниях в различные периоды развития деформационных процессов и выделять те из них, которые имеют свое продолжение в настоящее время или смогут возобновиться в будущем при тех или иных условиях. Решение указанных задач возможно только при наличии методов комплексного контроля за состоянием объектов через призму деформационных процессов. К таким методам следует отнести: - методы контроля изменений геологического строения; - методы контроля изменений гидрологических условий оснований; - методы контроля за стоком атмосферных осадков; - методы визуально-инструментального и экспертного обследования конструктивной прочности исторических сооружений. Из всего многообразия параметров, характеризующих экосистему «ОРС» и методов технической диагностики ее состояния, необходимо определить минимальный, общедоступный и дешевый комплекс по контролю и анализу доминирующих процессов, воздействующих на памятник архитектуры. Таким комплексом мер контроля и анализа может стать геотехнический мониторинг (ГТМ) деформаций ЭС «ОРС», включающий две взаимосвязанные части: - инструментальные, прежде всего геодезические, наблюдения и их анализ с последующим численным моделированием напряженно-деформированного состояния конструкций и оснований с использованием ЭВМ; - визуально-инструментальные исследования (деформационные съемки и фотофиксация). Изменения в пространственном положении сооружения характеризуются: сдвигами, когда смещения отдельных частей или всего сооружения происходят в горизонтальных плоскостях; осадками, когда перемещения происходят вертикально; деформациями, когда сооружение меняет форму и размеры конструктивных элементов [28, 63]. Эти изменения и оказывают решающую роль в напряженно-деформированном состоянии объекта, его общей устойчивости (прил. 2 [5] ). Основными задачами геодезического контроля оснований и сооружений являются: 1. Контроль вертикальности положения зданий и сооружений. Эта задача успешно решается путем установки геодезических марок на фасадах сооружений и контролем взаимного расположения относительно вертикали и пространственных координат реперов. На рис. 3.5 показаны возможные трансформации положения сооружения вследствие неравномерных осадок основания; 2. Контроль вертикальных координат и реперных точек на сооружениях и склонах холмов, позволяющий установить наличие осадок и закон их распределения под фундаментами сооружений. На рис. 3.6 показаны положения контрольных точек и возможные изменения в основании в течение времени; 3. Контроль горизонтальных координат марок и реперных точек на сооружениях и склонах холмов, позволяющий установить тенденцию сползания склонов и оснований. Здесь следует особо подчеркнуть, что речь идет не о контроле интенсивности поверхностной эрозии почв, а о сползании всего склона и основания. Именно поэтому реперные контрольные точки должны быть конструктивно исполнены так, чтобы можно было фиксировать сползание именно всего массива. На рис. 3.7 показаны возможные смещения контрольных точек. Совершенно очевидно, что установление вертикальных и горизонтальных смещений возможно лишь при проведении периодических высокоточных наблюдений. Тенденции перемещений отдельных марок можно проследить путем построения графиков перемещений. С помощью таких же графиков можно выполнить экстраполяционный прогноз тенденций деформации и смещений оснований и склонов (рис. 3.8). Вследствие того, что объем опытной информации весьма велик, корректная его обработка должна выполняться с помощью ЭВМ по специальным программам. Подробно задачи создания сети геодезического контроля (СГК), методики проведения работ изложены (применительно к конкретным объектам) в работах [28, 56, 62, 63]. Здесь лишь представим в самом общем виде смысловое содержание работ по СГК и их предназначение. СГК создаются в двух случаях: 1. Если деформации оснований и сооружений происходят - в этом случае целью работ является установление тенденций деформирования, прогноз развития ситуации, контроль влияния принятых инженерных мероприятий по предотвращению неблагоприятных тенденций; 2. Если весьма важный объект находится в сложных или меняющихся условиях - в этом случае целью работ являются установление тенденций деформирования и прогноз (в других случаях - оценка) развития ситуации.
Программа автоматической МКЭ-апироксимации. Алгоритм расчета НДС оснований ПИиК. Оценка точности расчетов
Разработанные алгоритмы и программы с использованием линейного конечного элемента (в нашем случае треугольного) предопределяют необходимость реализации «грубых» аппроксимирующих сеток, что объясняется ограниченностью ресурсов ПЭВМ как по объему оперативной памяти, так и по времени расчета. Несмотря на это, как будет показано ниже, для целого ряда случаев (при многовариантных расчетах, учете геометрической и физической нелинейностей, динамических расчетах) применение ЛКЭ оправдано как с методических позиций, так и с точки зрения точности получаемых результатов.
Вместе с тем, повышение точности расчетов при сокращении затрачиваемых ресурсов ЭВМ возможно с применением нелинейного (высокоточного) конечного элемента (ВТКЭ).
Теоретические и методические основы нелинейных конечных элементов достаточно подробно описаны О. Зенкевичем [41]. Здесь отметим лишь то, что разработанные алгоритмы и программы используют изопараметрические КЭ (криволинейные четырехугольные первого, второго и третьего порядка).
Модульная система в составлении программ позволяет использовать при реализации в ВТКЭ ранее разработанные подпрограммы автоматической конечноэлементной аппроксимации. Тексты программ, описание алгоритмов и формальных параметров приведены в работах (прил. 2 [1, 8]).
Одним из основных вопросов функционирования разработанных алгоритмов и программ является оценка точности получаемых результатов. Исследования по оценке точности проводились по трем направлениям: I. Оценка точности расчетов НДС с применением ЛКЭ; П. Оценка точности с использованием ВТКЭ; Ш. Сравнение результатов расчетов с применением ЛКЭ и ВТКЭ. Для оценки точности результатов расчетов с использованием ЛКЭ были рассмотрены тестовые примеры для плоского деформированного состояния, когда в качестве конструкции принималась длинная пластина в условиях цилиндрического изгиба. Вместе с тем при расчете оснований появляются характерные особенности, связанные с геометрией исследуемой области, формированием граничных условий, определением их расположения, тем более что в практике неизбежно возникает необходимость выполнения расчета при различных сочетаниях этих параметров. Таким образом, оценка точности расчетов и устойчивости вычислительных процессов с использованием разработанной программы при изменении геометрических характеристик, граничных условий аппроксимирующей сетки и т.д. приобретает в реальных задачах первостепенную роль. Поэтому есть необходимость более детального исследования точности расчетов с применением ППП «КЭРОН». В рамках настоящей работы приведем анализ сравнения вычислительных результатов расчета НДС основания ПИиК на склоне при изменении основных геометрических параметров с полученными аналитическими методами. Расчетная схема контрольного примера приведена на рис. 4.6. В качестве аналитических аналогов принимаем следующие расчетные схемы: - вертикальная равномерно распределенная нагрузка по поверхности полупространства; - вертикальная равномерно распределенная нагрузка, приложенная к поверхности слоя, подстилаемого жестким основанием. Данные сравнительного анализа с аналитическими аналогами представлены в табл. 4.1. Приведенные в этой таблице результаты расчетов показывают, что точность снижается при уменьшении глубины расположения границы расчетной области (при глубине, равной половине ширины - 0,5 В - полосовой равномерно распределенной нагрузки), отклонения от аналитического расчета находятся в пределах 1-10 % в зависимости от положения расчетного сечения: чем ближе к выделяемой границе основания, тем больше отклонения. При расположении граничных условий на глубине 2,5 В (см, рис. 4.6) отклонения напряжений иу не превышают 1-2% по всем сечениям, кроме расположенных на границе основания. В то же время значения сжимающих напряжений по горизонтальным площадкам при увеличении глубины расчетной области основания приближаются к значениям, вычисленным по расчетной схеме упругого полупространства. Изменение высоты откоса (вплоть до min Н — 0) при неизменной глубине границы основания незначительно влияет на результаты расчета (в пределах 1%), что говорит о его достаточной устойчивости. Увеличение числа узлов АС (рассматривались варианты при N = 170, 230, 250) практически не влияет на результаты (отклонения в пределах 0,1%), что говорит о достаточной густоте сетки. Вместе с тем, при изменении положения границ расчетной области по горизонтали точность расчета снижается. Так, при увеличении размера d до 20/7 В (см, рис. 4.6) расхождения в результатах достигают 5%, что объясняется усилением влияния неточного определения центров тяжести топологических четырехугольников, для которых вычисляются значения напряжений при обработке результатов. Сравнение значений сжимаемых напряжений по оси нагрузки Таким образом, при применении ЛКЭ достаточная точность получаемых результатов обеспечивается при следующих условиях: - граничные условия исследуемой зоны основания должны располагаться; по вертикали (А) в пределах (1,5 - 3,5) В; по горизонтали (d) в пределах (0,5 -- 1,5) В (рис. 4.6), где В - длина полосы равномерно распределенной нагрузки; - выделение достаточно компактной зоны основания позволяет ограничиться относительно грубой аппроксимирующей сеткой (170, 250 узлов). Как уже отмечалось ранее, одной из основных целей применения ВТКЭ является повышение точности расчетов при сокращении затрачиваемых ресурсов ЭВМ. Для иллюстрации данного утверждения и проверки разработанной программы был рассмотрен тестовый пример, в качестве которого для плоского деформированного состояния может быть принята длинная пластинка, работающая в условиях цилиндрического изгиба, для которой известны аналитические выражения для перемещений и напряжений. Данные сравнительного анализа результатов расчета с использованием ВТКЭ с различными сетками приведены в табл. 4.2. Они свидетельствуют о достаточной точности расчетов, причем точность возрастает с увеличением порядка КЭ.
