Применение макетов в проектировании

Итак, трехмерное видение проектируемого объекта через его плоские проекции было делом весьма сложным, особенно когда требовалось это видение передать другим. Существенную помощь в этой работе, а именно – облегчение трехмерного восприятия здания, оказывали макеты - выполненные в масштабе картонные, деревянные или сделанные из иных материалов уменьшенные копии проектируемых сооружений. Это были принципиально новые средства трехмерного представления проектируемого объекта. Выполненные подчас с ювелирным изяществом, макеты практически всегда производили на публику неизгладимое впечатление своей миниатюрной красотой и доходчивостью, давая возможность человеку «заглянуть в будущее».

Доходило до того, что серьезные проекты на высочайшее утверждение без макета вообще не представлялись. Но долгое время функции этих макетов были в основном визуально-информативными, представляющими внешний вид здания, а также компоновку комплекса зданий или микрорайона. Сами макеты при всем мастерстве их авторов изготавливались с высокой степенью условностии были, да и сейчас являются, даже после привлечения к их выполнению различных компьютерных технологий, делом весьма трудоемким. Даже появилась новая специальность – макетировщик, которая благополучно дожила и до наших дней.

Примерно с середины XVIII века макеты расширили свое применение – не только для передачи в объеме проектных замыслов архитекторов, но и в качестве инженерных моделей для расчетов и испытаний. Например, известный русский изобретатель Иван Кулибин успешно использовал деревянные макеты различных конструкций для установления характера имевшихся в них связей. Его подход в конструкторском макетировании был прост, как все гениальное - он заменял в модели исследуемой конструкции отдельную палочку нитью и смотрел, что получится. Если нить провисала – связь работала на сжатие, если натягивалась – на растяжение. Этот метод, получивший в дальнейшем название «палочно-веревочного треугольника», лег в основу проектирования многих мостовых и арочных конструкций того времени. В частности, Иван Кулибин помог таким способом англичанам спроектировать мост в Лондоне (он был построен), а также рассчитал беспрецедентный по своим размерам одноарочный мост через Неву в Санкт-Петербурге. К сожалению, несмотря на успешные испытания модели, последний проект так и не был реализован (рис. 2).

Рис. 1. Иван Кулибин. Проект одноарочного 300-метрового моста через Неву. Модель была изготовлена и испытана в 1772 году.

Не будет преувеличением сказать, Иван Кулибин был одним из тех, кто своими опытами предвосхитил появление информационного моделирования зданий, наглядно показав, что важна не просто геометрия объекта, а информация о его свойствах, и эта информация может содержаться в модели и при необходимости извлекаться из нее. В наши дни возможности инженерных расчетов продвинулись далеко вперед. Однако макеты особо значимых мостов и сооружений, зданий и целых микрорайонов периодически проходят испытания в «естественных» условиях, например, продуваются в аэродинамических трубах. И пример «танцующего» моста в Волгограде в 2010 году показал, что современные технологии и методики расчетов предусматривают еще не все, так что от макетирования и стендового аэродинамического исследования особо важных сооружений отказываться пока рано.

В наше время изготовление макетов для аэродинамических исследований – это целая область деятельности, требующая специального технологического подхода. В частности, в современных исследовательских макетах должны масштабироваться не только геометрические размеры, но и веса и прочностные характеристики составных элементов. Макеты также снабжаются специальными датчиками, способными замерять (и передавать на компьютер) точные значения давления на модель и другие параметры аэродинамического воздействия. Забегая вперед, можно назвать такие макеты «информационными». Но по своей сути это - те же опыты Ивана Кулибина, только на более высоком, современном уровне развития науки и техники (рис. 2).

Рис. 2. Продувка макета высотных зданий в аэродинамической трубе. Вверху – общий вид моделей и экспериментального стенда (слева) и модели высотных зданий с установленными в них датчиками для измерения ветрового давления (справа). Внизу - визуализация воздушных потоков (слева) и эпюры распределения коэффициентов давления по поверхности зданий (справа) при юго-восточном направлении ветра. НГТУ, Кафедра аэрогидродинамики, 2008.

Значение макетирования в проектной деятельности стало настолько велико, что до сих пор почти во всех странах мира ни один из по-настоящему крупных проектов без макета не утверждается. А некоторые богатые заказчики (в основном из арабских стран) даже оговаривают в задании на проектирование макетирование отдельных частей здания в натуральную величину. В наше время в мире широко применяется и практика полноразмерного макетирования внутренних помещений здания. В частности, в США полноразмерное интерьерное макетирование используется при проектировании особенно значимых государственных объектов, поскольку в этой стране внешней представительности власти всегда придают особое значение. Например, таким способом в обязательном порядке проверяют правильность внутренней организации залов судебных заседаний, когда будущие участники процессов (в первую очередь федеральные судьи) оценивают комплексное воздействие интерьера зала на людскую аудиторию.

Архитектурная эндоскопия

Еще одним направлением использования макетов в проектировании стала архитектурная эндоскопия, впервые появившаяся во Франции в середине ХХ века и получившая затем широкое распространение в Европе и США. Эта сравнительно молодая технология моделирования восприятия человеком проектируемого или уже существующего объекта (чаще всего – здания в сложившейся застройке) связана с применением медицинских эндоскопов для просмотра мелкомасштабных архитектурных макетов. Усовершенствованные для этих задач и лишенные медицинских функций эндоскопы (названные борескопами) позволяют получать изображения макета с различных, в том числе очень близко расположенных к нему, точек зрения. Фактически речь идет об имитации на основе обычного макета восприятия человеком полномасштабной модели здания или целого квартала, причем не только статического, но и динамического (для этого делалось много кадров с небольшим смещением точки зрения либо к передвигаемому борескопу присоединялась кинокамера) (рис. 3).

Рис. 3. Эндоскопические установки, изготовленные в СССР в 1980-х годах.

Дальнейшее совершенствование эндоскопических комплексов, расширяющее возможности исследования макетов (мелкомасштабных физических моделей) и повышающее удобство работы с ними, привело к использованию многих новых технических решений, в том числе разработанных в промышленности для станков с числовым программным управлением (ЧПУ). В частности, это позволило автоматизировать перемещения борескопа по макетам с заданной скоростью и возможностью повторения заданной траектории, а также отслеживать при таком перемещении рельеф местности. К сожалению, в нашей стране архитектурная эндоскопия до сих пор не получила по настоящему широкого развития, хотя современные технические средства, а также компьютерные технологии (которые здесь также находят применение), в том числе и быстрого прототипирования, резко расширяют ее возможности.