Гиперболоид инженера Шухова

Андрей Леонов: «Конкретная методика сборки башни – это очень интересные вопросы для исследования!» Фото автора

Скажи – «Париж», и немедленно в голове всплывает образ Эйфелевой башни. Даже если ты никогда не был в столице Франции. Это и называется – символ. В Москве тоже есть такой символ – помимо Кремля, конечно, – который многие десятилетия ассоциировался не только с нашей столицей, но и со всей страной, – Шуховская башня. Ее «гипюровая» конструкция сегодня буквально висит на волоске: в мае должно быть принято окончательное решение о дальнейшей судьбе этого замечательного памятника науки и техники. И истории тоже. Построенная в 1919–1922 годах как радиовещательная вышка для Коминтерна, она ни разу капитально не реставрировалась. Но парадокс в том, что реставрация в том виде, в котором ее предлагается провести, скорее всего приведет к потере аутентичности этого исторического объекта. Впрочем, представление об аутентичном, «шуховском» виде башни теперь уже зафиксировано максимально полно – с помощью виртуальной трехмерной модели, созданной специалистами Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН. Об истории создания этой 3D-модели, об особенностях конструкции Шуховской башни с ответственным редактором «НГ-науки» Андреем ВАГАНОВЫМ беседует руководитель Центра виртуальной истории науки и техники ИИЕТ им. С.И. Вавилова РАН, кандидат физико-математических наук Андрей ЛЕОНОВ.

– Андрей Владимирович, первый вопрос не столько о виртуальной модели башни Шухова, но о самой башне как памятнике истории науки и техники. Насколько уникальна сама по себе эта конструкция? Шуховская башня – это типовой объект, проходной? Или это был в то время какой-то шаг в развитии техники создания высотных сооружений?

– Гиперболоидные башни Владимир Григорьевич Шухов начал строить еще в конце XIX века. Преимущественно одноярусные, хотя в 1911 году была в Ярославле построена и двухъярусная башня. Их техническое назначение – водонапорные башни, маяки, корабельные мачты. Ну, уж если в будущее заглянуть, для полноты списка сюда же надо добавить опоры линий электропередач, пожарные каланчи, радиовышки. Очень экономичная получилась конструкция, много где использовалась. Но, насколько я знаю, до башни на Шаболовке конструкций больше двух ярусов Шухов не создавал.

– Шаболовская башня (она же Шуховская) – сколько в ней ярусов?

– Она шестиярусная, из перекрещивающихся прямолинейных ног. Вообще-то их по-разному называют – ноги, опоры, стержни. Шухов пользовался словом «ноги» – оно самое короткое. История строительства башни – это отдельная тема. Об этом много написано, но при желании много чего еще можно исследовать.

– Например?

– Откуда, например, брали металл, как конкретно его монтировали. Мы этого в подробностях не знаем, по крайней мере это вопрос некоторой исторической реконструкции. Например, как именно собирали каждую секцию? Секция башни имеет высоту 25 метров. Каждая нога – за счет наклона – около 30 метров и собрана из трех-четырех кусков. Как мы знаем из имеющихся фотографий, сборку секций производили на земле, затем поднимали вверх внутри уже установленных секций – так называемый телескопический метод монтажа. Но вот конкретная методика сборки – все ноги одновременно или сначала направляющие, потом другие, – есть ли какая-то закономерность в расположении стыков, как нарезались куски металла, нарезались ли они заранее, и была ли вообще возможность их нарезать или подгоняли по месту то, что было в наличии, – это очень интересные вопросы для исследования! Этим вопросом, например, Екатерина Ножова из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе занимается, у нее есть интересные идеи по реконструкции монтажа. Надо изучать архивы, вдумчиво смотреть на конструкцию башни, изучать монтажные отверстия, расположение стыков...

– Переходя непосредственно к виртуальной модели. Откуда ее ноги растут? Как идея появилась?

Альбомы обследования Шуховской башни, выполненного в 1947 г. Фото автора

– Я снимал квартиру недалеко от башни и смотрел на нее каждый день. У меня возникла идея ее смоделировать. Тогда как раз появился такой программный продукт, как Google Earth, и все были воодушевлены этим. Стали появляться модели трехмерных сооружений. Это был 2005–2006 год.

Моя первая инициатива – я «нарисовал» башню по фотографиям, поскольку подойти к ней было нельзя. В текстовом файле записаны координаты, рассчитанные вручную в Excel. Муторная работа, но она мне была интересна, поэтому несколько месяцев прошло незаметно. Это был некоторый вызов для меня – не имея доступа к башне, вычислить ее размеры. Все, что я знал из источников, это высота (примерно), диаметр нижнего кольца, к которому подхода нет на земле без специального пропуска, и диаметр второго кольца. Так что башню я мог только наблюдать через два забора. Еще один нюанс: фотографии башни, снятые снизу, дают искажение перспективы.

Все это я оценивал, все эти расчеты у меня сохранились. В общем, проанализировал всю литературу, которая была, и в итоге получил свою модель Шуховской башни в виде таких ниточек – каждый элемент был в виде линии. Эта модель долгое время лежала на сетевом форуме, где люди выкладывали аналогичные модели. На тот момент, когда я ее сделал, она занимала место по числу просмотров такое же, как Эйфелева башня. Была в десятке самых просматриваемых моделей – около ста тысяч человек.

Это была моя личная инициатива, мне просто было интересно. Я еще и в ИИЕТ не работал. Когда я пришел в институт, идея создать 3D-модель Шуховской башни была инспирирована сообщениями, что башня будет реконструироваться. Это был 2011 год.

– Уже тогда пошли разговоры?

– Разговоры о реставрации, если брать историю, тянутся как минимум с 1991 года, когда встала задача – снять с башни старую надстройку в виде кубика и поставить туда антенны для ультракоротковолновых радиостанций. Задача была заказана Центральному научно-исследовательскому и проектному институту строительных металлоконструкций им. Н.П. Мельникова (ЦНИИ ПСК). Главным инженером выступала Галина Шеляпина. Были выполнены расчеты, исследовано состояние металла конструкций башни. И на проекте большими буквами в двух местах написано: проект согласуется инженерами при условии, что собственник башни незамедлительно сделает ремонт. Повторяю, это был 1991 год. То есть с этого времени специалисты стали обращать внимание, что дела-то с состоянием Шуховской башни плохие.

– Сейчас она, что называется, держится на честном слове?

– Я бы не сказал так. Ее состояние с точки зрения металлоконструкции я бы вообще не брался комментировать. Тут нужны специалисты по металлоконструкциям, ЦНИИ ПСК прежде всего. С нулевых годов активно начал работать созданный правнуком Шухова фонд «Шуховская башня». С этого времени они трубят во все инстанции, что что-то нужно делать с башней. Получается, что больше 20 лет с ней ничего не происходит.

3D-модель позволяет рассмотреть конструкцию башни с любого ракурса.

Может быть, именно это привело к тому, что Игорь Щеголев, министр связи и массовых коммуникаций на тот момент, встретился с Владимиром Путиным. И Путин сказал, что, мол, спасем башню. Это был 2009 год. Через год выделили деньги – 137 миллионов рублей на эти работы. Предполагалось, что за три года башня будет подвергнута реконструкции/реставрации. Так называли, поскольку никто не знал заранее – что же это будет. В частности, предполагалось, что в 2011 году будет выполнен проект реконструкции/реставрации. На этот этап выделялось 10 миллионов рублей. А потом, за два года, и сама работа будет выполнена. Вот такой план был явлен общественности.

В 2011 году на создание проекта объявляется конкурс. Потом он отменяется, потом опять объявляется… В результате конкурс выиграла некоторая организация, которая до этого к башне не имела никакого отношения. А ЦНИИ ПСК имени Мельникова, который занимался башней более 80 лет, с самого момента ее постройки, не был даже допущен к участию в конкурсе, потому что у него не было лицензии на реставрацию. А поскольку проект был объявлен как реставрационный, они его выиграть и не смогли. Насколько я знаю, их и на субподряд тоже не привлекли для выполнения оценки. А ведь специалисты ЦНИИ ПСК знают башню, как никто другой. У них есть все чертежи. Но, в силу бюрократических препон, а может быть, и не только бюрократических, работы по разработке проекта ушли другим путем. Начался скандал.

Начались разговоры, что все, что делается, это неправильно, что вообще нужно искать международных специалистов, что эти специалисты есть, что есть международный проект, который делается экспертами Австрии, Германии и Швейцарии, и эти люди обязательно приедут и сделают очень точные модели, без этого к башне подходить нельзя.

– Имелась в виду уже виртуальная, трехмерная модель?

– Да. И вот в этот момент у меня сформировалась идея проекта. Во-первых, на тот момент я еще жил рядом с башней, и желание обследовать ее поближе, сделать более точную модель меня не оставляло. Мне был интересен сам объект, независимо ни от чего – это первый фактор. И второй – стало ясно, что башня под угрозой находится. Она в плохом состоянии, и ее будут реставрировать, а может и реконструировать, а может и разбирать. А ведь это памятник техники, помимо всего прочего, и наш Институт истории естествознания и техники имеет к нему непосредственное отношение. Надо башню изучить как можно полнее, пока она, так сказать, в «шуховском» виде. В каком-то смысле нам даже повезло, что башню ни разу не реконструировали серьезно…

Основная несущая конструкция – ее не меняли, на нее навешивали какие-то дополнительные элементы, а шуховская конструкция как стояла, так и стоит с 1922 года. Надо ее сохранить хотя бы в цифровом виде. Сохранять ее в железе – это не наш профиль. А вот сохранить о ней информацию – это как раз профиль нашего подразделения – центра виртуальной истории науки и техники Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН. Я увидел тут большую возможность продемонстрировать, чем мы можем заниматься и на каком уровне. Директор ИИЕТ Юрий Михайлович Батурин сразу поддержал идею, и мы начали проект.

– Честно скажу, я плохо представляю себе, как даже с помощью современного лазерного оборудования эту башню, сверху донизу, отсканировать. Как это делается?

– Когда-то давно была придумана такая вещь, как лазерный дальномер – в одной точке ставится лазер, он светит лазерным лучом; в другой точке ставится отражатель – специальное зеркало, которое разворачивается так, чтобы луч лазера отразился обратно. Лазерный дальномер, измеряя время прохождения луча туда и обратно, – скорость света известна – определяет расстояние до точки. Что такое лазерный сканер? По сути, то же самое, только на том конце стоит не зеркало, а любая поверхность. Сложность здесь в том, что вместо отражающего зеркала может быть любая поверхность, которая отражает во все стороны…

– Тем более если башня – ажурная конструкция.

– Ну, мы пока говорим про одну точку. Мы на нее направили наш луч, свет дошел до этой точки, отразился во все стороны. Но какая-то часть, очень маленькая, пришла обратно на сенсор. Развитие технологий дошло до того, что даже этого, такого небольшого отраженного количества светового потока, оказалось достаточно, чтобы его можно было зарегистрировать и, таким образом, измерить расстояние. Расстояние, вообще говоря, может быть и километры, но с потерей разрешения. Сканер, с которым работали мы, на расстоянии 100–120 метров дает точность порядка миллиметров.

– Этот сканер, что это за устройство, сколько тонн он весит?

– 17 килограммов. Особенность этого сканера состоит в том, что он луч посылает в разных направлениях. Там есть подвижное зеркальце, которое, во-первых, болтается вверх-вниз (луч вертикально бегает), а во-вторых, зеркальце медленно-медленно поворачивается вокруг своей оси. Этот круговой ход может час занимать, может два – в зависимости от настроек разрешения сканирования. Этот лучик, так сверху донизу, сверху донизу, с небольшим поворотом обходит всю сферу.

– То есть лазерный сканер сразу объем рисует?

– Да. Все, на что попал луч, если зарегистрирован обратный сигнал, регистрируется как точка в памяти компьютера. Миллионы точек в некотором файле. Точка – это просто координаты в некоторой системе координат. Обычно система координат связана с положением самого сканера. То есть это просто цифры – 10 метров по оси X, 5 метров по оси Y, 100 метров по оси Z – вот это точка. Этих точек миллионы. Если их все одновременно изобразить в трехмерном пространстве – увидите контур объекта.

Технологический момент сканирования Шуховской башни.

– И сколько таких точек в трехмерной модели Шуховской башни?

– 60–65 миллионов. Сначала мы считали, что около 100 миллионов. Но потом облако точек почистили – шел снег, например, и луч отражался от  снежинок.

– Сколько по времени заняло само сканирование?

– Два дня. 1 и 2 декабря 2011 года.

– Виртуальная модель Шуховской башни, созданная в ИИЕТ, в конце прошлого года была принята в Российский государственный архив научно-технической документации (РГАНТД) как первый документ в формате 3D. Какие-то стандарты сейчас установлены на такие 3D-документы?

– Есть стандарты технологические: стандарт записи файлов облаков точек, стандарты записи трехмерных моделей… Но у государственных архивов нет стандартов, в соответствии с которыми они принимают трехмерные документы.

– То есть ИИЕТ, можно сказать, с виртуальной 3D-моделью Шуховской башни стал первооткрывателем в этом смысле в России?

– Да, это прецедент. Это сознательно было сделано, несмотря на то, что в существующей нормативной базе, в государственных законах нет термина «3D-документ». Есть термин «документ», есть термин «электронный документ»… А вот конкретно «3D-документ» – нет.

Но и мы, ИИЕТ, и руководство архива, в принципе поддержали эту идею: акцентировать, что принят 3D-документ. Это показывает, что такого рода данные – трехмерные модели и облака точек – создаются, и некоторые из них ценны. Ведь сейчас много людей со сканерами работают на других важных объектах культурного наследия. Но парадокс заключается в том, что заказчики сейчас даже не просят эти данные по договору передавать. Заказчикам нужны только чертежи, а как эти чертежи сделаны – обмером ли, лазерным сканированием, – это их часто не волнует. «Вы нам дайте чертежи, а как вы их сделали – это ваше дело».

Это как если бы уже существовала технология фотографии, а от нас требуют гравюры. Мы можем сделать гравюры по фотографиям, но гравюра в данном случае вторичный информационный источник. Первичная-то информация сохранена на фотографии, а нам говорят: не нужна нам ваша фотография; мы вообще не понимаем, как хранить ваши фотографии, вы нам гравюру дайте. Вот, та же самая аналогия.

То есть облака точек тоже важны, и другие трехмерные модели, созданные на основе современных цифровых технологий. Поэтому надо привлекать внимание общественности к тому, что это тоже документ.

– А какая точность модели, минимальный элемент конструкции, который удается зафиксировать в этой модели? До заклепки? До двутавровой балки?

– Точность – это самый сложный вопрос, просто на него не ответишь. Простой ответ звучит так: точность – 1 сантиметр. Но расшифровка будет сложна. Заклепки видны не все.

– Как же так, если вы говорите, что фиксировались даже снежинки?

– Это зависит от того времени, которое вы проведете на объекте. Чем ближе лазерный сканер к поверхности, тем больше точек он может снять, тем точнее координаты этих точек. Чем чаще вы ставите сканер с разных точек объекта, тем полнее вы все нюансы геометрии улавливаете. То есть с одной точки заклепка вам не будет видна за каким-то элементом, а с другой точки она видна.

На земле у нас было всего четыре точки, когда мы сканировали Шуховскую башню. И еще три точки наверху. Семь точек всего на всю башню. Но это обусловлено разными причинами. Финансовыми прежде всего. Ограничениями по времени. Если бы я планировал работу исходя из идеальных условий, я бы спланировал больше точек. Я бы запланировал больше пробных сканов, какие-то оценки предварительные, более детальные до того, как мы начали работать. Но на тот момент было такое ощущение, что сейчас проект на согласовании, сейчас его утвердят, и в январе 2012-го башню начнут реконструировать. Мы были рады и тому, что нам удалось сделать.

Поэтому глядя на наше облако точек, какие-то заклепки видны, их можно смоделировать по облаку. Но большая часть заклепок не видна. Большая часть заклепок у нас в модели показана условно – как элемент визуализации соединительных узлов.

– Как бы там ни было, аутентичная, исходная конструкция Шуховской башни зафиксирована сейчас в вашей 3D-модели...

– Зафиксирована геометрия несущей конструкции. Это во-первых. С точностью в 1 сантиметр мы знаем, как расположены ноги, как расположены кольца. Как расположены заклепки в соединительных узлах – из нашего облака точек, к сожалению, для большего количества заклепок мы вытянуть не можем.

Второе, как можно использовать модель, – визуализация конструкции башни. И теперь, для того чтобы понять конструкцию узла, можно просто посмотреть на нашу 3D-модель – она гораздо легче читается. Даже в классической литературе, посвященной башне, есть ошибки относительно ее конструкции.

– Например?

– Есть книжка Ковельмана, это ученик Шухова (Ковельман Г.М. Творчество инженера В.Г. Шухова. – М., 1961. – «НГ-наука»). Написана она на основе архивов, оставшихся после Шухова. Классическая книжка, купить ее сейчас невозможно. И в этой книге приведена конструкция соединительного узла башни и сказано, что вот так-то устроен соединительный узел. А такого узла нет у башни! Это – рисунок с проектной схемы Шухова. Эта проектная схема мне тоже известна, она лежит в архиве РАН, есть фотографии, копии, ее можно посмотреть. Более того, когда вышла книга Ковельмана в 1961 году, уже существовала обмерная документация, сделанная в 1947-м, но она лежала в архивах и не была доступна. А люди, основываясь на проектных чертежах Шухова, воспринимали чертежи как реальную конструкцию башни.

А реальная оказалась немножко другой. На чертеже нарисован швеллер с сечением 10, а таких несущих ног у башни нет в принципе. Внизу ноги швеллера – 14, а в верхних четырех секциях ноги вообще – уголки. Нет в башне ног с сечением 10. А на картинке Ковельмана и на проектной схеме Шухова показано, что узел башни устроен вот таким образом. И это просто никто не подвергал сомнению. Хотя для того чтобы обнаружить ошибку, не надо было делать модель, можно было прийти и просто на башню посмотреть. Но специалистам к башне свободного доступа нет. А к виртуальной модели – есть. Любой исследователь может проверить какие-то данные и сопоставить реальную конструкцию с документацией.

Один из узлов металлических конструкций Шуховской башни в виртуальной модели. Фото из архива Андрея Леонова

Итак, зафиксировать информацию и визуализировать ее – вот первые две задачи, которые позволяет решать виртуальная модель. Третья задача – проверка документации.

Пример. Чертежи 1947 года очень качественно сделаны. Восхищает – как сделано! Но даже там есть небольшие ошибочки. Скажем, размер какого-то элемента указан в двух-трех местах всего. В башне очень много элементов. Допустим, нас интересует, как расположен внешний уголок на опорном кольце между второй и третьей секциями. Эта информация, в принципе, в обмерной документации содержится в двух-трех местах: на общей схеме и на схеме, посвященной этому элементу или стыковочному узлу. И вот мы обнаруживаем, что на общей схеме уголок расположен полкой вверх, а на схеме узлов он расположен полкой вниз. И сразу возникает вопрос неразрешимый: а что правильно? Как на самом деле? Глядя на нашу модель, на облако точек, вы не перепутаете – расположен ли уголок полкой вниз или полкой вверх.

– Вы обмерили эту башню – получены координаты 65 миллионов точек. И дальше была создана 3D-модель. Создание такой модели – это стандартная процедура?

– Нет, не стандартная, это вручную делалось, в целом ряде программных продуктов, профессиональными инженерами. Моя работа в этом проекте: идея, постановка задачи, работа в архивах. Непосредственная работа по лазерному сканированию, по моделированию, она выполнена подрядной организацией. Работа по созданию программного обеспечения для визуализации выполнена нашими сотрудниками.

– Может так получиться, что этот памятник техники когда-то и останется только в вашей 3D-модели.

– Сейчас мы наблюдаем то, о чем вы сказали. Прошло совещание на самом высоком уровне, готов проект постановления правительства РФ о переносе башни – но пока не подписан. Что сейчас может произойти? Несмотря на протесты общественности, будет принято решение башню перенести. Ее разберут, перенесут, появится некий новый объект, собранный из кусков стали. Это будет позор, конечно, если так произойдет. Но мы по крайней мере сможем проверить, насколько она совпадает с оригиналом. Я буду считать, что мы не зря работали, если мы сможем это сделать. И мы будем знать, какой Шуховская башня была. Другой вопрос – важно ли это знать? Но мы же научные работники, и мы понимаем – важно.

Условно говоря, если башня будет перенесена на ВДНХ и какое-то следующее поколение исследователей захочет исследовать Шуховскую башню, то часть информации они смогут найти только в нашей модели. Мы не знаем заранее, что понадобится. По-хорошему, надо как можно больше информации снять – насколько это позволяют технические средства, существующие в данный момент.

Известно, например, что башня «ходит» за солнцем. Солнце нагревает одну часть башни, металл расширяется. Для Останкинской башни это – метры.

– Семь метров вроде...

– Это от ветра. А от солнца - отклонение около трех метров. А Шуховская башня отклоняется вслед за солнцем всего на 1,5–2 сантиметра. Почему так мало? Конструкция прозрачная, и греется в том числе и другая сторона. Происходит компенсация теплового расширения. Это совсем недавно ребята из МИИГАиК показали, такую интересную работу провели – установили GPS-приемник на верхушке башни на неделю. Хорошо бы измерить и ветровые колебания, но тут нужно больше времени, хотя бы месяц. 

– А все же как вы считаете, можно ли башню на том месте сохранить, где она сейчас стоит?

– Не можно, а нужно! Я уверен, что это возможно технически, но нужна политическая воля. Шуховская башня – это символ, и обращаться с ним нужно прежде всего как с символом, а не как с ржавой металлоконструкцией.

При этом технически, конечно, вопрос сложный, тут упрощать не надо. Можно обсуждать разные варианты ремонта, реставрации, но этим должны специалисты заниматься. Люди, которые понимают, о чем они говорят, и дорожат своей репутацией.

А когда выходит чиновник из Минсвязи и начинает страшилки рассказывать – что, мол, башня сейчас на детский сад упадет, – ну как это назвать? Какие-то хамские заказные статьи в социальных сетях, кто-то ведь за это платит. Вот эта кулуарность и наглость, с которой людям в глаза все это говорится, возмущает, конечно.

– В центре Москвы земля дорогая...

– Есть вещи, которые деньгами не измеряются. В центре Москвы стоит средневековая крепость, которая уже лет триста своей прямой функции не выполняет, но никто ведь не мыслит о ней в терминах гектаров и редевелопмента территории. Потому что Кремль – это символ, и покушаться на него – это покушаться на Россию, в общем-то.

Шуховская башня – объект того же порядка. Когда в разоренной стране полуголодные люди из каких-то обрезков металла создают такую конструкцию фантастическую – это не просто радиовышка. «Вся – порыв вверх, вся – символ человеческого духа» – так о ней современники писали.