НАУЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ И СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ

SCIENTIFIC PRINCIPLES AND CREATION OF A METHODOLOGY FOR ASSESSING THE TECHNICAL CONDITION OF CULTURAL HERITAGE OBJECTS

Artem Gudzenko

Bachelor of Technical Sciences, Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow

Аннотация. В статье рассматривается проблема оценки технического состояния городских сооружений, в особенности исторических зданий, проведения экспертиз. Рассматривается важность комплексной оценки состояния строительных конструкций для принятия решений по их эксплуатации, ремонту или реконструкции. Особое внимание уделено применению визуальных, инструментальных и лабораторных методов для диагностики дефектов, таких как трещины, сырость, повреждения крыши и конструктивных элементов.

Abstract. The article deals with the problem of assessing the technical condition of urban structures, especially historical buildings, and carrying out expert examinations. The importance of comprehensive assessment of the condition of building structures for making decisions on their operation, repair or reconstruction is considered. Special attention is paid to the application of visual, instrumental and laboratory methods for diagnosing defects such as cracks, dampness, damage to the roof and structural elements.

Ключевые слова: городское планирование, экономико-географическое положение, микологическая экспертиза, создание методики.

Keywords: urban planning, economic-geographical situation, mycological expertise, methodology creation.

ВВЕДЕНИЕ

Город – сложный социально-территориальный комплекс, реализующий целый ряд внешних функций и генерирующий импульсы развития, распространяя их на всю окружающую территорию.

Действительно, город — арена общественных отношений, отражающих социальную структуру общества. Люди всех возрастов, всех социальных слоев, всех профессий втянуты в один гигантский круговорот городского образа жизни. И каждый из них стремится найти в городе нужные ему условия общения и соответствующий тип пространственного окружения. 

В городе связаны воедино десятки и сотни самых разных предприятий и производств. Ежедневно город поглощает тысячи тонн сырья и продовольствия, выбрасывает тысячи тонн промышленных и бытовых отходов. Гигантский завод, работающий по сложнейшему технологическому циклу, где не должно быть ничего лишнего и все части должны быть плотно пригнаны друг к другу.

Зачастую органы проверки, пытающиеся оценить результат проделанной работы по строительству городского сооружения, приходят к неправильным выводам, что способствует упадку общего восприятия о городе, как о здоровом урбанистическом организме.

Проблема оценки городских сооружений является актуальной, как для отдельного города, так и для страны в целом. Все больше зданий, являющиеся историческим наследием, подвергаются сносам, а не реконструкции, на месте которых возводят некачественные архитектурные решения.

Присвоение строительной конструкции определённой категории по выявленным дефектам и повреждениям носит достаточно субъективный характер и требует для визуального обследования наличия огромного опыта у эксперта.

ОБЪЕКТЫ В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ

Городская среда – это продукт и одновременно процесс взаимодействия человека с его окружением, упорядоченным культурными и социальными связями.

Объектом городского планирования [5] являются города во всем их многообразии: в различном становом, региональном и агломерационном контексте, большие и маленькие, исторические и новые, промышленные и курортные, активно реорганизуемые и сохраняемые, а также их части и, даже, отдельные локальные территории.

Предметом городского планирования – тем, на развитие чего направлены исследования, проекты и программы реализации, является: а) городское пространство, как физическое тело города, б) протекающие в нем социально-экономические и экологические процессы, как деятельность, порождающую это пространство и порождаемую им, и в) отношение к этим пространству и процессам человека, их отражение в его сознании. Негативное отношение населения, а затем, и профессиональных планировщиков к сложившейся застройке или другим элементам структуры города в конечном итоге приводит к смене господствующей парадигмы и появлению качественно новых моделей городского пространства.

Мы легко можем представить город [6] в качестве сложной, но целостной экономической системы, в которую ежедневно и ежечасно поступают все мыслимые виды человеческих, финансовых и прочих ресурсов, в которой действуют государственные, муниципальные и частные агенты – юридические и физические лица, производятся товары и услуги (в том числе, новые знания, понимания и умения), попадающие на внешний и внутренний рынок или распределяемые обществом, поддерживается, обновляется и развивается городская инфраструктура и застройка, а в результате возникает такой удивительный городской продукт (квинтэссенция «городского качества»), как «выбор» - выбор типов физической среды.

1. Техническое состояние строительных конструкций

Визуальное обследование зданий представляет собой комплекс мероприятий для первичной оценки состояния зданий и его строительных конструкций. На основании предварительного (визуального) обследования можно судить о необходимости проведения детальных обследований конструкций с проведением точных инструментальных замеров и лабораторных исследований [4] Правильное определение дефектов строительных конструкций, а также прогноз тенденций их изменения необходимы для принятия оптимальных решений по эксплуатационным воздействиям для поддержания работоспособного состояния зданий и сооружений.

1.1 Оценка технического состояния в странах СНГ

Существует технический кодекс установившеюся практики, в соответствии с которым техническое состояние конструкций характеризуется следующими категориями:

I — исправное (хорошее) состояние — малозначительные дефекты устраняют в процессе установленного регламента технического обслуживания;

II — работоспособное (удовлетворительное) состояние — имеющиеся дефекты не приводят к нарушению работоспособности конструкции в данных конкретных условиях эксплуатации, но в перспективе могут снизить ее долговечность. Дефекты устраняют в процессе технического обслуживания и текущего ремонта, уточнённые сроки которого могут быть назначены аттестованным специалистом по обследованию зданий;

III — ограниченно работоспособное (не вполне удовлетворительное) состояние: имеющиеся дефекты оказывают некоторое влияние на несущую способность конструкции, но опасность внезапного разрушения отсутствует. Эксплуатация конструкции при фактических нагрузках допускается при периодическом контроле её состояния, строгом соблюдении всех эксплуатационных требований, при возможных ограничениях на некоторые параметры эксплуатации;

IV — неработоспособное (неудовлетворительное) состояние, свидетельствующее о значительной степени поврежденности конструкции или её перегрузке, высокой̆ степени риска для людей и материальных ценностей в зоне расположения данной конструкции. Необходимо незамедлительное ограничение нагрузок, срочное усиление или замена конструкции (уточняется расчётом);

V — предельное (предаварийное) состояние, характеризующееся признаками утраты несущей способности конструкции и возможностью её обрушения в ближайшее время. Эксплуатация опасной зоны или здания в целом запрещена. Требуется срочный вывод людей, разгрузка и (или) устройство временных креплений конструкции с последующей её разборкой и заменой с обеспечением безопасных условий ведения демонтажных работ.

1.2 Влияние оценки на дальнейшее существование здания

К сожалению, приведённые критерии оценки дефектов строительных конструкций разрозненны и не имеют общих конкретных количественных критериев оценки. Присвоение строительной конструкции определённой категории по выявленным дефектам и повреждениям носит достаточно субъективный характер и требует для визуального обследования наличия огромного опыта у эксперта, чем обычно пренебрегают при найме сотрудника государственной организацией.

Для решения задач по определению достоверной картины технического состояния строительной конструкции необходимо создание и следование обобщённым критериям оценки с целью определения категории технического состояния конструкций.

2. Проведение практического исследования

Ниже будет представлена методология оценки технического состояния каменных и деревянных конструкций исторических зданий, продемонстрированная на примере архитектурного исторического объекта на улице Крылова 15 “Аваевская богадельня” (см. Рис. 1).

Рисунок 1. Историческое здание на ул. Крылова 20 гор. Твери

Данное здание является уникальным памятником архитектуры регионального значения, однако, учитывая те критерии, которые были описаны выше и с учетом объективной оценки экспертами, город Тверь спустя некоторое время может лишиться данного объекта.

2.1 Формирование концепций оценки

Изучение исторического здания начинается с инвентаризации строительства и консервации, включая обмеры и чертежи, которая носит не только практический, но и научный и документальный характер, поскольку фиксирует существующее положение дел до проведения работ, которые обязательно приведут к изменениям. Знание об объекте основывается на комплексном исследовании, индивидуальный объем которого зависит от характеристик конкретного здания.

В зависимости от используемых методов и различных ресурсов различают три типа исследований исторических зданий:

• историческое и консервационное исследование исторического архитектурного объекта;
• обмеры и чертежи;
• строительная экспертиза.

Архитектурная экспертиза, включая предварительное архивное исследование и изучение архитектурных слоев и изменений архитектурных особенностей и структуры здания, должна проводиться для более старых объектов, история которых охватывает как минимум два архитектурных периода и оценка стоимости которых может определяться масштабом появления и состоянием сохранности исторического стояния, представляющего различные периоды.

Инвентаризация обмеров и чертежей должна включать ситуационные чертежи с линейными измерениями, планы, разрезы, эскизы и документацию. Повреждения, нанесенные зданию, такие как трещины, сырые пятна, биологическая коррозия, отслаивание штукатурки и механические повреждения, отмечаются в записке.

Обмеры и инвентаризация чертежей, наряду с фото документацией состояния и накопленных повреждений, являются основой для планирования микологических испытаний, строительных экспертиз и определения объема необходимых исследований.

Микологические испытания направлены на измерение разрушительного воздействия грибков и плесени. Они проводятся специализированными органами, но общие микологические испытания могут проводиться на основе макроскопических наблюдений. Такие тесты должны не только определить состояние и причину заражения грибками, но и дать некоторые рекомендации относительно дальнейших контрмер на участках, зараженных грибками и плесенью.

Строительная экспертиза определяет состояние сохранности с технической точки зрения и с точки зрения долговечности. Она основана на испытании конструктивных элементов здания и грунтового основания и определении их физико-механических свойств. В случае исторических зданий объем обследования устанавливается индивидуально, но испытания не могут существенно нарушать историческую сущность.

Технический анализ исторических зданий должен включать в себя:

• оценку качества (долговечность, плотность);
• оценка сырости;
• оценку состояния отдельных элементов конструкции (трещины, деформации - особенно в местах соединений);
• оценка устойчивости всей конструкции (перемещения, устойчивость);
• геологическая и техническая оценка грунтового основания;
• оценка несущей способности отдельных элементов конструкции

и мест соединений;

• микологическая оценка;
• оценка долговечности.

Строительная экспертиза обычно основывается на макроскопических оценках, геометрических измерениях, оценке влажности и долговечности.

Лабораторные испытания включают точную идентификацию видов грибков и плесени, встречающихся в данном здании, а также физико-механические свойства грунта и строительных материалов.

Большое количество разрушающих испытаний может быть заменено неразрушающими методами испытаний, такими как: склерометрические испытания, основанные на измерении поверхностной твердости слоя материала.

2.2 Процесс исследования

Исследование состоит из 3 этапов: исторический анализ, описание состояния здания, лабораторная экспертиза.

2.2.1 Исторический анализ

Исторический анализ объекта — предварительное архивное исследование [6] Двухэтажное здание построено в начале 80-х годов XIX века в формах эклектики, приближенно стилизованных под западноевропейское средневековье, обращено к перекрестку улиц высокой квадратной надстройкой над срезанным углом Г-образного плана (см. Рис. 2).

Рисунок 2. Вид сбоку и на фасадную часть на здания

В 1884 г. Тверская городская управа на средства, завещанные тверским купцом В.П.Аваевым на устройство богадельни, по поручению его душеприказчиков.

В 1878 г. больница была открыта. Больница была оборудована по последнему слову техники: там имелись ванные и ватерклозеты, сложная система вентиляции, она была полностью оснащена хирургическими инструментами, в том числе и для редких и специальных операций. Палаты были рассчитаны на 3 и 4 человека.

После революции в здании был склад, потом питейное заведение. В последствии в здании продавались коммунальные квартиры.

В 90-х дом был приватизирован и выставлен на продажу, но желающих приобрести памятник архитектуры долгое время не находилось. Тем не менее, цена на него была высока — 49 миллионов.

Сейчас здание стоит законсервированным, никаких признаков строительных работ не было замечено.

2.2.2 Описание текущего состояния здания.

Техническое описание здания было выполнено на основе наблюдений за архитектурно-строительным слоем и изменениями.

Объект расположен на уступе с подвалами под частью здания на его восточном крыле. Фундамент и стены подвала сложены из каменных блоков неправильной формы. Наружные стены и внутренние несущие стены на последующих этажах построены из обожженного глиняного кирпича, смешанного с элементами каменной кладки. Углы здания выполнены из каменных блоков правильной формы. Строительные материалы, использованные для стен, в значительной степени неоднородны, что является результатом многочисленных конструктивных изменений, внесенных с течением времени, и, следовательно, различий в технологиях изготовления элементов кладки стен. Часть западного крыла вообще не покрыта крышей из-за обрушения конструкции, в то время как часть южного крыла покрыта керамической черепицей.

Были зафиксированы следующие повреждения здания:

• повреждения крыши (отсутствуют целые участки кровельного покрытия, протекание);
• существующая кровля;
• повреждения и щели в потолках;
• повреждения сводов;
• трещины в стенах;
• сырость в стенах, потолках и полах;
• повреждения полов и штукатурки.

2.2.3 Исследование на месте.

В ходе проведенного на месте обследования рассматриваемого здания были обследованы стены и деревянные конструкции, а также грунтовое основание. Проведенные испытания были неразрушающими [10]. В рамках строительной экспертизы были проведены измерения изгиба конструкции, трещин и связей, а также измерения влажности отдельных элементов и микологическая оценка.

Измерения изгиба деревянных потолочных балок проводились в помещениях, в которых сохранились целые потолки или значительные части потолков. Измерения изгиба, проведенные вместе с макроскопической оценкой, позволили определить характер работы балок и точки деградации.

На основании этих измерений были выделены два конкретных типа движений

• изгиб в середине пролета балки в результате собственного веса и статической нагрузки, что естественно для такой строительной системы;
• опускание в поддерживаемых областях, которое может быть результатом деградации деревянных элементов и значительного наклона стен от вертикального положения.

Трещины в стенах и потолках — это повреждения, которые часто встречаются в исторических зданиях (см. Рис 3).

Рисунок 3. Вид образцовых трещин, зарегистрированных во время инвентаризации

Следует подчеркнуть, что правильная техническая идентификация реальных размеров трещин является основой для диагностической оценки, которая заключается в определении причин возникновения трещин, их негативного воздействия и возможности ремонта. Все трещины были отмечены на планах и высотах, разработанных в ходе инвентаризации. Анализ положения трещин в стенах и мониторинг их размеров позволил установить причины их появления.

Еще одна важная проблема, выявленная в здании, связана со значительной сыростью стен и потолков. На практике существует несколько методов, которые позволяют определить профиль влажности здания, включая косвенные методы, которые заключаются в измерении другой физической константы и вычислении значений влажности на основе этой константы.

Измерения влажности элементов конструкции проводились с помощью гигрометров, работа которых основана на измерении диэлектрической постоянной. Во время обследования также определялся уровень влажности в стенах и потолках. Наибольший уровень влажности в потолках наблюдался в местах, которые больше не защищены от атмосферных условий, в то время как стены были значительно влажными на уровне фундамента. Заметное снижение уровня влажности также наблюдалось с увеличением высоты. Термографические испытания могут также служить косвенным методом определения уровня влажности (выявление мест повышенной влажности). Испытания выявили места протечек в системе водоотвода с крыши (см Рис. 4). Изменение уровня влажности вместе с изменением температуры было хорошо заметно в местах, где были повреждены водосточные трубы. Самая низкая температура была отмечена в зонах дождевой воды.

Рисунок 4. Северное возвышение здание на ул. Крылова 20 гор. Твери

2.2.4 Лабораторная экспертиза

Физико-механические параметры каменных и деревянных конструкций были определены с помощью разрушающих испытаний. В случае кладочных конструкций определялись плотность, влажность и прочность на сжатие для кирпичных и каменных элементов в естественном состоянии и в состоянии твердой массы, а также прочность на сжатие для раствора. Для деревянных конструкций определялись плотность, влажность, прочность на сжатие вдоль и поперек волокон, прочность на изгиб вдоль волокон и модуль Юнга вдоль волокон (см. Рис. 5).

Рисунок 5. Устройство определения модуля упругости Юнга

Параметры прочности, полученные в ходе этих испытаний, позволили определить классы материалов для отдельных элементов. Ввиду наличия многочисленных исторических слоев, испытания проводились в нескольких группах в соответствии с первоначальным расположением образцов в конструкции [1].

Прочность стены на сжатие, определенная в результате лабораторных испытаний прочности элементов кладки и раствора, находилась в диапазоне от 0,8 МПа до 8,2 МПа. Различия в значениях прочности обусловлены различными параметрами элементов кладки. Во всех случаях прочность в естественном состоянии была ниже, чем прочность, определенная для тех же элементов в состоянии твердой массы. Результаты отражены в таблице 1.

Таблица 1.

Характерная прочность стены на сжатие для кирпичной и каменной кладки

На основании всех испытаний и обследований, проведенных на месте, а также лабораторных исследований, можно было определить физические и механические свойства отдельных элементов: класс древесины, использованной в строительных элементах здания, примерную прочность на сжатие кладки стен, стабильность грунтового основания и влажность материалов. Собранные данные позволили провести статистические и прочностные расчеты отдельных элементов и, таким образом, проверить предельные состояния по несущей способности и работоспособности.

2.3 Формирований критерий оценки

На основе испытаний и экспертиз, проведенных в здании на ул. Крылова, наблюдений за проводимыми там реставрационными работами и литературных источников была разработана следующая блок-схема процедур технической оценки объектов и определения причин повреждений (см. Рис. 6). В будущем представленная схема может помочь, в том числе, экспертам в проведении оценки технического состояния.

Рисунок 6. Блок-схема этапов технической оценки объектов

2.3.1 Анализ схемы

Анализ блок-схемы (см. Рис. 6) позволяет сделать вывод, что оценка технического состояния здания — это сложная междисциплинарная задача, требующая привлечения целой группы экспертов. Следование приведенным ниже советам значительно облегчат выполнение правильного порядка действий.

Оценка технического состояния здания должна начинаться с предварительного архивного исследования и архитектурно-строительной инвентаризации. Все повреждения должны быть каталогизированы. После завершения предварительного архивного поиска и архитектурно-строительной инвентаризации оценивается объем и стоимость необходимых экспертных заключений. В случае плохого технического состояния, которое может угрожать здоровью или жизни пользователей или подрядчиков, следует разработать и выполнить необходимые временные меры безопасности (анкерные болты, опоры, подпорки для приямков). Объем необходимых строительных экспертиз должен быть определен для каждого отдельного здания.

Для большинства зданий следует рассмотреть вопрос о необходимости проведения испытаний для оценки стабильности грунтового основания. Для оценки технического состояния фундаментов и гидроизоляции рекомендуется проводить локальные открытые обследования фундаментов. Техническое состояние фундаментов следует оценивать диагностическими разрушающими методами (отбор образцов керна, испытания кладки на нагрузку) и неразрушающими методами (склерометрические, ультразвуковые, испытания, электромагнитные испытания для определения толщины бетонного покрытия и уровня используемой арматуры, коррозионные испытания арматуры и коррозионные испытания бетона). В зависимости от выявленных повреждений фундаментов следует разработать схему строительных работ, направленных на восстановление их несущей способности и перенос нагрузок, связанных с новым использованием здания, со здания на фундаменты. Если несущая способность грунтового основания недостаточна, следует разработать и выполнить работы по укреплению.

В качестве следующего этапа рекомендуется оценить текущее техническое состояние потолков. В случае сомнения следует провести локальные вскрытия для определения типа и конструкции потолка. Если обнаружены грибки или плесень, следует провести микологические исследования и принять контрмеры. Как и в случае с фундаментами, физико-механические параметры материалов, используемых в потолках, могут быть определены с помощью разрушающих и неразрушающих методов диагностики. При выявлении повреждений следует отремонтировать или заменить наиболее сильно поврежденные элементы, но при этом следует помнить о необходимости сохранения элементов, наиболее ценных с художественной и/или исторической точки зрения.

Следует провести оценку технического состояния кровли и, если наблюдаются протечки, необходимо закрепить кровлю. Необходимо также оценить техническое состояние конструкции крыши. Если выявлены серьезные повреждения, следует рассмотреть возможность укрепления или замены всех элементов конструкции. Окна и двери также должны быть защищены, чтобы уменьшить воздействие атмосферных условий на внутренние помещения здания.

Микологическая и строительная экспертиза включает в себя обследование монтажных систем, присутствующих в здании, как на предмет их расположения, так и эксплуатации. Особое внимание следует уделить системам защиты от молний и противопожарной защиты, а также всем системам водоснабжения и канализации, поскольку любая утечка может привести к быстрому разрушению здания.

Комплексное экспертное заключение часто требует оценки результатов испытаний междисциплинарными группами экспертов, представляющих различные области знаний. Юридическая процедура проведения строительных работ — реновация. Статус повреждения при строительстве, статус катастрофы при строительстве — должна определяться на основе оценки технического состояния и в сотрудничестве с сотрудником по сохранению. Таким образом, должна быть установлена процедура получения соответствующих разрешений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе научно-исследовательской работы был произведен анализ урбанистических и градостроительных концепций. А также особое внимание было уделено архитектурному наследию города и его оценке со стороны государства.

На основе комплексного диагностического исследования, проведенного как на месте, так и в лаборатории, была разработана концепция, иллюстрирующая процедуры правильной оценки технического состояния сооружений.

Необходимо учитывать, что здания характеризуются специфическими технологиями, техническими и архитектурными решениями и историей использования. Таким образом, каждый объект требует индивидуального подхода при оценке технического состояния.