Architecton: Proceedings of Higher Education №3 (91) September, 2025

Higher professional education

A project-based approach to teaching restoration students using digital twin construction for architectural monuments

УДК: 7.025.4: 004.94: 378.14
Шифр научной специальности: 5.10.2.
DOI: 10.47055/19904126_2025_3(91)_24

Abstract

Введение

Актуальность исследования обусловлена тем, что проблемы сохранения и восстановления объектов архитектурного наследия остаются одними из самых серьезных проблем в современной архитектуре. При этом для подготовки специалистов, способных на практике реализовать полученные знания, требуется организация практико-ориентированного обучения с привлечением знаний из различных областей наук. Однако в организации учебного процесса наблюдается некоторая рассинхронизация подачи учебных предметов, необходимых в процессе реализации проектной деятельности студентов-реставраторов. В связи с этим возникает необходимость апробирования на практике таких методов обучения, которые позволили бы в рамках педагогического процесса организовать общую работу студентов различных курсов над реальными проектами.

В ходе исследования были поставлены следующие задачи:

- реализовать на практике проектный подход в ходе подготовки студентов, обучающихся по направлению подготовки «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия»;
- создать цифровой двойник объекта культурного наследия «Зилантов монастырь»;
- провести анализ полученных в ходе работы результатов и оценить потенциал проектного обучения студентов-реставраторов.

Материалами исследования послужили результаты работы по созданию цифрового двойника объекта культурного наследия «Зилантов монастырь» в Казани.

Теоретической базой исследования являются труды в области сохранения архитектурного наследия, материалы по проектному подходу в области образования, методические разработки по организации обследования объектов архитектурного наследия.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов в ходе подготовки студентов, проходящих обучение по направлению реставрации и реконструкции объектов культурного наследия.

 

Исследователи, анализирующие проблему сохранения и реконструкции памятников архитектуры, находят новые аспекты влияния, которое объекты наследия оказывают на окружающий мир. Так, в работе А.Е. Енина, А.Э. Заплавной, Е.И. Бутко памятники архитектуры рассматриваются в качестве основы духовного потенциала государства. При этом авторы отмечают, что именно данные объекты формируют идентичность исторического городского центра, что возводит их в роль одного из самых значимых градообразующих компонентов [1]. Исследование И.В. Кетова и А.В. Прокофьева связывает ценность архитектурного наследия с поддержанием социокультурной безопасности общества и формированием локальной идентичности жителей [2]. Н.Ю. Яковенко и К.В. Яркина обращают внимание на влияние процессов сохранения историко-архитектурного наследия на восприятие и успешность образовательного процесса и воспитание этических и моральных ценностей общества [3]. Е.В. Габдрахманова, А.В. Клинтакова сосредоточились на применении архитектурных памятников в туристической индустрии с выявлением их роли в контексте межкультурного взаимодействия [4].

Представленные материалы показывают всю сложность и многоаспектность проблем, связанных с практическим сохранением и реконструкцией объектов архитектурного наследия. Одна из важнейших задач в этой области – подготовка квалифицированных кадров в области реконструкции и реставрации архитектурного наследия, способных в современных условиях на высоком уровне выполнять поставленные перед ними задачи.

Несмотря на то что во многих учебных заведениях осуществляется подготовка студентов по направлению «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия», существует объективные проблемы в области подготовки квалифицированных кадров.

Такие исследователи, как И.А. Блохина, М.Ю. Круподерова указывают на влияние динамики современной жизни на вопросы формирования специалистов, что приводит к недостаточной компетенции в своей предметной сфере [5]. Л.П. Фукс, отмечая множественность и изменчивость представлений об архитектуре, подчеркивает необходимость совершенствования архитектурного образования с точки зрения методологии [6]. А.В. Глухова, М.О. Харитонов рассмотрели процессы влияния научно-исследовательской деятельности на развитие общества и пришли к выводу о необходимости комплексного подхода при подготовке специалистов архитектурных специальностей посредством дальнейшего развития междисциплинарных подходов в процессе образования [7]. Таким образом, подготовка архитекторов-реставраторов требует повышения эффективности учебного процесса с учетом необходимости формирования многогранной личности, способной в современных условиях успешно решать задачи по реставрации и реконструкции архитектурных объектов исторического наследия.

В качестве гипотезы исследования был принят потенциал проектной деятельности в процессе обучения архитекторов-реставраторов, нацеленной на решение конкретной проблемы, представляющей социальную значимость, и получение в ходе работы практического результата [8]. Можно предположить, что преимуществом данного подхода для архитекторов-реставраторов является комплексный характер работы, связанный с использованием знаний из различных отраслей наук и применением их в ходе практической деятедьности.

С целью проверки данной гипотезы была организована проектная работа студентов ФГБОУ ВО КазГАСУ над созданием цифрового двойника объекта культурного наследия «Зилантов монастырь», расположенного по адресу: г. Казань, Архангельский пер., д. 1 [9].

Под цифровым двойником объекта в настоящее время понимается виртуальная модель физического объекта, обладающая потенциалом высокой точности, прецизионности и гибкости для моделирования различных аспектов системы [10].

Для реализации проекта была организована группа из 11 студентов 1–4-го курсов, поставлены задачи и сформирована последовательность этапов при проведении проектной деятельности. На протяжении 1-го семестра данная работа проводилась в рамках факультативной учебной деятельности и состояла из несколько этапов, включающих историко-библиографические и иконографические исследования, натурные исследования, сканирование объекта, обработку данных сканирования и создание цифрового двойника.

Реализация проекта осуществлялась в следующем порядке.

1. Проведение историко-библиографических и иконографических исследований. Составление исторической справки. Объект культурного наследия Зилантов-Успенский монастырь расположен на вершине Зилантовой горы, находится в границах исторического поселения города Казани, в западной его части, в Кировском районе. Объект возвышается на левом берегу р. Казанки (в настоящее время старого русла Казанки) и существует на этом месте с 1560. Первоначально был основан по указу Ивана Грозного в 1552 г. и располагался около братской могилы русских воинов, где сейчас расположен Храм-памятник павшим воинам.

Название горы связано с татарскими преданиями о сказочном змее-драконе (тат. Джилан-Зилан), который, по легенде, обитал на этой горе. Отсюда и происходит название Зилантова гора (тат. Зилан-тау — Змеиная гора). Именно Зилант изображен на гербе Казани. В ходе исследования было установлено, что за время своего существования объект неоднократно подвергался перестройке и ремонту, а также в годы советской власти менял свое назначение. Зилантов-Успенский монастырь как памятник истории и культуры регионального значения был поставлен на государственную охрану постановлением Совета Министров ТАССР от 23 октября 1981 г. К этому моменту на исторической территории комплекса сохранялись объемы церкви Всех Святых (1681, перестроена в XIX в.), настоятельского корпуса (1808) и два нижних яруса церкви Алексия Митрополита (нач. XVIII в.).

В ходе работы были изучены иконографические источники (рис. 1), позволившие отследить динамику изменений объекта. Гравюра Турина. 1832 Окрестности Зилантова монастыря на гравюре Э. Турнерелли. До 1839 г. В.П. Бебин. 1879

Гравюра Турина. 1832 г. Музей изобразительных искусств РТ  https://rtgmii.museum.tatar.ru/ entity/OBJECT/21206?fund= 22&index=45	Окрестности Зилантова монастыря на гравюре Э. Турнерелли. До 1839 г. Виртуальный русский музей  https://rusmuseumvrm.ru/ data/city_walks/kazan/painters _in_kazan/turnelli_in_kazan/	В.П. Бебин. 1879 г. https://wishescards.ru/istoriya/ uspenskogo/monastiyrya/

Рис. 1. Иконографические источники Зилантов-Успенского монастыря

Изученные материалы позволили составить список утраченных строений, включающий Успенский собор, построенный в 1625 г. и располагавшийся примерно на месте возведенного в 2006 г. Троицкого собора; Храм во имя Алексия Митрополита Московского (1720); стены и башни (1822); колокольню над южным входом (1898); братские и служебные корпуса (XIX – нач. ХХ в.).

Из исторических построек до настоящего времени сохранились Церковь Всех Святых (ныне Успенский собор) (построена в 1681 г., перестроена в 1829 и 1898 гг., отреставрирована в 2001 г.) и Настоятельский корпус (двухэтажный каменный дом с мезонином, построенный в 1808 г. в стиле классицизма, отреставрирован в 2000 г.).

2. Проведение натурных исследований.

2.1. Первый этап включал в себя сканирование объекта и обработку данных сканирования. В ходе работ студентами был применен комплексный подход, сочетающий наземное лазерное сканирование (NLS), мобильное SLAM-сканирование и фотограмметрию, что позволило обеспечить высокую геометрическую точность и детализацию поверхности.

В качестве дополнительных источников был использован видеоряд аэросъемки объекта, произведенный компанией ООО ЦГАСЛ в 2016 г., на основании которого посредством программного обеспечения Agisoft Metashape было создано облако точек объекта, впоследствии импортированнре в программу Blender и переведенное к масштабу 1:1 относительно электронных карт Google Maps.

Наземное сканирование проводилось сканером Stonex X300 со стационарных точек вокруг церкви по периметру и точек внутри объекта. В результате сканирования было сгенерировано облако точек, располагающихся относительно общей системы координат. Дополнительно с помощью 3D-сканирования на основе Lidar сенсора были сняты параметры внутренних помещений (рис. 2).

Рис. 2. Натурные исследования объекта. Разработано Е.Д. Страховым

2.2. На втором этапе были обработаны данные сканирования с разных источников. Работа потребовала применения специализированного программного обеспечения CloudCompare для сшивки разнородных данных, после обработки данных был получен результат, представляющий собой каркасную основу объекта с планировкой, интерьерами и участками рельефа. Полученная на данном этапе модель может использоваться как для дальнейшей визуализации объекта, так и для оценки объемов материалов, моделирования нагрузок, создания BIM модели и расчета прочности конструкции.

3. Создание цифрового двойника.

На первом этапе создания цифрового двойника объекта была проведена конвертация облака точек в полигональную модель. В программном обеспечении CloudCompare с применением статистического фильтра Statistical Outlier Removal была проведена работа по удалению выбросов и случайных точек, удаленных от основной единой поверхности. Полученная модель была обработана в программе Blender, в которой перед дальнейшей обработкой посредством инструментария Merge by Distance произведена оптимизация геометрической структуры.

На следующем шаге с помощью программного обеспечения MeshLab было проведено визуальное улучшение модели и проведен перенос цветовой информации из облака точек.

На последующем этапе создания цифрового двойника была проведена реконструкция утраченных построек с помощью программного обеспечения fSpy, позволяющего перевести перспективные графические материалы (исторические фотографии) в параметры камеры. Далее полученные результаты были импортированы в программу Blender, где уже находилась сшитая в единую модель структура собора, собранная по облаку точек. Объединение данных лазерного сканирования с историческими фотографиями позволило точно определить местоположение утраченных зданий. В частности, определено месторасположение колокольни, существовавшей во время третьего периода Всехсвятской церкви.

Импортированная в Blender камера с параметрами fSpy позиционировалась относительно сшитой 3D-модели. В качестве фонового референса были использованы исторические изображения объекта. Это обеспечило точное соответствие полученных конфигураций помещений оригинальной планировке. На основе обработки исторических изображений произведена периодизация конструктивных изменений объекта (рис. 3).

Рис. 3. Периодизация конструктивных изменений объекта. Разработано Е.Д. Страховым

3D-сканирование интерьеров Всехсвятской церкви позволило выявить изменения в конструкции первого этажа: обнаружены заложенные дверные проемы, возведенные межкомнатные перегородки и демонтированные печи. В центральной части первого этажа зафиксирована «столповая» конструкция – мощный опорный столп, относящийся к первоначальной архитектуре храма.

Из-за покрытия стен слоем штукатурки точная датировка кладки была затруднена, поэтому первоначально реконструкцию здания разделили на крупные этапы с плавающими датами, требующими последующего подтверждения историко-архивным анализом.

Комнаты рядом с одностолпной палатой имеют характерные изгибы сводов, но не имеют прямой связи с ней – предположительно, они служили техническим пространством, например, для обогрева печей на втором этаже, которые позже были демонтированы в ходе реставрации XIX в. архитектором Малиновским.

С инженерной точки зрения крыша (своды) и барабан колокольни создавали значительные нагрузки, которые передавались на стены этих помещений. Колокольня опиралась именно на стены между цилиндрическими сводами: это соответствовало принципу, согласно которому нагрузки сосредоточивались в зоне четырех опор. Упрощенная схема показала, что даже минимальное изменение геометрии этих стен могло привести к нарушению несущей способности всего комплекса. Это привело к необходимости расчета стропильных конструкций объекта, что было выполнено на следующем этапе.

4. Расчет стропильных конструкций объекта.

Выявленные проблемы с изменениями конструкции несущих стен привели к необходимости расчета стропильных конструкций на испытываемые предельные нагрузки (рис. 4). Виды стропильных конструкций Эпюры продольных усилий в стропильных конструкциях, расчетное сочетание нагрузок Эпюры перерезывающих усилий в стропильных конструкциях, расчетное сочетание нагрузок Эпюры изгибающих моментов в стропильных конструкциях, расчетное сочетание нагрузок

Виды стропильных конструкций

Эпюры продольных усилий в стропильных конструкциях, расчетное сочетание нагрузок

Эпюры перерезывающих усилий в стропильных конструкциях, расчетное сочетание нагрузок

Эпюры изгибающих моментов в стропильных конструкциях, расчетное сочетание нагрузок

Рис. 4. Расчет нагрузок стропильной конструкции

Проведенный далее расчет стропильной конструкции исторической крыши Всехсвятской церкви позволил установить необходимое сечение стропил. В выводах сформулировано указание на уменьшение шага стропил в случаях, где необходимое сечение соблюсти не удается.

Завершая практическую часть работы, можно заключить, что в результате проведенной проектной работы предложена системная методика создания цифрового двойника архитектурного объекта. Применение различных цифровых инструментов, специализированного программного обеспечения и историографических материалов позволило сформировать цифровую модель и составить периодизацию изменений конструктива комплекса «Зилантов монастырь». При этом были обнаружены изменения, оказывающие влияние на прочность стропильной конструкции и произведены дополнительные работы по ее расчету, ранее не входившие в план исследования.

Заключение

Результаты, полученные в ходе создания цифрового двойника объекта имеют практическое значение и могут служить базой для:

- создания BIM-модели объекта;
- создания интерактивной 3D-карты объекта культурного наследия «Зилантов монастырь»;
- создания таймлапса модели с привязкой к базе данных исторических изображений;
- создания виртуальных туров по объекту, имеющих как образовательное, так и прикладное значение для углубленного обследования объекта;
- организации мониторинга технического состояния и температурно-влажностного режима объекта;
- проведения реставрационных и реконструкционных работ на основе созданной модели цифрового двойника.

Проведение анализа педагогического процесса в ходе проектной деятельности студентов позволило выявить следующие результаты:

- проведение проектной работы по созданию цифрового двойника объекта архитектурного наследия «Зилантов монастырь» потребовало привлечение информации из различных областей знаний: истории, культурологии, информационных технологий, 3D-моделирования, технической механики. В результате проведенная работа носила комплексный, максимальной приближенный к условиям реальной деятельности, характер. Это позволяет сделать вывод о том, что организация проектной деятельности способствует приобретению студентами навыков практической работы и способствует быстрому включению в трудовые процессы после окончания учебы;

- распределение работы внутри проектной группы в соответствии с имеющимися у студентов компетенциями и учебными планами обеспечило максимальную эффективность их деятельности, способствовало расширению кругозора, а также явилось существенным фактором, влияющим на формирование их профессиональной идентичности. Углубление сотрудничества между различными курсами способствовало успешной социализации студентов, а также позволило им глубже понять необходимость приобретения знаний в различных предметных областях, ранее считавшимися второстепенными;

- анализ основной профессиональной образовательной программы бакалавриата по направлению подготовки 07.03.02 «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия» позволил сделать вывод о том, что в ходе проведенной проектной работы студенты освоили универсальные, общепрофессиональные и профессиональные компетенции. – решение студентами проблем, возникающих в ходе выполнения проектной деятельности, способствует развитию гибкости мышления и приобретению навыков в непредсказуемых условиях внешней среды.

Таким образом, можно заключить, что организация проектной деятельности по созданию цифрового двойника объекта культурного наследия «Зилантов монастырь» в Казани позволила выявить имеющийся потенциал подобного подхода. Проектный подход в сфере обучения студентов, обучающихся по направлению реставрации и реконструкции архитектурного наследия позволяет повысить эффективность учебного процесса и способствует достижению образовательного и социального синергетического эффекта, направленного на воспитание разносторонне развитой и профессионально состоявшейся личности.

Дальнейшие исследования в данной области должны быть направлены на совершенствование реализации проектного метода и учет его возможностей при составлении учебных планов по подготовке студентов по направлению подготовки «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия».

References

1. Blokhnina, I.A., Krupoderova, M.Yu. (2022). Problems and Prospects of Architectural Education Development in the Modern World. In: The Architectonics of Regional Culture: Proceedings of the 5th national conference with international participation. Kursk: South-Western State University, pp. 291-295. (in Russian)

2. Burtseva, D.D. (2024). Development and Application of the Project Approach in Russian and Foreign Pedagogy. In: Modern Scientific Research in the Field of Pedagogy and Psychology: Proceedings of the All-Russian Conference. Kirov: Interregional Center for Innovative Technologies in Education, pp. 200-203. (in Russian)

3. Gabdrakhmanova, E.V., Klintakova, A.V. (2017). Architectural Heritage of Kazan, Its Role and Significance in the Tourism Industry. In” Art and Art Education in the Context of Intercultural Interaction: Proceedings of the 6th International Scientific and Practical Conference, Kazan: Kazan (Volga Region) Federal University, pp. 519-522. (in Russian)

4. Glukhova, A.V., Kharitonov, M.O. (2022). Problems of Science and Art in Architectural Education. Perspectives of Science, No. 6 (153), pp. 160–162. (in Russian)

5. Enin, A.E., Zaplavnaya, A.E., Butko, E.I. (2023). The Role and Place of Cultural Heritage Sites in Modern Urban Planning Activities. Architectural Research, No. 3 (35), pp. 34-42. (in Russian)

6. Ketov, I.V., Prokofieva, A.V. (2024). The Role of the Value of Housing in Preserving Architectural Heritage as a Tool for Maintaining Sociocultural Security in Society. In: Proceedings of the 3rd International Conference of the Student Scientific Society of St. Petersburg State University. St. Petersburg: Skifiya-Print, pp. 660-664. (in Russian)

7. Fuchs, L.P. (2019). Methodological Problems of Teaching Architecture. Creativity and Modernity, No. 1 (9), pp. 23–33. (in Russian)

8. Yakovenko, N.Yu., Yarkina, K.V. (2018). Preservation of Historical and Cultural Sites as a Means of Promoting Ethical and Moral Values in Society. In: Pedagogical Parallels: Proceedings of the 6th International Scientific and Practical Conference. St. Petersburg: St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, pp. 944-947. (in Russian)

9. On the approval of the boundaries of the territories of the cultural heritage site of regional significance «Zilant monastery, 1681, rebuilt in the XVIII - XIX centuries, architect unknown», located at the address: Kazan, Kirovsky district, 1 Arkhangelsky per., May 05, 2017 [Online]. Available from: https://docs.cntd.ru/document/446458317 (date of access: 03.07.2025). (in Russian)

10. Voas, J., Mell, P., Piroumian, V. (2025) Security and Trust Considerations for Digital Twin Technology. NIST Internal Report 8356. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, 2025.

Citation link

Persova, S.G., Strakhov, E.D., Akhmetyanov, Kh.R. A project-based approach to teaching restoration students using digital twin construction for architectural monuments //Architecton: Proceedings of Higher Education. – 2025. – №3(91). – URL: http://archvuz.ru/en/2025_3/24/  – DOI: https://doi.org/10.47055/19904126_2025_3(91)_24 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная