現(xiàn)代技術(shù)在保國(guó)寺大殿保護(hù)中的應(yīng)用

符映紅

摘 要 保國(guó)寺大殿是長(zhǎng)江以南保存最完整的古建筑之一，具有很高的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值，自上世紀(jì)五十年代至今的60余年來(lái)，建筑史學(xué)、文化遺產(chǎn)保護(hù)的大批專(zhuān)家學(xué)者對(duì)保國(guó)寺北宋大殿進(jìn)行了縝密的研究與審慎的保護(hù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，保國(guó)寺古建筑博物館與清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院等專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一系列課題項(xiàng)目的合作。為了能夠更有效和有預(yù)見(jiàn)性地做好文物保護(hù)工作，采用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)大殿及其環(huán)境進(jìn)行信息采集、信息管理、分析與展示。近幾年大殿保護(hù)中采用了大量的現(xiàn)代技術(shù)，包括三維激光掃描、有限元分析、熱紅外成像、阻力儀、超聲波等。

關(guān)鍵詞 保國(guó)寺 現(xiàn)代技術(shù) 保護(hù)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU-87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.077

0概述

在1954年第一次全國(guó)文物大普查時(shí)，南京工學(xué)院（現(xiàn)東南大學(xué)建筑學(xué)院）師從著名建筑學(xué)家、建筑史學(xué)家劉敦楨教授的竇學(xué)智、戚德耀、方長(zhǎng)源三位先生在偶然中發(fā)現(xiàn)了寧波保國(guó)寺大殿的文物價(jià)值，并在1957年的《文物參考資料》第8期發(fā)表了《余姚保國(guó)寺大雄寶殿》一文，從此結(jié)束了我國(guó)江南地區(qū)已無(wú)宋代木構(gòu)遺存的臆斷，引起政府部門(mén)和社會(huì)各界人士的高度重視和關(guān)注。后經(jīng)劉敦楨、陳從周兩位教授的大力舉薦，現(xiàn)存建于北宋大中祥符六年（1013）的保國(guó)寺大殿在1961年被國(guó)務(wù)院公布為第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

自上世紀(jì)五十年代至今的60余年來(lái)，建筑史學(xué)、文化遺產(chǎn)保護(hù)的大批專(zhuān)家學(xué)者對(duì)保國(guó)寺北宋大殿進(jìn)行了縝密的研究與審慎的保護(hù)。早在1981年，國(guó)家文物局文物保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所、清華大學(xué)建筑學(xué)院就開(kāi)展對(duì)大殿的價(jià)值研究，委托華南林學(xué)院對(duì)大殿材質(zhì)予以鑒定，以及運(yùn)用C14測(cè)定、樹(shù)輪校正等技術(shù)手段進(jìn)行判證。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，保國(guó)寺古建筑博物館與清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院等專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一系列課題項(xiàng)目的合作。

保國(guó)寺大殿具有很高的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值，然歷經(jīng)千年滄桑，不可避免地存在一些減低了建筑質(zhì)量、影響了建筑壽命的殘損。為了能夠更有效和有預(yù)見(jiàn)性地做好文物保護(hù)工作，自2007年保國(guó)寺古建筑博物館開(kāi)始構(gòu)建文物建筑的保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)大殿及其環(huán)境進(jìn)行信息采集、信息管理、分析與展示。經(jīng)過(guò)7年多的監(jiān)測(cè)，積累了不少數(shù)據(jù)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了不足，現(xiàn)對(duì)設(shè)備等進(jìn)行升級(jí)。近幾年大殿保護(hù)中采用了大量的現(xiàn)代技術(shù)，包括三維激光掃描、有限元分析、熱紅外成像、阻力儀、超聲波等?，F(xiàn)對(duì)這些技術(shù)介紹如下。

1三維激光掃描

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)是建立在長(zhǎng)度精密測(cè)量和角度精密測(cè)量基礎(chǔ)上的極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，具有快速、動(dòng)態(tài)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造、模具加工、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，自本世紀(jì)初開(kāi)始逐步應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護(hù)工作。三維掃描可以比較完整記錄文化遺產(chǎn)的現(xiàn)狀，相較于傳統(tǒng)測(cè)繪圖紙，其記錄的信息更加全面和精確，特別是現(xiàn)狀中一些不規(guī)則變化和重復(fù)構(gòu)件的個(gè)體差異都會(huì)被記錄下來(lái)。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用，目前三維激光掃描已經(jīng)被大量應(yīng)用于歷史建筑保護(hù)的前期文物本體信息采集中。比較三維激光掃描和手工測(cè)量，前者具有更高的精度。尤其對(duì)于柱頭平面而言，手工數(shù)據(jù)在測(cè)量難度、精度和數(shù)據(jù)量上都明顯處于劣勢(shì)。

處理三維激光掃描成果得到柱網(wǎng)平面數(shù)據(jù)的方法主要有兩個(gè)：一是通過(guò)多站拼合等方式將目標(biāo)范圍內(nèi)的立柱截面點(diǎn)云提取出來(lái)，進(jìn)而擬合出各個(gè)立柱的中心點(diǎn)坐標(biāo)，最終通過(guò)測(cè)量這些立柱中心的相對(duì)關(guān)系得出柱網(wǎng)平面；一是延續(xù)手工測(cè)量方法，通過(guò)直接測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)的相對(duì)距離間接導(dǎo)出柱網(wǎng)平面。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)不同的需求，采取不同的測(cè)量方法，前者更適合針對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)的整體變形勘察，后者則具有更高的單數(shù)據(jù)精度，更利于古建筑設(shè)計(jì)規(guī)律的研究。測(cè)繪圖如圖1、2：

2有限元分析

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，computerAideddesign）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo，NASTRAN，Alogor，I—DEAS，AutoCAD等。是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲音分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航天航空、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

鑒于保國(guó)寺大殿的長(zhǎng)期安全性，考慮安裝更為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用有限元分析軟件并建立保國(guó)寺有限元模型，通過(guò)在極端環(huán)境及其結(jié)構(gòu)響應(yīng)修正有限元模型，獲取精確的保國(guó)寺有限元模型，并利用該模型對(duì)保國(guó)寺大殿進(jìn)行仿真分析，計(jì)算模型利用有限元分析軟件ANSYS15.0建立，模型如圖3所示：

大殿的整體結(jié)構(gòu)可視為梁柱結(jié)構(gòu)體系。盡管木材質(zhì)順紋與橫紋的力學(xué)性能不同，但由于建造時(shí)為順紋建造，因此建模過(guò)程中可以把木材視為各向同性材料，斗拱可簡(jiǎn)化為壓桿，故而梁、柱及斗拱的單元均選擇為BEAM188單元，屋面單元為SHELL181，密度 = 4.8？03Kg/m3，彈性模量E = 6.75？03MPa，泊松比%n = 0.3。由于木結(jié)構(gòu)的榫卯鏈接是介于剛接與鉸接的半剛性連接，但考慮到該模型的復(fù)雜性，以及為了能將結(jié)構(gòu)偏于安全計(jì)算，故而將模型中的主要節(jié)點(diǎn)設(shè)置成了鉸接，次要節(jié)點(diǎn)則按剛接考慮。等效后的計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

保國(guó)寺大殿所受荷載與作用按照結(jié)構(gòu)荷載的作用形式來(lái)劃分，主要可分為三類(lèi)，分別為永久荷載、風(fēng)荷載、溫度作用。

由風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形圖可知，大殿內(nèi)部四根通長(zhǎng)的柱子變形較大，與柱子直接相連的橫梁變形也較為顯著，因此，選擇上述位置作為長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域，該有限元模型可為傳感器安裝部位的選擇提供參考。通過(guò)數(shù)據(jù)積累、分析，修改有限元模型。

3熱紅外成像

電磁波的波長(zhǎng)為2.0～1000微米的部分稱(chēng)為熱紅外線。多有溫度在絕對(duì)零度（-273℃）以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。所以熱紅外線是自然界中存在最為廣泛的輻射。物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。

熱紅外測(cè)試原理：含水率高的材料，其溫度低，熱輻射低，與低溫度有明顯區(qū)別，所以可根據(jù)溫度而判斷潮濕程度。由于環(huán)氧樹(shù)脂與木材屬于兩類(lèi)不同種類(lèi)的材料，對(duì)水分的吸濕性有差異，通過(guò)測(cè)定不同柱子的熱紅外差異，找出木柱內(nèi)樹(shù)脂分布情況。

對(duì)三根木柱整體進(jìn)行熱紅外檢測(cè)，并未發(fā)現(xiàn)溫度出現(xiàn)明顯差異，對(duì)其中一個(gè)柱子不同高度進(jìn)行熱紅外測(cè)試，數(shù)據(jù)僅在小范圍進(jìn)行波動(dòng)，并無(wú)明顯差異。如圖6。

4德國(guó)微鉆阻力儀（IML-RESIPD400）

木材微鉆阻力儀的原理是采用一個(gè)直徑1mm或稍大一點(diǎn)的小鉆針，在通電的情況下使用均勻速度加力使小鉆針穿入木材內(nèi)部，阻力儀就采用攜帶的計(jì)算機(jī)磁盤(pán)記錄小鉆針根據(jù)木材密度分布不同而產(chǎn)生的阻力曲線，其中阻力大小和進(jìn)入深度直接相關(guān)。根據(jù)阻抗曲線可以判斷木材內(nèi)部具體部位的空洞、腐朽情況，為判斷木材內(nèi)部腐朽、蟲(chóng)蛀程度提供有效可靠的依據(jù)。

由于木柱存在多瓣的形式，檢測(cè)時(shí)以每瓣都在檢測(cè)范圍為原則，以水平直線式進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于木柱直徑大于儀器檢測(cè)范圍（60cm）的木柱，采用木柱兩側(cè)對(duì)穿的方式進(jìn)行測(cè)試。用PD-ToolsPro.軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行阻抗曲線整理，用AutoCAD軟件繪制不同高度不同程度腐朽空洞截面圖，檢測(cè)結(jié)果根據(jù)木柱類(lèi)型八段包鑲柱、四段合柱、整木柱分為三類(lèi)。

5超聲波測(cè)試

5.1超聲波檢測(cè)原理

超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)，大部分采用的超聲波檢測(cè)頻率在0.1到25兆赫茲（MHz）之間這樣一個(gè)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)的頻率范圍。

采用超聲波對(duì)穿的方法檢測(cè)木材，傳感器一端為發(fā)射極（T）另一端為接收端（R）。在已知木材直徑的情況下，通過(guò)接收端測(cè)得的時(shí)間可以得出超聲波在此木材中的傳播速度。密實(shí)的木材超聲波可以直接的穿過(guò)，所用時(shí)間為t1；有空洞和裂隙的部分，超聲波需要繞過(guò)這些部位發(fā)生折射從而延長(zhǎng)傳播路徑或是因?yàn)樵诳諝鉃榻橘|(zhì)的縫隙中傳播速度較慢而延長(zhǎng)到達(dá)時(shí)間t2，t2大于t1，所以帶有空隙的波速小于密實(shí)木材的波速，所以可以根據(jù)波傳播速度的快慢來(lái)判斷木材內(nèi)部是否受損。如圖7所示。

5.2測(cè)試方向選取

T=發(fā)射端，R=接收端，a）直接測(cè)量，b）半直接測(cè)量，c）間接測(cè)量

參考超聲波檢測(cè)混凝土與石材的方法，根據(jù)木柱的形狀特點(diǎn)本次檢測(cè)選用（a）直接測(cè)量法，也就是超聲波橫向穿過(guò)木柱。如圖8所示。

5.3超聲波頻率及傳感器的選擇

對(duì)于一般的超聲波速測(cè)試，超聲波的頻率選用54kHz的探測(cè)器。超聲波測(cè)量的距離應(yīng)滿(mǎn)足大等于一個(gè)波長(zhǎng)，v=%df以每秒3000米的速度計(jì)算，54kHz的一個(gè)波長(zhǎng)大約為60mm，而此次大殿內(nèi)待檢木柱的直徑約為500mm，所以需要通過(guò)降低超聲波的頻率來(lái)增加可測(cè)距離。高頻率的波能量損失過(guò)大，在木材的內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次折射與反射的過(guò)程后，波的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了木材的內(nèi)能被消耗殆盡。本次實(shí)驗(yàn)儀器為瑞士產(chǎn)Proceq超聲波檢測(cè)儀，可供選用的最低頻率傳感器為24kHz。

一般來(lái)說(shuō)，超聲波傳感器與被測(cè)物體對(duì)接的表面是水平的，這樣更利于貼合緊密。但是由于木柱表面是弧形，檢測(cè)中首先考慮了錐形傳感器，如圖9。

錐形傳感器可以定位更準(zhǔn)確，在凹凸不平的表面上進(jìn)行測(cè)量，由于直徑較大（約為500mm），難以接收到有效信號(hào)，于是改用24kHz低頻率的傳感器，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)。

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，同一木柱，超聲波速隨著其含水率的增大而降低。對(duì)于不同木柱，波速大的內(nèi)部密實(shí)度高。

6傳感器

原先結(jié)構(gòu)檢測(cè)中使用的傳感器、光纖光柵等在其他文章中有所描述，在此不再敘述。

因單純的溫濕度、含水率，沒(méi)有同木材腐蝕、霉變結(jié)構(gòu)在一起，對(duì)分析數(shù)據(jù)沒(méi)用，故在此不再敘述。

風(fēng)速風(fēng)向傳感器是一種利用超聲波在空氣中傳播時(shí)間差來(lái)測(cè)量風(fēng)速以及風(fēng)向的測(cè)量?jī)x器，采用超聲波相位補(bǔ)償技術(shù)、隨機(jī)誤差識(shí)別技術(shù)，可以精度更高，并在大風(fēng)情況下也保證測(cè)量的低離散誤差；針對(duì)細(xì)雨、濃霧天氣的測(cè)量補(bǔ)償技術(shù)，具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；由于沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此性能可靠，無(wú)需過(guò)多的設(shè)備維護(hù)工作量。由于保國(guó)寺需要對(duì)屋面的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量，故超聲波風(fēng)速風(fēng)向更適用。

水位傳感器是一種測(cè)量液壓的壓力傳感器。靜壓投入式液壓變送器（液壓計(jì)）是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（一般為4～20Ma/1～5VDC）。

7展望與總結(jié)

隨著保國(guó)寺大殿科技監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)，會(huì)有越來(lái)越多的現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用在文物保護(hù)中，特別是對(duì)搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算和發(fā)布被形象地稱(chēng)為“云技術(shù)”。應(yīng)用云技術(shù)不僅可以發(fā)布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可以通過(guò)云計(jì)算將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究工作的互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)時(shí)完成，當(dāng)然監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身也可以直接存儲(chǔ)或備份在云端。

通過(guò)數(shù)據(jù)的分析，找出數(shù)據(jù)的地關(guān)鍵值，進(jìn)一步推進(jìn)材料受損與環(huán)境變化之間的關(guān)系，找出大殿最適宜的保存環(huán)境以及環(huán)境數(shù)據(jù)的預(yù)警值。

總之，通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)的運(yùn)用，力爭(zhēng)更完善更全面地開(kāi)展文物敬愛(ài)念珠保護(hù)監(jiān)測(cè)工作，并努力加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，嘗試將監(jiān)測(cè)工作與文物管理工作更為精密地聯(lián)系起來(lái)，更及時(shí)科學(xué)有效地掌握文物狀。

參考文獻(xiàn)

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