歷史建筑保護(hù)中的結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)

李杰

歷史建筑保護(hù)中的結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)

李杰

建筑工程是人類文明發(fā)源的基本標(biāo)志之一，也是現(xiàn)代文明進(jìn)步的主要標(biāo)志。在漫漫歷史長河中幸運(yùn)留存的歷史建筑，是人類文明的瑰寶。保護(hù)歷史建筑，業(yè)已成為現(xiàn)代社會的共識。

早在1928年，我國即已從政府層面頒布了《名勝古跡文物保存條例》。新中國成立后，中央政府于1961年頒布了《文物保護(hù)管理暫行條例》。之后，又于1981年頒布實(shí)施了《文物保護(hù)法》，使歷史建筑的保護(hù)在中國公眾視野中逐步得到重視。進(jìn)入21世紀(jì)，緣于對工程建設(shè)飛速發(fā)展進(jìn)程的反思與現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，歷史建筑保護(hù)越來越得到有識之士的關(guān)心與重視。迄于近年，歷史建筑保護(hù)業(yè)已成為建筑科學(xué)的前沿。

然而，盡管我國在歷史建筑保護(hù)中成就斐然，但細(xì)加檢點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，歷史建筑保護(hù)中的結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)問題尚未得到結(jié)構(gòu)工程界人士的足夠重視。從事結(jié)構(gòu)工程研究的學(xué)者，大多將精力集中于新建工程的安全與防災(zāi)研究之中，而從事歷史建筑保護(hù)研究的學(xué)者，則可能對結(jié)構(gòu)工程研究中的結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)的成果所知甚少。如何疏通結(jié)構(gòu)工程與歷史建筑保護(hù)研究之間的渠道，顯然是歷史建筑保護(hù)學(xué)界與結(jié)構(gòu)工程研究學(xué)界應(yīng)該共同加以重視的問題。緣于這一背景，盡管筆者于歷史建筑保護(hù)所知甚少，仍然希望從結(jié)構(gòu)工程角度談一點(diǎn)淺見，以貢獻(xiàn)于萬一、以就教于方家。

1 結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)的基本科學(xué)問題和研究進(jìn)展

地震、臺風(fēng)、火災(zāi)與環(huán)境侵蝕是工程結(jié)構(gòu)服役過程中所面對的主要自然災(zāi)害，也是歷史建筑所面臨的主要威脅。從結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)角度考察歷史建筑保護(hù)，所要研究的基本科學(xué)問題至少應(yīng)包括：自然災(zāi)害危險性分析、結(jié)構(gòu)受災(zāi)害作用而破壞的物理機(jī)理、結(jié)構(gòu)隨機(jī)災(zāi)害響應(yīng)分析與結(jié)構(gòu)抗災(zāi)可靠性分析等問題。

1.1 自然災(zāi)害危險性分析

自然災(zāi)害在發(fā)生時間、發(fā)生地點(diǎn)與發(fā)生強(qiáng)度上均具有隨機(jī)性，這就要采用概率論的思想與方法進(jìn)行災(zāi)害的危險性分析?？v觀過去近百年的研究歷程，可以發(fā)現(xiàn)：在這一方面的研究中，基于物理的災(zāi)害危險性分析理論正在逐步替代基于統(tǒng)計(jì)的災(zāi)害危險性分析方法。

第 5代地震區(qū)劃圖在本質(zhì)上仍然沿襲了第 3代、第 4代中國地震區(qū)劃圖的編圖思想。這一思想實(shí)質(zhì)是基于 1968年美國科學(xué)家 Cornell提出的地震危險性分析點(diǎn)源模型，我國科學(xué)家在點(diǎn)源模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了綜合概率法，由此形成了我國地震區(qū)劃圖編圖的科學(xué)基礎(chǔ)。這一基礎(chǔ)的科學(xué)內(nèi)涵在于：將歷史地震的統(tǒng)計(jì)規(guī)律與地震傳播的基本規(guī)律相結(jié)合，形成合理預(yù)測在給定年限內(nèi)地震動峰值概率分布的理論體系。顯然，這種思想方法具有普遍意義。20世紀(jì) 90年代后期在世界范圍內(nèi)展開的臺風(fēng)危險性分析研究，正可以視為這種理論衣缽的傳承。

進(jìn)入21世紀(jì)，關(guān)于災(zāi)害危險性區(qū)劃的研究工作還擴(kuò)展到了環(huán)境侵蝕作用的研究領(lǐng)域。盡管還沒有提出這種環(huán)境作用區(qū)劃的明確物理基礎(chǔ)，但作為大范圍、長時間尺度的統(tǒng)計(jì)研究成果，無疑會對歷史建筑的保護(hù)起到基礎(chǔ)性的作用。

顯然，在城市范圍內(nèi)進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)的火災(zāi)危險性研究，同樣會對歷史建筑保護(hù)具有重要的參考價值。這方面的研究，還處在起步階段。

1.2 材料與結(jié)構(gòu)破壞的科學(xué)基礎(chǔ)

現(xiàn)代意義上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，起源于19世紀(jì)20年代。發(fā)端于Navier的材料力學(xué)研究傳統(tǒng)，肇始于 Cauchy的固體力學(xué)研究傳統(tǒng)，逐步形成了工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的科學(xué)基礎(chǔ)。

材料力學(xué)研究的對象主要是梁、柱構(gòu)件。19世紀(jì)早期，出于確立構(gòu)件承載力的現(xiàn)實(shí)需要，先哲們將剛體（梁）受力的原理應(yīng)用于彈性體，逐步創(chuàng)立了材料力學(xué)基本體系，其科學(xué)本質(zhì)，在于通過細(xì)觀的應(yīng)力強(qiáng)度確定宏觀的基本構(gòu)件承載力，從而用于保證結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計(jì)。進(jìn)入 20世紀(jì)30年代，出于經(jīng)濟(jì)性的考量，合理利用材料塑性的觀點(diǎn)逐步成為業(yè)內(nèi)同仁的共識，關(guān)于鋼材、鋼筋混凝土、木材、磚石結(jié)構(gòu)的研究，共同形成了非線性材料力學(xué)的總體框架。而由于科學(xué)分工的細(xì)化，作為具有共同科學(xué)內(nèi)涵的非線性材料力學(xué)觀念，卻令人遺憾地沒有被明確提出過，這在某種程度上影響了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的進(jìn)步。

材料力學(xué)對于結(jié)構(gòu)整體受力力學(xué)非線性行為是缺乏科學(xué)反映能力的，這一本質(zhì)規(guī)定性與基本局限性導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)非線性受力全過程研究在 20世紀(jì)60年代初的興起。歷史的高度自覺性恰恰表現(xiàn)在：在 20世紀(jì) 60年代，有限元分析理論與技術(shù)開始興起。這種天造地設(shè)般地“巧合”，使長期偏安于理論一隅的固體力學(xué)研究在結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐中找到了用武之地。從 20世紀(jì)50年代塑性力學(xué)完備理論體系的形成，經(jīng)由20世紀(jì)60年代斷裂力學(xué)的興盛，再到20世紀(jì)70年代損傷力學(xué)的興起，迄至21世紀(jì)初，基于唯象學(xué)的固體力學(xué)基本體系已經(jīng)森嚴(yán)壁壘、蔚然大觀?；谶@一基本體系，并結(jié)合有限元技術(shù)的應(yīng)用，今天結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的科學(xué)工作者已經(jīng)可以清晰地刻劃與反映結(jié)構(gòu)在各種外部作用下（包括災(zāi)害作用）從材料損傷到結(jié)構(gòu)整體破壞的科學(xué)全過程。顯然，上述背景為歷史建筑保護(hù)中的結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。在歷史建筑保護(hù)中，因地制宜地在官式建筑、風(fēng)土建筑保護(hù)中注意材料力學(xué)傳統(tǒng)的繼承與應(yīng)用，在近現(xiàn)代建筑保護(hù)中注重采用以固體力學(xué)為基礎(chǔ)的抗災(zāi)全過程分析研究成果，應(yīng)是現(xiàn)實(shí)可行的選擇。

1.3 不確定性量化與結(jié)構(gòu)災(zāi)害響應(yīng)分析

在歷史建筑保護(hù)中，充滿各種不確定性，如結(jié)構(gòu)所面臨災(zāi)害風(fēng)險的不確定性、結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的不確定性、結(jié)構(gòu)壽命中受力力學(xué)行為演化的不確定性、結(jié)構(gòu)承載能力的不確定性，等等?？茖W(xué)、合理地量化各種不確定性，是歷史建筑保護(hù)中的關(guān)鍵科學(xué)問題，也是結(jié)構(gòu)工程研究自 20世紀(jì)30年代以來的研究主題之一。

保證結(jié)構(gòu)的安全性，是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主體任務(wù)之一。在近代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的初創(chuàng)時期，由于對客觀不確定性認(rèn)識尚處于定性的初級階段，人們采用經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)的方法來規(guī)避不確定性對結(jié)構(gòu)安全性的影響。在20世紀(jì)初，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)甚至高達(dá)10以上。1926年，德國科學(xué)家 Mayer首先倡導(dǎo)用概率論來定量反映客觀隨機(jī)性對結(jié)構(gòu)安全性的影響，由此開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)可靠性理論研究的先河。1947年，移居美國的波蘭科學(xué)家 Freudenthal首次提出了結(jié)構(gòu)可靠性分析的工程實(shí)用方法。此后，經(jīng)由Cornell、Ang、Lind等的工作，基于可靠度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并利用概率衡量結(jié)構(gòu)安全性的理念與方法開始在世界范圍內(nèi)得到傳播和認(rèn)可，并成為主要國家工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范編制的依據(jù)。令人遺憾的是，在歷史建筑保護(hù)的相關(guān)研究中，尚未見到關(guān)于結(jié)構(gòu)可靠性的專門論述。這方面的研究與應(yīng)用，顯然是需要予以加強(qiáng)的。

20世紀(jì)50年代，動力作用（包括災(zāi)變性動力作用）隨機(jī)性對結(jié)構(gòu)安全性的影響開始受到科學(xué)家與工程師的極大重視，作為一門新興學(xué)科，隨機(jī)振動理論在 20世紀(jì) 60年代初建立。迄至20世紀(jì) 60年代中期，工程結(jié)構(gòu)在地震、強(qiáng)風(fēng)等災(zāi)害性動力作用下的線性響應(yīng)分析方法基本建立。與此同時，結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的隨機(jī)性也在 20世紀(jì)60年代末開始得到重視。至20世紀(jì)80年代，以考慮隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析為主體的隨機(jī)有限元研究已開始具有分支學(xué)科的規(guī)模。然而，直至 20世紀(jì) 90年代末，無論是隨機(jī)振動分析還是隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析，都難以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)分析問題，這使得在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮災(zāi)害性動力作用影響受到了極大的限制。

21世紀(jì)以來，中國科學(xué)家在概率密度演化理論方面的工作，打破了上述僵局。物理研究隨機(jī)系統(tǒng)思想的提出，使工程隨機(jī)系統(tǒng)的研究生發(fā)出新的、生機(jī)勃勃的發(fā)展局面。迄于近年，在世界范圍內(nèi)關(guān)于不確定性量化的研究熱潮，更使概率密度理論有了更為廣闊的用武之地。事實(shí)上，不確定性的量化僅僅是對客觀隨機(jī)性進(jìn)行科學(xué)反映的第一步；結(jié)合物理規(guī)律，研究隨機(jī)性在工程系統(tǒng)中的傳播規(guī)律，才能更為客觀全面地認(rèn)識不確定性對工程系統(tǒng)的種種影響并加以科學(xué)決策。而這種決策，不僅是工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)所必備的，也是歷史建筑保護(hù)研究的題中應(yīng)有之義。

1.4 工程結(jié)構(gòu)整體抗災(zāi)可靠性

歷史建筑大多經(jīng)歷了上百年甚至數(shù)百年的時間考驗(yàn)。我國 7世紀(jì)建造的趙州橋，歷經(jīng) 1400余次洪災(zāi)、地震考驗(yàn)而安然無恙；11世紀(jì)建造的山西應(yīng)縣木塔，歷經(jīng)千年中的臺風(fēng)、地震侵襲而安然無恙。這些實(shí)例本身，就是結(jié)構(gòu)整體抗災(zāi)可靠性的難得研究范例。

然而，從科學(xué)層面解析，工程結(jié)構(gòu)的整體抗災(zāi)可靠性設(shè)計(jì)問題、尤其是多種災(zāi)害作用下的結(jié)構(gòu)可靠性分析問題，卻是至今仍未得到很好解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。事實(shí)上，早在 20世紀(jì)60年代中期，人們就開始致力于研究工程結(jié)構(gòu)的整體可靠性分析與設(shè)計(jì)問題。令人遺憾的是，由于采用現(xiàn)象學(xué)的研究方法和引入理想彈塑性的假定，使得經(jīng)典結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性研究長期處于踏步不前的局面。

解決上述難題的根本途徑在于摒棄現(xiàn)象學(xué)傳統(tǒng)，回到物理研究的軌道。近年來，基于非線性發(fā)展過程研究工程結(jié)構(gòu)在災(zāi)害作用下的性態(tài)隨機(jī)演化過程，為解決工程結(jié)構(gòu)整體抗災(zāi)可靠性分析問題打開了希望之門。將這一研究思想與歷史建筑保護(hù)中所面臨的多種災(zāi)害問題相結(jié)合，無疑會推動歷史建筑保護(hù)中的安全與防災(zāi)研究的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

2 歷史建筑保護(hù)中的結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)前沿技術(shù)

歷史建筑保護(hù)，是多學(xué)科交叉、綜合所形成的建筑學(xué)前沿學(xué)科分支。在其發(fā)展過程中，也理所當(dāng)然地應(yīng)該汲取其淵源相關(guān)學(xué)科的學(xué)術(shù)成果與前沿技術(shù)。在歷史建筑保護(hù)的結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)研究中，注意采取結(jié)構(gòu)工程中近年來致力于發(fā)展的前沿技術(shù)，當(dāng)是題中應(yīng)有之義。在筆者學(xué)識范圍內(nèi)，下列技術(shù)及其發(fā)展動向是值得關(guān)注的。

2.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)

對結(jié)構(gòu)服役的性態(tài)進(jìn)行觀測的思想，最早可追溯到 20世紀(jì) 60年代。20世紀(jì)90年代中期以來，由于傳感技術(shù)的小型化、微型化、無線化的發(fā)展取向，使健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。與之相關(guān)，觀測信號分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)損傷識別理論、大規(guī)模系統(tǒng)監(jiān)測的傳感器最優(yōu)布設(shè)技術(shù)研究均取得長足的技術(shù)進(jìn)步。

令人欣喜的是，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)得到歷史建筑保護(hù)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注與應(yīng)用。如在著名的西藏布達(dá)拉宮保護(hù)性修繕過程中采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工程實(shí)例，研究人員和技術(shù)人員為這一世界上海拔最高、規(guī)模最大、使用數(shù)百年的宮殿式建筑群在關(guān)鍵部位搭建起靜、動態(tài)結(jié)合的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，使管理者可以隨時掌握布達(dá)拉宮的健康狀態(tài)。顯然，在歷史建筑保護(hù)中采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，具有更為廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

2.2 結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是現(xiàn)代控制理論與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。始于1972年美國科學(xué)家Yao的建議，20世紀(jì)80年代以來，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展。通過主動控制、被動控制或主、被動相結(jié)合的工程措施，減輕工程結(jié)構(gòu)在地震、臺風(fēng)作用時的響應(yīng)，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的，業(yè)已成為業(yè)界學(xué)者與工程師的共識。在歷史建筑保護(hù)中，適當(dāng)?shù)亍⒁虻刂埔说匾虢Y(jié)構(gòu)控制技術(shù)，對于保證結(jié)構(gòu)的長期服役安全具有不言而喻的重要意義。在這里，具有挑戰(zhàn)性的問題是：既運(yùn)用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)而又不損及建筑物本身的歷史風(fēng)貌與精神價值。這顯然需要結(jié)構(gòu)工程師、建筑師甚至行政決策者具有創(chuàng)意的智慧與合作。

2.3 現(xiàn)代信息技術(shù)與大數(shù)據(jù)應(yīng)用

在歷史建筑保護(hù)中，應(yīng)用 3S（RS、GIS、GPS）技術(shù)是可預(yù)期的發(fā)展方向之一?；谶b感（RS）的結(jié)構(gòu)監(jiān)測、基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的規(guī)劃決策、基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的建筑災(zāi)損狀況監(jiān)測，已在工程實(shí)踐中初現(xiàn)端倪。而近年來開始得到重視的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，無疑也將在歷史建筑保護(hù)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)決策等方面得到更多的應(yīng)用。

大數(shù)據(jù)技術(shù)，是值得在歷史建筑保護(hù)中加以重視的又一個研究方向。以結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)為例，歷史建筑在服役過程中的荷載歷史是進(jìn)行歷史建筑保護(hù)過程中的重要基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，有可能通過對人流、環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)性態(tài)的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)荷載歷史的重構(gòu)，從而使結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)設(shè)計(jì)建立在更為堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)之上。拋磚引玉，筆者期待著大數(shù)據(jù)技術(shù)在歷史建筑保護(hù)中更多的、富有創(chuàng)意的應(yīng)用。

3 結(jié)語

歷史建筑是人類文明進(jìn)步的結(jié)晶，凝聚了人類對精神家園的渴望與向往。在歷史建筑保護(hù)中加強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)的研究，將可使歷史建筑結(jié)構(gòu)以更為堅(jiān)實(shí)的身軀傳承百年、千年。緣于這一重要背景，筆者雖然于歷史建筑保護(hù)幾近無知，但仍然斗膽從結(jié)構(gòu)工程的角度闡述一些關(guān)鍵科學(xué)問題，提出一些方向性研究建議。冀望通過這種努力，吸引更多的歷史建筑保護(hù)工作者關(guān)注于結(jié)構(gòu)工程安全與防災(zāi)的最新研究成果與研究進(jìn)展，也為縮小歷史建筑保護(hù)研究與結(jié)構(gòu)工程研究之間的距離略盡綿薄之力。筆者相信：創(chuàng)造了五千年?duì)N爛文化的中華民族，必可通過對歷史建筑的不懈守護(hù)，在一個側(cè)面向世界展現(xiàn)新中國的自信與偉岸！?

【作者單位：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院】

（摘自《中國科學(xué)院院刊》2017年第7期）

責(zé)任編輯：吳曉麗