面向預(yù)防性保護(hù)的上海音樂廳觀眾廳大頂安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

谷志旺 張 銘 孫沈鵬 王偉茂 張 波

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

文物建筑是不可再生的歷史文化遺產(chǎn)，是城市歷史文脈的延續(xù)。由于建造年代久遠(yuǎn)，歷經(jīng)多年使用加之內(nèi)外空間環(huán)境改變以及材料自然老化，文物建筑各項(xiàng)性能都隨時(shí)間逐漸退化，存在一定程度的安全隱患。由于文物保護(hù)與傳承需要，文物建筑尤其是特色保護(hù)部位的特征價(jià)值不容改變，常規(guī)的更新替換方法無法實(shí)施，潛在的安全隱患無法根本性消除。文物建筑長(zhǎng)期可持續(xù)性的安全使用性能難以得到有效保障[1-7]。

現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)可為文物建筑安全使用提供預(yù)警，通過對(duì)文物建筑相關(guān)部件的各項(xiàng)性能及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行全方位持續(xù)性監(jiān)測(cè)，可以掌握其服役狀態(tài)下的整體狀態(tài)及其損傷后的性能退化規(guī)律，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理和消除潛在的安全隱患，確保文物建筑安全使用。

本文以上海音樂廳文物建筑觀眾廳大頂預(yù)防性保護(hù)為例，探索文物建筑特色保護(hù)部位安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，為文物建筑保護(hù)和利用提供技術(shù)支撐。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

上海音樂廳，原名南京大戲院，建成于1930年3月，1950年11月更名為北京電影院，1959年9月改名為上海音樂廳，為上海市第一批優(yōu)秀歷史建筑、上海市文物保護(hù)單位。2003年，因市政高架建設(shè)，對(duì)上海音樂廳進(jìn)行整體性移位保護(hù)和擴(kuò)建改造，移位后的上海音樂廳由文物保護(hù)區(qū)和非文物保護(hù)區(qū)兩部分組成，總建筑面積12 986.7 m2，其中文物保護(hù)建筑面積2 557.58 m2。主要涉及的文物保護(hù)區(qū)域有觀眾廳大禮堂、北門廳大堂、東休息廳等部分（圖1）。

圖1 上海音樂廳

1.2 觀眾廳大頂概況

上海音樂廳觀眾廳大頂，距今也已有90年的歷史，為文物重點(diǎn)特色保護(hù)部件。大頂南北長(zhǎng)約28 m，東西寬約21.7 m，建筑面積約600 m2，距地面高度約13 m。大頂中心為圓形穹窿，四周飾以淺雕的裝飾線腳并貼金紋飾，精巧美觀，復(fù)雜而不零亂，變化富有層次，與廳內(nèi)墻面壁柱裝飾和舞臺(tái)臺(tái)口花飾融為一體（圖2）。

圖2 上海音樂廳觀眾廳大頂

1.2.1 大頂結(jié)構(gòu)構(gòu)造

觀眾廳大頂由上部木屋架、下部裝飾層以及吊筋連接件三部分組成。木屋架共7榀，為雙坡型，擱置在東西兩側(cè)墻柱上；單榀木屋架寬約23 m，高約5 m，由上弦桿（250 mm×250 mm）、下弦桿（300 mm×300 mm）、斜桿（150 mm×150 mm、200 mm×200 mm）、豎桿（φ19～φ51 mm鋼桿）組成；擱置在木屋架下弦梁的木擱柵為50 mm×250 mm@900 mm。下部裝飾層基層為鋼板沖切張拉而成的鋼板網(wǎng)，上面綁扎著25 mm×5 mm的鋼條以及直徑6.5 mm分布筋，作為鋼板網(wǎng)龍骨。穹頂表面精美花飾是在鋼板網(wǎng)下面批紙筋灰制作而成，厚度20～50 mm。整個(gè)穹頂裝飾層通過φ6 mm吊筋一端懸吊鋼板網(wǎng)龍骨，另一端通過穿孔夾板固定在木擱柵上，吊筋間距約900 mm（圖3、圖4）。

圖3 觀眾廳大頂三維示意

圖4 觀眾廳大頂構(gòu)造組成

1.2.2 大頂歷次修繕情況

2003年對(duì)上海音樂廳進(jìn)行移位修繕時(shí)，對(duì)大頂進(jìn)行整體移位保護(hù)，使其得以完整保留。移位后，對(duì)木屋架木構(gòu)件采用碳纖維布封閉式粘貼、鐵件抱箍方式加固，并在各屋架頂部間設(shè)置75 mm×200 mm的方木系桿，屋面木桁條改為125 mm×260 mm@845 mm，吊頂木擱柵改為50 mm×250 mm@500 mm；同時(shí)在原木屋蓋上方新增鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，作為房屋新屋面，拆除原屋面瓦片，改用20 mm厚屋面企口板+擠塑保溫板，減輕原木屋架的荷載。

此外，對(duì)大頂裝飾層及吊筋連接件進(jìn)行專項(xiàng)修繕，采用下列加固措施：新增木擱柵與鋼龍骨間吊筋，分散連接荷載；吊頂紙筋灰層增加托吊不銹鋼片，加強(qiáng)面層與鋼絲網(wǎng)連接；鋼絲網(wǎng)表層涂結(jié)構(gòu)膠，減緩銹蝕過程；對(duì)鋼龍骨進(jìn)行除銹后涂防銹漆；在鋼絲網(wǎng)與鋼龍骨間綁扎銅絲以提高牢固程度。通過上述措施提升觀眾廳大頂安全使用性能。

1.3 問題及需求

2019年3月，上海音樂廳再次啟動(dòng)文物建筑保護(hù)修繕。修繕前，對(duì)觀眾廳大頂進(jìn)行詳細(xì)的專項(xiàng)查勘，發(fā)現(xiàn)大頂裝飾層存在百余條裂縫、鋼板網(wǎng)銹蝕等損傷情況，其中部分裂縫深而長(zhǎng)，貫穿整個(gè)裝飾層。

考慮到大頂已有90年歷史，各項(xiàng)性能有所衰退，并且歷次修繕過程中雖采取不同程度的修繕措施，但并未進(jìn)行完整性修繕。因此在本次修繕時(shí)，要求在對(duì)大頂現(xiàn)狀損傷進(jìn)行保護(hù)修繕的同時(shí)，做好大頂預(yù)防性保護(hù)；提出加強(qiáng)后續(xù)大頂使用過程中的安全監(jiān)測(cè)，全面了解大頂安全狀態(tài)，為及時(shí)處理、消除大頂潛在安全隱患提供技術(shù)支撐，確保觀眾廳安全使用。

2 特點(diǎn)難點(diǎn)和技術(shù)路線

2.1 特點(diǎn)難點(diǎn)

1）非結(jié)構(gòu)類的老舊組合裝飾大頂，全生命周期監(jiān)測(cè)難度大。不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件監(jiān)測(cè)，觀眾廳大頂由結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)裝飾構(gòu)件組合而成，構(gòu)造形式多樣；構(gòu)件材料存在損傷；再加上大頂?shù)钠茐念愋捅容^復(fù)雜，通過監(jiān)測(cè)來反映大頂全生命周期服役狀態(tài)，難度比較大。

2）大頂安全重要等級(jí)高，監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)估應(yīng)及時(shí)、系統(tǒng)和高效。通過監(jiān)測(cè)手段全面了解大頂各項(xiàng)性能，及時(shí)處理和消除潛在安全隱患，確保大頂安全服役，對(duì)觀眾廳正常運(yùn)營至關(guān)重要。因此，應(yīng)建立一套高效、智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息，對(duì)大頂服役狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估。

3）大頂監(jiān)測(cè)不得破壞文物建筑，不得干擾觀眾廳正常演出。觀眾廳大頂作為文物重點(diǎn)特色保護(hù)部件，對(duì)大頂安裝監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備，應(yīng)遵循文物建筑保護(hù)原則，不得損壞文物保護(hù)構(gòu)件，不得影響文物空間整體風(fēng)貌。此外，觀眾廳作為上海音樂廳觀演場(chǎng)館，對(duì)大頂進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)不得干擾音樂廳正常演出。

2.2 技術(shù)路線

考慮文物建筑保護(hù)要求與特色部位安全，在觀眾廳大頂?shù)年P(guān)鍵部位無損安裝遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)觀眾廳大頂運(yùn)營環(huán)境、構(gòu)件受力性能實(shí)施全生命周期的監(jiān)測(cè)，全面掌控大頂服役狀態(tài)；同時(shí)，構(gòu)建觀眾廳大頂遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫，并將監(jiān)測(cè)圖表數(shù)據(jù)與大頂模型進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化展示，對(duì)大頂變形進(jìn)行智能監(jiān)控和預(yù)警。

3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 大頂安全性能數(shù)值分析

考慮文物大頂構(gòu)造形式多樣、傳力體系錯(cuò)綜復(fù)雜，采用數(shù)字技術(shù)建立大頂三維模型，結(jié)合材料性能檢測(cè)，開展基于材料損傷模型的大頂安全性能分析?？紤]木屋架結(jié)構(gòu)與裝飾面層的抹灰自重荷載以及馬道活荷載。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：木屋架結(jié)構(gòu)中的下弦桿桿件所受彎矩較大，尤其是靠近端部位置、上弦桿端部彎矩較大，腹桿應(yīng)力水平較高；木屋架下弦桿中點(diǎn)左右1/3處豎向位移較大。此外，裝飾面層部分豎向位移主要集中在2榀木屋架的中央?yún)^(qū)域，最大豎向位移值為13 mm。

3.2 大頂監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

為充分反映大頂裝飾層及上部木屋架安全狀況，結(jié)合大頂各部分性能理論分析，從以下2個(gè)方面對(duì)大頂進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)。

1）觀眾廳大頂運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測(cè)。由于大頂為鋼、木結(jié)構(gòu)組合體系，木結(jié)構(gòu)為大頂主要部件，白蟻、溫濕度變化、火災(zāi)等環(huán)境因素對(duì)大頂?shù)陌踩\(yùn)營影響甚大，因此，對(duì)上述環(huán)境因素進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)。

2）觀眾廳大頂變形監(jiān)測(cè)。對(duì)大頂上部木屋架應(yīng)力、變形，下部裝飾層沉降、剝離進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來監(jiān)控大頂結(jié)構(gòu)性坍塌、裝飾面層層間剝離等可能性。

3.2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)和安裝

1）溫濕度監(jiān)測(cè)?？紤]到大頂木構(gòu)件、紙筋灰材性與溫濕度的相關(guān)性，監(jiān)測(cè)木屋架及大頂周邊溫濕度情況。在木屋架內(nèi)、木屋架與鋼屋架間內(nèi)各放置2個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2）白蟻監(jiān)測(cè)。在木屋架內(nèi)部選取5榀木桁架，每榀木桁架上布置1臺(tái)白蟻監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)在木屋架周邊布置2臺(tái)白蟻監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)白蟻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3）消防火災(zāi)監(jiān)測(cè)。在木屋架室內(nèi)四周及中間位置均布安裝煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置、紅外光束感煙探測(cè)器、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)木屋架內(nèi)消防火災(zāi)隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4）木屋架位移變形與應(yīng)力監(jiān)測(cè)（圖5）。選擇⑤軸和⑦軸木屋架桁架作為典型構(gòu)件對(duì)木屋架應(yīng)力變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在木屋架下弦桿左右各1/3處及跨中位置處布置靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)豎向位移；在上弦桿和下弦桿上設(shè)置傾角儀，監(jiān)測(cè)木屋架平面內(nèi)外傾斜情況；同時(shí)在木屋架近馬道內(nèi)側(cè)受拉腹桿、下弦桿中部和端部受拉區(qū)，以及上弦桿端部受壓區(qū)等應(yīng)力水平較大區(qū)域布置振弦式應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)木屋架主要構(gòu)件的應(yīng)力水平。此外，布設(shè)振動(dòng)傳感器，獲取正常使用下木屋架振動(dòng)響應(yīng)，判斷木屋架是否處于安全狀態(tài)。上述監(jiān)測(cè)傳感器通過U形鋼抱箍安裝固定在屋架木構(gòu)件上，方便安裝和拆卸，也避免對(duì)木構(gòu)件造成損傷。

圖5 木屋架監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

5）大頂裝飾面層位移變形監(jiān)測(cè)（圖6）。大頂裝飾層變形包括裝飾整體變形、面層與基層鋼板網(wǎng)間脫落剝離和裝飾面層開裂3種類型。在大頂下方觀眾廳內(nèi)布置激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)裝飾面層整體變形，監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量精度不低于1 mm，共布置25臺(tái)測(cè)距設(shè)備；采用拉線式位移傳感器與激光測(cè)距儀設(shè)備兩者組合監(jiān)測(cè)裝飾層脫落，在裝飾層上表面（木屋架內(nèi)）布置25臺(tái)拉線式位移傳感設(shè)備，一端固定在木屋架，另一端固定在鋼板網(wǎng)上，與觀眾廳內(nèi)激光測(cè)距儀布設(shè)點(diǎn)位豎向?qū)R，通過兩者監(jiān)測(cè)差值來反映面層脫落情況。此外，采用三維掃描、圖像采集對(duì)觀眾廳大頂裂縫進(jìn)行定期巡查，并對(duì)裂縫長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行識(shí)別診斷。

圖6 大頂裝飾層監(jiān)測(cè)設(shè)備布置示意

考慮到激光測(cè)距儀器安裝不得影響觀眾廳整體美觀和正常使用，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)對(duì)觀眾廳大頂?shù)谋O(jiān)測(cè)，現(xiàn)通過優(yōu)化安裝位置，選取座椅椅角靠背墊處大理石地面位置進(jìn)行安裝，利用座墊回轉(zhuǎn)后椅背與椅座間的空隙為監(jiān)測(cè)提供空間。

3.2.3 監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置

以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全面反映監(jiān)測(cè)對(duì)象所測(cè)項(xiàng)目重要變化過程，不遺漏其變化時(shí)刻為原則，在不影響正常演出的條件下，初步確定各監(jiān)測(cè)頻率：環(huán)境溫濕度、白蟻蟲害、消防火災(zāi)24 h持續(xù)監(jiān)測(cè)；木屋架變形與應(yīng)力監(jiān)測(cè)1次/h，裝飾面層變形監(jiān)測(cè)1次/d，此外面層開裂每2個(gè)月監(jiān)測(cè)1次。后期結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，如有調(diào)整需求，可通過遠(yuǎn)程重新設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率。

3.2.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警值設(shè)定

基于損傷結(jié)構(gòu)的大頂數(shù)值模擬分析，結(jié)合構(gòu)件的損傷程度和安全重要性，參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，制定大頂變形初始預(yù)警值。后期基于大頂監(jiān)測(cè)變形增量數(shù)據(jù)的迭代分析，并結(jié)合穹頂現(xiàn)狀，對(duì)預(yù)警值進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以便與穹頂實(shí)際服役情況相符合。

4 監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)構(gòu)建與設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)構(gòu)建

監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集與傳輸端、數(shù)據(jù)管理與存儲(chǔ)端、數(shù)據(jù)分析與展示端以及預(yù)警端等部分?；谖锫?lián)網(wǎng)與5G技術(shù)，將采集后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至云端數(shù)據(jù)庫，并按照設(shè)定好的算法自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的篩選、過濾、分析與評(píng)估；通過三維激光掃描、無人機(jī)航拍、近景測(cè)量等手段，結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)大頂進(jìn)行實(shí)景逆向建模，構(gòu)建大頂三維數(shù)字化模型，以BIM數(shù)字化三維模型為載體，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過云圖在平臺(tái)模型上進(jìn)行可視化展示。

此外，基于大頂變形增量數(shù)據(jù)的迭代分析，結(jié)合構(gòu)件的損傷程度和安全重要性，建立分級(jí)預(yù)警制度，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，將自動(dòng)提示使用者提前介入與判別風(fēng)險(xiǎn)，以保障大頂?shù)恼Ｊ褂谩?/p>

4.2 監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

4.2.1 監(jiān)測(cè)場(chǎng)景及傳感器狀態(tài)查看

通過平臺(tái)可查看帶紋理貼圖和光照等真實(shí)感效果的三維監(jiān)測(cè)模型，體驗(yàn)大頂監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，支持通過視角變換、漫游等方式從不同角度查看大頂構(gòu)造層各構(gòu)件狀況，以及構(gòu)件監(jiān)測(cè)設(shè)備點(diǎn)位、性能和工作狀態(tài)，幫助用戶更直觀地了解大頂監(jiān)測(cè)情況。

4.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析

通過平臺(tái)可以查看大頂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，直接知曉大頂工作狀態(tài)下各項(xiàng)性能參數(shù)；同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行聯(lián)動(dòng)后，監(jiān)測(cè)結(jié)果直接通過平臺(tái)上的模型云圖顯示，直觀獲取大頂服役狀態(tài)和各項(xiàng)部件的變化。此外，在平臺(tái)上可以隨意選擇某個(gè)歷史時(shí)間點(diǎn)，結(jié)合模型查詢大頂各構(gòu)造層構(gòu)件的歷史監(jiān)測(cè)工況和數(shù)據(jù)，為大頂進(jìn)行事中監(jiān)控和事后分析提供數(shù)據(jù)支撐（圖7）。

圖7 觀眾廳大頂安全監(jiān)測(cè)結(jié)果展示平臺(tái)界面

4.3 綜合評(píng)估與預(yù)警

平臺(tái)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警值間的實(shí)時(shí)對(duì)比分析，一旦監(jiān)測(cè)值超出正常范圍，平臺(tái)將自動(dòng)生成報(bào)警消息，并根據(jù)預(yù)警等級(jí)將其推送到相關(guān)管理人員手機(jī)移動(dòng)端或電腦端，提示管理人員提前判別與介入風(fēng)險(xiǎn)，以保障大頂?shù)恼Ｊ褂谩?/p>

5 結(jié)語

針對(duì)上海音樂廳觀眾廳文物保護(hù)大頂安全監(jiān)測(cè)問題，結(jié)合大頂安全性能理論分析，合理選擇監(jiān)測(cè)方法和設(shè)備，實(shí)時(shí)、高效、連續(xù)性獲取大頂服役狀態(tài)，構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，對(duì)大頂?shù)氖褂脿顟B(tài)進(jìn)行評(píng)估、分析與可視化展示，并進(jìn)行相關(guān)預(yù)警，輔助觀眾廳運(yùn)營管理，確保上海音樂廳文物建筑的安全使用。

此外，通過監(jiān)測(cè)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)文物保護(hù)部位構(gòu)件使用安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，既可以實(shí)時(shí)掌握文物建筑使用狀態(tài)，又能保護(hù)和延續(xù)文物建筑的原始特征與價(jià)值，為歷史文物建筑的預(yù)防性保護(hù)提供有力的技術(shù)支撐。