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    應(yīng)縣木塔變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)與方法

    2021-06-24 22:55周俊召王新征喬禹楊轉(zhuǎn)華永昕群
    中國文化遺產(chǎn) 2021年1期
    關(guān)鍵詞:變形監(jiān)測(cè)

    周俊召 王新征 喬禹 楊轉(zhuǎn)華 永昕群

    摘要:針對(duì)應(yīng)縣木塔整體及局部的變形監(jiān)測(cè),近年來利用成熟的測(cè)繪方法和技術(shù),如自由設(shè)站、三維平差、測(cè)量機(jī)器人、改進(jìn)多測(cè)回測(cè)角軟件、應(yīng)用高鐵CPⅢ測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作,保證了數(shù)據(jù)精度,同時(shí)提高了工作效率。通過2-3個(gè)月為一周期的變形監(jiān)測(cè),截至2020年12月已經(jīng)獲得了28組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)分周期間、年度、累積時(shí)間的整理分析,計(jì)算本次變化量、本次變化速率、累計(jì)變化量及累計(jì)變化速率,繪制木塔各層偏移情況圖、二層各立柱存量以及增量曲線表、基礎(chǔ)及各層沉降情況表等,最終以年度總結(jié)報(bào)告的形式表達(dá)。實(shí)踐表明,目前使用的測(cè)量技術(shù)與方法滿足應(yīng)縣木塔變形監(jiān)測(cè)的精度要求,為應(yīng)縣木塔保護(hù)工作提供了階段性數(shù)據(jù)支撐。但是仍存在很多的技術(shù)難題,比如結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的木塔暗層幾何變形監(jiān)測(cè)問題,塔剎、屋面的精確監(jiān)測(cè)問題等等。隨著變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,應(yīng)縣木塔的變形監(jiān)測(cè)方法將進(jìn)一步完善,思路也將更加廣泛。

    關(guān)鍵詞:應(yīng)縣木塔;變形監(jiān)測(cè);精密水平位移監(jiān)測(cè);自由設(shè)站

    引言

    應(yīng)縣木塔始建于遼清寧二年(1056年),木塔高65.838米[1],是我國現(xiàn)存體量最大的木質(zhì)結(jié)構(gòu)佛塔,具有較高的歷史文化價(jià)值。受千年風(fēng)雨侵蝕及人為破壞等因素的影響,木塔現(xiàn)存在嚴(yán)重的變形。如何保持木塔長期聳立,穩(wěn)定持續(xù),并能夠?qū)⑵鋬r(jià)值繼續(xù)傳承下去,是木塔保護(hù)工作的重要任務(wù)。在變形機(jī)理未能完全掌握,保護(hù)方案尚未形成共識(shí)的情況下,進(jìn)行長期且有效的變形監(jiān)測(cè)工作變得尤為重要。

    根據(jù)以往歷史資料整理,近二十年來,曾開展過兩次主要的應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)。第一次是1999年,由太原市勘察測(cè)繪研究院承擔(dān),首次建立了變形監(jiān)測(cè)的絕對(duì)基準(zhǔn),歷時(shí)兩年,采集了兩次數(shù)據(jù)。受當(dāng)時(shí)測(cè)量設(shè)備精度限制,變形監(jiān)測(cè)水平位移變形點(diǎn)點(diǎn)位中誤差±3毫米,三角高程中誤差±10毫米[2],該精度指標(biāo)已不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,且監(jiān)測(cè)時(shí)間短、單次周期長,木塔周期性波動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)分析有干擾。第二次是2008—2013年,由中國文化遺產(chǎn)研究院承擔(dān),前期采用拉線計(jì)、后期補(bǔ)充傾斜儀等設(shè)備進(jìn)行了局部的變形監(jiān)測(cè)[3],拉線計(jì)是以物理拉線結(jié)合千分尺或其他精密尺具的方式監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形,明層各柱與重要結(jié)構(gòu)體之間布沒密集拉線。隨著時(shí)間的推移,受到木塔清掃、安全巡視等工作以及棲息鳥類的干擾,加之線體銹蝕等因素影響,各類線體很難長期穩(wěn)定保存。另外,各柱位移變化量與外部及木塔整體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)量關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。隨著近年工程測(cè)量技術(shù)的迅速提升,為了改進(jìn)上述問題,2015年開始,中國文化遺產(chǎn)研究院聯(lián)合建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司采用高精度測(cè)量機(jī)器人、數(shù)字水準(zhǔn)儀等較為先進(jìn)且成熟的現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)方法,開展應(yīng)縣木塔的變形監(jiān)測(cè)工作。

    一、水平位移臨測(cè)

    1.監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)控制網(wǎng)建立

    基準(zhǔn)網(wǎng)是監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ),是確定監(jiān)測(cè)對(duì)象絕對(duì)位移量的基準(zhǔn)。建立穩(wěn)固、準(zhǔn)確、能長期保存的變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)不僅是現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)工作的前提,對(duì)于以后監(jiān)測(cè)工作的銜接也具有重要意義。監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)在1999年建立的監(jiān)測(cè)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[4]。首先將原有適用于光學(xué)儀器的固定裝置,更換為適用于新型具備自動(dòng)觀測(cè)功能的電子全站儀的固定裝置。其次對(duì)現(xiàn)有基準(zhǔn)網(wǎng)重新測(cè)量,并進(jìn)行長期且多次復(fù)測(cè),觀測(cè)中誤差小于1.5毫米,通過線性回歸分析,驗(yàn)證了基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。

    2.整體水平變形監(jiān)測(cè)

    木塔外槽120根立柱在監(jiān)測(cè)期間的水平位移量,是木塔整體結(jié)構(gòu)變形的重要參考數(shù)據(jù)之一。在木塔外槽立柱上布設(shè)120個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(木塔二層暗層和2—5層明層共5層,每層包含24根外立柱),并進(jìn)行半自動(dòng)化觀測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用測(cè)量精度為0.3毫米的專用小型棱鏡,將其使用定制的裝置固定在各柱柱頭如圖1。

    在木塔管理院落內(nèi)布設(shè)編號(hào)為K5、K6、K7的3個(gè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩上分別使用監(jiān)測(cè)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測(cè),與院落內(nèi)外其他監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)后視定向,使用機(jī)載多測(cè)回測(cè)角軟件對(duì)木塔各層外槽立柱上水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多測(cè)回的觀測(cè)獲取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)精度保證在±1毫米。監(jiān)測(cè)網(wǎng)示意圖見圖2、3。

    3.局部重點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)

    由于木塔二層明層傾斜情況嚴(yán)重,因此有必要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部重點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)。因視線阻礙,在木塔二層內(nèi)槽自由設(shè)站不能與外部控制點(diǎn)通視,傳統(tǒng)自由設(shè)站在待定點(diǎn)安置全站儀,測(cè)出待定點(diǎn)到已知控制點(diǎn)之間的距離和角度,根據(jù)方向觀測(cè)值和邊長觀測(cè)值建立方向誤差方程式與邊長誤差方程式,計(jì)算待定點(diǎn)的坐標(biāo)的方法在此不適用[5]。于是將機(jī)載多測(cè)回測(cè)角程序的定向方式和局部坐標(biāo)系進(jìn)行了改進(jìn),以測(cè)站為零點(diǎn)、測(cè)站照準(zhǔn)第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為零方向的直角坐標(biāo)系,塔內(nèi)不再通過已知控制點(diǎn)進(jìn)行自由設(shè)站,而是通過多測(cè)回測(cè)角程序直接照準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按順時(shí)針進(jìn)行觀測(cè),對(duì)每一站數(shù)據(jù)平差后,得到的每一個(gè)測(cè)站都有一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系,不同測(cè)站間有大量的同名點(diǎn),通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及迭代最近點(diǎn)算法(ICP)[6],對(duì)各測(cè)站的數(shù)據(jù)精確匹配及誤差評(píng)定。在外槽環(huán)廊設(shè)站,后視觀測(cè)塔外已知控制點(diǎn),實(shí)現(xiàn)內(nèi)外坐標(biāo)體系統(tǒng)一。

    圖4、5為木塔明層二層內(nèi)槽8根立柱,外槽24根立柱的布點(diǎn)示意,每根立柱上下同一水平面各布設(shè)三個(gè)棱鏡,采用立柱中某一段立柱的傾斜量來反映出整個(gè)立柱的傾斜變化量。通過在同一水平面的上、下兩個(gè)平行面來截取立柱,每根立柱的傾斜變形量由截面的上、下中心位置計(jì)算得出后換算至整柱,通過三點(diǎn)擬合幾何形心的變化來代表立柱的位移情況,數(shù)據(jù)精度保證在±1毫米。

    二、豎向位移臨測(cè)

    木塔沉降采用天寶DiNi03數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行工作,嚴(yán)格按照規(guī)范施測(cè)[7](圖6)。沉降監(jiān)測(cè)精度滿足一等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的要求往返閉合差小于0.3√n毫米(n為測(cè)站數(shù))。

    1.木塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)

    木塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)首先將沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高程基準(zhǔn)點(diǎn)高程傳遞至木塔基礎(chǔ)層的工作基準(zhǔn)點(diǎn),然后按照要求在木塔基礎(chǔ)層上進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè),形成閉合環(huán)路,觀測(cè)時(shí)由基準(zhǔn)點(diǎn)至木塔工作基點(diǎn)的連接段與木塔基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均組成各自閉合環(huán),采用整體平差,經(jīng)過平差處理后,計(jì)算木塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程,由此計(jì)算本期木塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)期沉降變化量及累積沉降量,數(shù)據(jù)精度保證在±0.15毫米。

    2.各明層沉降監(jiān)測(cè)

    各明層沉降監(jiān)測(cè)采用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。由于樓梯高差大、場(chǎng)地狹小,不能直接從木塔基礎(chǔ)把高程傳遞到相關(guān)樓層,采用三角高程傳遞方法傳遞絕對(duì)高程到塔上[8][9]。在木塔各明層圍廊上設(shè)置工作基準(zhǔn)點(diǎn),工作基準(zhǔn)點(diǎn)上部為棱鏡,下部為可以用于沉降觀測(cè)的標(biāo)志點(diǎn),上部和下部近似剛性連接,便于精確操作三角高程傳遞,實(shí)現(xiàn)工作基準(zhǔn)點(diǎn)與外部高程聯(lián)測(cè)。木塔各明層沉降監(jiān)測(cè)工作,首先將外部基準(zhǔn)高程傳遞至各樓層的工作基準(zhǔn)點(diǎn),然后在木塔各明層按照一等水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行沉降觀測(cè),形成閉合環(huán)路,并進(jìn)行平差處理,計(jì)算各點(diǎn)高程,數(shù)據(jù)精度保證在±0.15毫米。

    三、二層明層水平位移臨測(cè)精度保證措施

    應(yīng)縣木塔為重要的古建筑變形監(jiān)測(cè)等級(jí)一級(jí)[10],木塔外槽立柱監(jiān)測(cè)以及沉降監(jiān)測(cè)采用一等邊角網(wǎng)和一等水準(zhǔn)施測(cè),與常用建筑變形監(jiān)測(cè)方式相同,選用標(biāo)稱精度滿足相應(yīng)監(jiān)測(cè)等級(jí)的儀器以及監(jiān)測(cè)人員按規(guī)范進(jìn)行作業(yè),可滿足各測(cè)項(xiàng)精度要求,這里不過多闡述。本文重點(diǎn)介紹木塔二層明層水平位移監(jiān)測(cè)的精度保證以及木塔周期性波動(dòng)變化對(duì)監(jiān)測(cè)精度影響的討論。

    1.變形監(jiān)測(cè)儀器精度

    根據(jù)監(jiān)測(cè)等級(jí)選用徠卡0.5”級(jí)TM30精密監(jiān)測(cè)機(jī)器人作為監(jiān)測(cè)設(shè)備并在檢定有效期內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖7),儀器標(biāo)稱精度滿足監(jiān)測(cè)等級(jí)要求,主要特點(diǎn)見表1。

    2.數(shù)據(jù)處理精度控制

    等級(jí)為一級(jí)變形監(jiān)測(cè),精度要求位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)中誤差小于1毫米。采用邊長交會(huì)或是邊角交會(huì),計(jì)算出來的自由設(shè)站點(diǎn)位中誤差均不超過1毫米,滿足變形監(jiān)測(cè)對(duì)精度要求[11]。

    在二層明層進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)時(shí),需要布設(shè)17站,考慮到木塔內(nèi)槽通視條件差、環(huán)境狹小,且要求觀測(cè)精度高,采用自由設(shè)站的方式進(jìn)行觀測(cè)十分必要。經(jīng)測(cè)量實(shí)踐及理論證明,在后視條件較好的情況下,自由沒站一方面能夠消除人為操作的對(duì)點(diǎn)誤差,另一方面在滿足附合或閉合的條件下,可以有效地控制和減小誤差傳遞與累積。通過合理安放棱鏡及測(cè)站設(shè)置,木塔二層明層具備良好的后視條件,而且具備多個(gè)閉合條件,相比較傳統(tǒng)工作方式,測(cè)量精度大大提高,通過平差后,整體精度優(yōu)于1毫米。

    多測(cè)回測(cè)角是建立高等級(jí)三角網(wǎng)、導(dǎo)線(網(wǎng))以及大型構(gòu)筑物和建筑物形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)時(shí)的主要觀測(cè)手段[12]。在木板上設(shè)站位置相對(duì)地面不穩(wěn)定,如果減少觀測(cè)人員接觸儀器的時(shí)間,會(huì)很大程度上提高測(cè)量精度,徠卡TM30多測(cè)回測(cè)角程序可在人為照準(zhǔn)學(xué)習(xí)后,自動(dòng)進(jìn)行n個(gè)測(cè)回的觀測(cè)并即時(shí)將獲得的數(shù)據(jù)(角度、距離、高差等)進(jìn)行前期的單測(cè)站平差計(jì)算,并檢查各項(xiàng)指標(biāo)是否超限,保證數(shù)據(jù)的可靠性[13]。

    如圖8、9表示不同測(cè)站間有大量的同名點(diǎn),完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的內(nèi)槽環(huán)廊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與可以測(cè)得外部控制的外槽環(huán)廊數(shù)據(jù)進(jìn)行整體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)木塔塔內(nèi)局部變形到絕對(duì)變形的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)平差計(jì)算及誤差控制的思路與當(dāng)前高鐵控制CPⅢ測(cè)量方式具有類似之處,采用全站儀自由沒站進(jìn)行邊角交會(huì)測(cè)量,通過相鄰測(cè)站重疊觀測(cè)多個(gè)點(diǎn)獲得測(cè)站和點(diǎn)間的強(qiáng)相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)間極高的相對(duì)精度[14]。

    3.周期性變化對(duì)測(cè)量精度的討論

    木塔結(jié)構(gòu)一直處在動(dòng)態(tài)變化之中,木塔的變形應(yīng)分為兩部分,一部分為木塔自身隨著季節(jié)的變化而發(fā)生的周期性變形,另一部分為木塔結(jié)構(gòu)劣化持續(xù)增加的變形,為木塔的不可逆變形。通過近5年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,季節(jié)性的波動(dòng)雖然存在,但木塔持續(xù)增加的劣化變形在持續(xù)增大。如圖10、11(圖內(nèi)數(shù)值表示偏移增量而非存量)單從一年看周期性波動(dòng)非常明顯,但將監(jiān)測(cè)周期拉長,隨著變形累積量的增大,劣變形趨勢(shì)明顯,周期性波動(dòng)將不再成為主要的變形量,因此通過長期有效的監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確地把握木塔結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)。

    四、臨測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析

    木塔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅僅是坐標(biāo)形式的表現(xiàn),將長期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)掘分析,表示為整體和具體的變形情況對(duì)于木塔的安全性分析是非常重要的。

    通過2-3個(gè)月為一周期的變形監(jiān)測(cè),截至2020年12月已經(jīng)獲得了28組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)分周期間、年度、累積時(shí)間的整理分析,計(jì)算本次變化量、本次變化速率、累計(jì)變化量及累計(jì)變化速率。繪制木塔各層偏移情況圖、二層各立柱存量以及增量曲線表、基礎(chǔ)及各層沉降情況表等,最終以年度總結(jié)報(bào)告的形式表達(dá)。

    以現(xiàn)木塔二層明層偏移量最大的立柱西南平柱23號(hào)柱(簡稱M2W23)為例,如圖12研究其法切向的傾斜變化,計(jì)算出傾斜角度和傾斜量。每次監(jiān)測(cè)后進(jìn)行這樣的分析計(jì)算,計(jì)算立柱在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的變化,有無異常波動(dòng)情況。

    五、結(jié)沿

    本文概述了應(yīng)縣木塔變形監(jiān)測(cè)的水平位移工作方法,介紹了用測(cè)量機(jī)器人在視野受限的復(fù)雜場(chǎng)地使用自由設(shè)站方法、多測(cè)回測(cè)角、應(yīng)用高鐵CPlll測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法,實(shí)現(xiàn)木塔高精度水平位移變形監(jiān)測(cè)的實(shí)踐技術(shù)。5年實(shí)踐表明,目前使用的測(cè)量技術(shù)與方法滿足應(yīng)縣木塔變形監(jiān)測(cè)的精度要求,初步量化了各方關(guān)心的變形狀態(tài)、趨勢(shì)、速率,為應(yīng)縣木塔保護(hù)工作提供了階段性數(shù)據(jù)支撐。

    由于應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,盡管采用了一些新的成熟的技術(shù)應(yīng)用在木塔變形監(jiān)測(cè)工作中,但是仍存在很多的技術(shù)難題,比如結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的木塔暗層幾何變形監(jiān)測(cè)問題,塔剎、屋面的精確監(jiān)測(cè)問題等等。

    隨著變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,應(yīng)縣木塔的變形監(jiān)測(cè)方法也將進(jìn)一步完善,思路也將更加廣泛。以下為對(duì)日后木塔監(jiān)測(cè)的展望和工作計(jì)劃的思考:

    (1)木塔二層明層監(jiān)測(cè)方法漸漸成熟,其他各層開展同類變形監(jiān)測(cè)也應(yīng)有序進(jìn)入實(shí)施階段,自變形較大的二層暗層及三層明層開始。

    (2)目前監(jiān)測(cè)工作周期為2-3個(gè)月,缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。現(xiàn)階段各類位移傳感器日趨發(fā)展成熟,采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)木塔自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方法也將是木塔監(jiān)測(cè)工作的一個(gè)重要內(nèi)容。

    (3)隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的拉長,監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量日益龐大,研制智能化分析管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)是木塔監(jiān)測(cè)工作面臨的一個(gè)課題。

    綜上所述,可以說應(yīng)縣木塔的變形監(jiān)測(cè)既是一項(xiàng)測(cè)繪工程,也是一項(xiàng)課題研究。

    (本文圖片由作者提供,中國文物信息咨詢中心關(guān)育華、建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院鄭毅對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)、)

    [本文為中國文化遺產(chǎn)研究院承擔(dān)的應(yīng)縣人民政府委托項(xiàng)目“應(yīng)縣木塔變形監(jiān)測(cè)專項(xiàng)”2015—2020年度部分成果。]

    參考文獻(xiàn):

    [1]侯衛(wèi)東主編,王株安、永昕群編著應(yīng)縣木塔保護(hù)研究[M]北京文物出版社,2016

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    (責(zé)任編輯:張雙敏)

    ①通訊作者

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