基于數(shù)字化模型的外立面不停業(yè)保護(hù)修繕技術(shù)研究

楊鍥的（上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司， 上海 200072）

我國具有悠久的歷史，在漫長(zhǎng)的歲月中，歷史建筑是一個(gè)地區(qū)歷史發(fā)展的見證，也是人類智慧與汗水的結(jié)晶，其蘊(yùn)藏著濃厚的歷史文化氣息，是重要的不可再生文化資源，具有重要的藝術(shù)、科學(xué)和歷史研究?jī)r(jià)值，對(duì)歷史建筑進(jìn)行保護(hù)是社會(huì)發(fā)展和城鄉(xiāng)規(guī)劃的重要內(nèi)容。對(duì)歷史保護(hù)建筑進(jìn)行修繕、再利用，可以保存一個(gè)地方發(fā)展的脈絡(luò)，可以記錄過去的歷史，為社會(huì)發(fā)展提供思考，能夠增強(qiáng)該地區(qū)視覺連續(xù)性，使不同年代、風(fēng)格的建筑可以和諧共存，豐富城市風(fēng)貌，增加城市內(nèi)涵，也可以作為本地發(fā)展的見證。

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 2021年統(tǒng)計(jì)，全國歷史保護(hù)建筑已達(dá) 4.27 萬處，建筑形式多種多樣。其中大型歷史保護(hù)建筑場(chǎng)館外立面不停業(yè)保護(hù)性修繕工程因其具有外立面露天施工、工程量大且分散、全過程不停業(yè)等特點(diǎn)，對(duì)此類工程的現(xiàn)場(chǎng)勘察、前期策劃、方案編制、現(xiàn)場(chǎng)施工、安全管理方面都提出了更高的要求。使用數(shù)字化技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、BIM 技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)等現(xiàn)代化科技，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的初期構(gòu)思、方案優(yōu)化和施工過程輔助等方面都發(fā)揮巨大的作用。

1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目為上海市延安中路 1000 號(hào)上海展覽中心優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑外立面修繕工程。該工程位于上海市中心靜安區(qū)，北鄰南京西路、南面延安高架路、東起威海路、西到銅仁路。地處繁華地段，人流密集，是上海市最為重要和核心的城市公共空間節(jié)點(diǎn)之一。

工程總建筑面積 90000 m2，建筑單體包括：序館、中央大廳、友誼會(huì)堂、東一館、西一館、東二館、西二館、東角亭、西角亭、小黃樓、商務(wù)樓、鍋爐房、機(jī)電所、冷氣機(jī)房、南北門房、圍墻以及上海展覽中心用地范圍內(nèi)的所有其他建筑、構(gòu)筑物。

工程的外立面修繕范圍：外墻飾面、外門窗、外立面裝飾及檐口線腳等立面特色裝飾、室外立柱、局部平屋面的滲漏修補(bǔ)、建筑落水管修繕，序館鋼塔金飾面的保護(hù)修繕。建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)空間、建筑外部環(huán)境的修繕不在本次工程范圍內(nèi)。

2 研究意義

歷史保護(hù)建筑的數(shù)量一直都在增長(zhǎng)，根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，2021年與 2015年比，歷史街區(qū)的數(shù)量翻了 1 倍，歷史建筑的數(shù)量增加了 4 倍。歷史保護(hù)建筑保護(hù)性修繕項(xiàng)目的市場(chǎng)總量也將一并增長(zhǎng)。通過對(duì)大型歷史保護(hù)建筑場(chǎng)館外立面不停業(yè)保護(hù)性修繕關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，總結(jié)并傳遞經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后大量同類工程的順利實(shí)施有著寶貴的參考價(jià)值和重要的幫助作用。

3 研究過程

3.1 基于數(shù)字化模型的外立面不停業(yè)保護(hù)修繕技術(shù)研究

上海展覽中心于 2001年的大修中對(duì)塔身紫銅基層板進(jìn)行過除舊，重新電鍍金的方法進(jìn)行修繕。但是 20 a 后的現(xiàn)在，紫銅基層銹蝕，污染外墻飾面；鋼塔表面變黑，影響建筑風(fēng)貌。可見當(dāng)時(shí)的修繕方案雖能在外觀效果上達(dá)到修繕要求，但耐久性欠佳，而此次修繕工作急需一種能兼顧外觀效果及耐久性能的新方案。

優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑修繕工作要求采用原工藝、原材料、原形制進(jìn)行。經(jīng)查閱 1954年的歷史圖紙與相關(guān)文獻(xiàn)記錄發(fā)現(xiàn)，鋼塔塔身使用 1300 張 0.7～0.8 mm 厚的紫銅皮，壓制出花紋后包裹；紫銅皮表面采用鎏金工藝，對(duì)于鋼塔轉(zhuǎn)角處不能采取鎏金工藝的節(jié)點(diǎn)，則采取鍍金處理。

鎏金是一種中國傳統(tǒng)工藝，將金子壓成薄片后制成金粉，再溶解在水銀中；用刷子蘸取溶解了金粉的水銀，均勻涂在潔凈的銅皮表面，再用炭火烤，使水銀受熱蒸發(fā)，將金粉餾在銅皮表面；然后用鋼料對(duì)鎏金后的銅皮進(jìn)行磨光處理，最后涂上一層香蕉水，使其增加光彩。但是汞蒸氣有劇毒，使用鎏金工藝顯然不滿足目前日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求，只得放棄該方案。于是設(shè)計(jì)單位提出參照北京展覽館鋼塔金飾面做法，采用不銹鋼鍍鈦合金板方案。但是，在接下來的分析討論中發(fā)現(xiàn)此方案并不適合于本次的鋼塔金飾面修繕，因?yàn)樵摲桨感枰谠摻Y(jié)構(gòu)基層上加建鋼架，將增加建筑載荷，并且會(huì)使鋼塔直徑增加，直接改變?cè)椕嫘Ч蜌v史風(fēng)貌，違背了真實(shí)性、最低限度干預(yù)的修繕工作原則，故該方案也被否決。

3.2 基于數(shù)字化技術(shù)對(duì)序館鋼塔構(gòu)件進(jìn)行分析研究

根據(jù) 1954年的歷史圖紙及無人機(jī)特寫照片可以看出，序館鋼塔外包鍍金紫銅皮，形成獨(dú)特的金色外觀，固定方式為上板壓下板，以壓條、鉚釘及側(cè)邊對(duì)穿螺栓固定（圖 1）。

圖1 銅板及裝飾構(gòu)件安裝形式分析

項(xiàng)目部對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行建模，分析構(gòu)件之間的安裝關(guān)系及順序，對(duì)今后的拆除及安裝進(jìn)行數(shù)字模擬，確認(rèn)整座鋼塔的所有構(gòu)件確實(shí)是能夠逐一拆除再逐一恢復(fù)安裝的。圖 2 為銅板及裝飾構(gòu)件分解圖。

圖2 銅板及裝飾構(gòu)件分解圖

在確定了拆裝方式之后，面對(duì)整座鋼塔的上千個(gè)不同構(gòu)件，又一個(gè)問題接踵而至，如何對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行逐一追蹤，保證每一個(gè)構(gòu)件都能在修整完畢后準(zhǔn)確無誤地安裝回原本的位置，不發(fā)生任何錯(cuò)位及不丟失。解決辦法是使用數(shù)字化技術(shù)，根據(jù)無人機(jī)影像成果以及原始藍(lán)圖建立的 BIM 模型，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，拆分和數(shù)量提取。塔身有 1336 塊銅板、 888 個(gè)泡釘、448 根壓條和 23320 個(gè)鉚釘。通過模型對(duì)每個(gè)板塊及構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)統(tǒng)計(jì)、信息錄入、二維碼標(biāo)簽綁定。

引入基于二維碼的構(gòu)配件物流跟蹤管控技術(shù)。將板塊、泡釘、壓條放在專用存儲(chǔ)箱中。在存放的時(shí)候，板塊間做隔離保護(hù)，避免磕碰損傷及化學(xué)電解反應(yīng)。各板塊及存儲(chǔ)箱通過粘貼的二維碼擁有唯一編號(hào)信息。通過集團(tuán)獨(dú)立開發(fā)的物流跟蹤管控平臺(tái)，可以快速識(shí)別存儲(chǔ)箱中的板塊信息，構(gòu)件的尺寸幾何信息及所屬安裝位置信息。

除了能夠跟蹤構(gòu)件位置信息、編號(hào)等，此系統(tǒng)還能反映出每個(gè)構(gòu)件的加工工序進(jìn)度，加工的質(zhì)量情況，并進(jìn)行推送，確保不遺漏任何一個(gè)板塊或者構(gòu)件。

3.3 序館鋼塔的金飾面修繕加工流程研究

（1）利用序館內(nèi)部空間作為整個(gè)施工區(qū)域。所有拆下來的構(gòu)件，都進(jìn)入到 8 層除銹加工區(qū)及待修繕庫存區(qū)。

（2）除銹加工完成后，對(duì)于板塊有破損、彎折甚至要替換的，是進(jìn)入到 9 層鈑金加工區(qū)。

（3）對(duì)于飾面比較平整保存比較好的，就直接進(jìn) 10 層油漆加工區(qū)進(jìn)行油漆作業(yè)。

（4）11 層為貼金加工區(qū)，在這里完成貼金工序。

（5）所有的構(gòu)件在 12 層的成品庫存區(qū)進(jìn)行堆放，等待上塔安裝。

首先是保護(hù)性的構(gòu)件拆除。拆除下來的銅板及構(gòu)件到 8 樓進(jìn)入除銹加工區(qū)進(jìn)行除銹并將銅板除銹到銅的本色，為下一道工序做好基礎(chǔ)。除銹完成后，構(gòu)件進(jìn)入 9 層進(jìn)行鈑金整形，完成整形的構(gòu)件板塊進(jìn)入 10 層進(jìn)行油漆作業(yè)。首先做的是刷環(huán)氧富鋅底漆。在內(nèi)部晾曬區(qū)等待底漆干透之后，再刷氟碳面漆，待面漆干透后，進(jìn)入 11 層的貼金加工區(qū)。常規(guī)修繕中一般使用 0.12 μm 的金箔進(jìn)行貼金，但本次項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn) 10 a 甚至 15 a 飾面不損壞不褪色，選擇使用 0.24 μm 金箔進(jìn)行貼金。整個(gè)鋼塔使用金箔 3200 g，總面積 460 m2。在整體安裝完成后，再對(duì)所有的抽芯鉚釘，對(duì)穿螺栓，進(jìn)行了補(bǔ)金的處理，避免鋼塔最后整體看起來有非金色的斑點(diǎn)出現(xiàn)。

3.4 無繩機(jī)具在序館鋼塔修繕工作中的應(yīng)用與研究

3.4.1 充電式電動(dòng)起子機(jī)的應(yīng)用

在序館鋼塔超高腳手架搭設(shè)期間，由于腳手架高度較高且平臺(tái)面積較小，電纜電線的存在對(duì)于施工人員通行產(chǎn)生不便，鋼塔修繕的電源接駁點(diǎn)為序館 11 層的二級(jí)電箱，至鋼塔最低點(diǎn)（麥穗）距離為 7.1 m，離最高點(diǎn)（塔尖）距離為 44.0 m，電纜電線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，產(chǎn)生人工接線、電箱、電纜等費(fèi)用問題。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)供用電安全規(guī)范，二級(jí)電箱與三級(jí)電箱的距離≤30 m?，F(xiàn)場(chǎng)使用盤旋式腳手架爬梯，實(shí)際所需電纜長(zhǎng)度需 60 m，鋼塔有一半高度以上的區(qū)域不適宜使用三級(jí)電箱。綜上原因，項(xiàng)目部采用無繩電動(dòng)機(jī)具配合鋼塔修繕，目的為省去線纜問題從而方便施工人員通行順暢、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、控制電纜及電箱所產(chǎn)生的成本費(fèi)用。

續(xù)航情況實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)：空轉(zhuǎn)模式持續(xù)工作下搭配電池（BL1860B）續(xù)航測(cè)試數(shù)據(jù)為低、中、高、強(qiáng)的強(qiáng)度模式的續(xù)航時(shí)間分別是 45、40、35、30 min； 實(shí)際操作（拆裝銅板）且持續(xù)工作下搭配電池（BL1860B）續(xù)航測(cè)試數(shù)據(jù)為低、中、高、強(qiáng)的強(qiáng)度模式的續(xù)航時(shí)間分別是 30、24、18、12 min；實(shí)際操作（拆裝銅板）間斷工作下搭配電池（BL1860B）續(xù)航測(cè)試數(shù)據(jù)為低、中、高、強(qiáng)的強(qiáng)度模式的續(xù)航時(shí)間分別是 35、30、25、20 min。

塔身銅板螺栓年代久遠(yuǎn)，存在不同程度銹蝕難以拆卸，故在使用電動(dòng)起子機(jī)時(shí)需要以最高強(qiáng)度模式使用，續(xù)航時(shí)間為 20 min，拆裝螺栓平均時(shí)間約為 5 s，則一次充電可拆裝螺栓 20×60/5=240 個(gè)，遠(yuǎn)少于產(chǎn)品介紹頁宣稱的 960 個(gè)?？梢娦蝠^鋼塔因基層堅(jiān)硬對(duì)電動(dòng)工具的要求相當(dāng)高。機(jī)身尺寸和質(zhì)量對(duì)比見表 1。

表1 機(jī)身尺寸和質(zhì)量對(duì)比

（1）充電式電動(dòng)起子機(jī)。序館鋼塔螺絲總計(jì) 23320 個(gè)，拆裝數(shù)量為 46640 次，3 名工人每人配備1臺(tái)機(jī)具，每臺(tái) 3 塊電池。每人每天工作 8 h，上午 720 次拆裝消耗 3 塊電池，中午進(jìn)行充電后再支持下午的 720 次拆裝，每人每天完成 1440 個(gè)拆裝，3 人 11 d 完成全部所有 46640 次拆裝。

（2）傳統(tǒng)有線電動(dòng)起子機(jī)。安裝效率不變，但每人每天上午和下午都需收納和安置三級(jí)電箱 2 次，共花費(fèi)約 40 min。使用三級(jí)電箱，電纜長(zhǎng)度達(dá)到 60 m，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)供用電安全規(guī)范，二級(jí)電箱與三級(jí)電箱的距離不宜超過 30 m。這里僅用作為計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際不建議如此施工。人員設(shè)備成本計(jì)算見表 2。

表2 人員設(shè)備成本計(jì)算

3.4.2 充電式電動(dòng)角向磨光機(jī)的應(yīng)用

序館鋼塔塔身銅構(gòu)件在涂刷環(huán)氧富鋅底漆前，需通過角磨機(jī)打磨，去除舊的金面層和銹跡，露出原本的銅面層，打磨工作在 8 層的除銹加工區(qū)完成，均以持續(xù)打磨無間斷操作方式進(jìn)行。由于銅板和鎏金層厚度非常薄，故在打磨時(shí)需要選擇適中的磨片，在保證打磨效率的同時(shí)避免損傷銅板基層。

（1）磨片的選擇。選擇適合于有色金屬的 Ce 陶瓷氧化鋁 125 mm 直徑平行千葉片。該類型按粒度由粗到細(xì)供4種型號(hào)。粒度越粗打磨痕跡越深，會(huì)在銅皮表面留下一道道劃痕；粒度越細(xì)打磨痕跡越淺，除銹和去除舊金層的效率會(huì)變低。磨光機(jī)轉(zhuǎn)速固定 8500 r/min 不可調(diào)。項(xiàng)目部使用 4 種千葉片對(duì)銅皮進(jìn)行打磨實(shí)驗(yàn)，找出合適的千葉片型號(hào)。最終項(xiàng)目部發(fā)現(xiàn) D-28503 粒度 60 的千葉片在打磨效果和效率之間能達(dá)到最好的平衡。

（2）千葉片的選擇如圖 3 所示。

圖3 千葉片的選擇

（3）充電式電動(dòng)角向磨光機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。銅皮打磨工作在序館 8 層室內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)樵谑覂?nèi)工作，無繩機(jī)具攜帶方便的優(yōu)勢(shì)完全沒有發(fā)揮的余地。而目前無繩機(jī)具又普遍存在續(xù)航差的問題，相比有線機(jī)具，在室內(nèi)工作時(shí)其劣勢(shì)更是被凸顯了出來。所以實(shí)際在 8 層的打磨除銹車間里還是傳統(tǒng)有線機(jī)具使用得更多。充電式電動(dòng)角向磨光機(jī)則主要被用來處理各種異形構(gòu)件。因?yàn)闆]有尾部電線的干擾，方便邊移動(dòng)邊持握，對(duì)于固定在工作臺(tái)上的各種異形構(gòu)件，充電式角磨機(jī)能跟隨其形狀以各種方向和路徑移動(dòng)，能夠發(fā)揮一些優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

上海展覽中心優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑修繕工程作為集歷史保護(hù)建筑修繕、超大工程體量、全程不停業(yè)施工的特點(diǎn)為一身的標(biāo)桿項(xiàng)目，過程中采用了數(shù)字化、信息化的技術(shù)手段，積累了相當(dāng)多的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了一批數(shù)字化、BIM 工程師，形成了一套全過程的歷史保護(hù)建筑數(shù)字化修繕技術(shù)。相信通過此項(xiàng)目在企業(yè)內(nèi)的推廣應(yīng)用，將這些數(shù)字化技術(shù)融入到了歷史保護(hù)建筑的保護(hù)性修繕工程中，能促進(jìn)保護(hù)修繕類工程的跨越發(fā)展。同時(shí)為后續(xù)類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒，用現(xiàn)代科技來幫助歷史建筑重新煥發(fā)往日的輝煌。