文物保護(hù)建筑檢測(cè)技術(shù)研究

暴智浩 BAO Zhihao

0 概述

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展以及城市的升級(jí)改造，現(xiàn)存歷史建筑保護(hù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，歷史建筑不可避免地會(huì)受到新建工程的影響。對(duì)于影響較小的建筑，可以用施工期間監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)加固的方法進(jìn)行保護(hù)，而對(duì)于受影響較大的古建筑，甚至需要進(jìn)行落架重建[1]。

落架重建工程，是具有中國特色的木結(jié)構(gòu)古建筑保護(hù)維修做法之一。它是指當(dāng)古建筑面臨嚴(yán)重的安全問題或有特殊原因必須拆卸重建時(shí)所采取的措施。為了保持原建筑本身的藝術(shù)特點(diǎn)，其維修工程中所采用的材料均應(yīng)與原建筑相同，其裝飾裝修如抹灰、彩畫油漆、墻紙等也需重現(xiàn)原貌。

由于落架重建工程量大、施工難度高、施工管理要求嚴(yán)格，采用此方法對(duì)古建筑進(jìn)行修復(fù)時(shí)，必須做好充分的前期準(zhǔn)備工作。同時(shí)，在重建過程中，應(yīng)做到該修補(bǔ)的修補(bǔ)、該換的換、該加固補(bǔ)強(qiáng)的加固補(bǔ)強(qiáng)。

對(duì)于需要落架重建的建筑，根據(jù)《中華人民共和國文物保護(hù)法》《中華人民共和國文物保護(hù)法實(shí)施條例》《文物保護(hù)工程管理辦法》等有關(guān)法律法規(guī)，需在建筑拆除前進(jìn)行全面勘察，為其保護(hù)和重建提供依據(jù)[2]。本文以上海某文物保護(hù)建筑為例，研究文物保護(hù)建筑落架重建的檢測(cè)方法，為相似工程檢測(cè)提供借鑒。該建筑檢測(cè)中主要采用三維激光掃描技術(shù)、傾斜測(cè)量技術(shù)、完損檢測(cè)技術(shù)對(duì)建筑外觀和細(xì)節(jié)構(gòu)造進(jìn)行勘察，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)該建筑主體結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算。

1 項(xiàng)目概況

該文物保護(hù)建筑為3 層（東側(cè)4 層）磚木混合結(jié)構(gòu)，建筑面積約1 788 m2，房屋建于1941 年，由華泰建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì)，為新式里弄住宅。新式里弄住宅在后期石庫門里弄的基礎(chǔ)上，以銅鐵柵欄門代替“石庫門”，為降低圍墻高度或用低矮柵欄代替，并用開敞式的小花園代替封閉的天井以達(dá)到更好的通風(fēng)和采光。建筑空間形態(tài)由封閉轉(zhuǎn)向開放，建筑形式以西洋裝飾為主，很少采用中國傳統(tǒng)形式。新式里弄住宅大多為3 層，少數(shù)為2 層，也有假3 層、假4 層。開間有單開間、間半式及兩開間。新式里弄住宅著眼于體現(xiàn)新的生活時(shí)尚，反映新的價(jià)值觀念，對(duì)居住環(huán)境的舒適性有了更高的要求[3]。

該建筑是有6 個(gè)獨(dú)立門洞的多層公寓，為典型的現(xiàn)代主義裝飾藝術(shù)風(fēng)格，東側(cè)及西側(cè)開間與中間4 個(gè)門洞平面布局及立面風(fēng)格均不同。房屋立面結(jié)構(gòu)形式規(guī)則，立面外墻主要采用白色粉刷，配有釉面磚裝飾細(xì)部，中部房屋北立面采用拉毛處理。屋面形式主要為紅瓦坡屋面，局部采用平屋面形式作為露臺(tái)使用，建筑外觀如圖1 所示。

圖1 建筑外觀

該建筑屬于上海市黃浦區(qū)文物保護(hù)點(diǎn)，由于其位于新建項(xiàng)目基坑內(nèi)，擬對(duì)其實(shí)施落架重建，在新建工程基坑開挖前拆除，新建工程施工結(jié)束后原址重新建造。

2 重點(diǎn)保護(hù)部位

根據(jù)《文物保護(hù)法》第21 條和《文物保護(hù)工程管理辦法》第3 條的規(guī)定及現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，保護(hù)原則為：不改變建筑外立面、結(jié)構(gòu)體系、基本平面布局和有特色的內(nèi)部裝飾。為明確重點(diǎn)保護(hù)部位的具體分布，對(duì)該房屋進(jìn)行了詳細(xì)的勘察，進(jìn)一步明確和細(xì)化了重點(diǎn)保護(hù)部位情況。

該房屋主要外立面、紅瓦屋面、木屋架樣式、特色拱樣式、拉毛處理墻面、特色墻及門窗陽臺(tái)樣式、鏤空樣式、特色墻板樣式、樓梯特色裝飾線條樣式等應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。典型部位見圖2～4。

圖2 特色門

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

圖3 特色天花裝飾

三維激光掃描技術(shù)又稱“高清晰測(cè)量”（High Definition Surveying，簡(jiǎn)稱HDS），該技術(shù)采用激光進(jìn)行測(cè)量，非接觸、高速度、高精度、大量地獲取目標(biāo)物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[4]，將數(shù)據(jù)存于電腦中，通過相關(guān)軟件進(jìn)行處理，能完整高精度地重建實(shí)體[5]。

本次采用徠卡RTC360 激光掃描儀對(duì)該保護(hù)建筑進(jìn)行全方位掃描。完整記錄該建筑的真實(shí)空間三維信息和細(xì)節(jié)樣式。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

外業(yè)工作獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要一系列數(shù)據(jù)處理過程，包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云分割、擬合、三維建模等。

3.2 三維點(diǎn)云模型及保護(hù)部位線畫圖

本次采用徠卡專業(yè)拼接軟件register 360 進(jìn)行初步拼接，完成后倒入cyclone 軟件進(jìn)行最終調(diào)整，完成拼接，拼接最大誤差≤0.001 m。之后在cyclone 軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成三維點(diǎn)云模型，該模型真實(shí)還原了該建筑的空間尺寸，而且真彩云已經(jīng)具有良好的三維視覺效果。建筑點(diǎn)云模型見圖5。

圖4 特色木屋架

圖5 建筑點(diǎn)云模型

在三維點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)保護(hù)部位點(diǎn)云分割出來，導(dǎo)入AutoCAD 的Cloudworks 插件中，對(duì)相關(guān)花飾圖形進(jìn)行繪制，以便在建筑物重建時(shí)進(jìn)行復(fù)原。圖6～11 為典型部位三維點(diǎn)云圖和CAD 線畫圖。

圖6 特色窗點(diǎn)云圖

4 建筑物傾斜測(cè)量

為了解房屋目前傾斜情況，現(xiàn)場(chǎng)采用Topcon OS-602G 全站儀、300 mm 鋼直尺、JZC-D 建筑工程質(zhì)量檢測(cè)器等相關(guān)設(shè)備，根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ8—2016），采用投點(diǎn)測(cè)量法，選擇適合測(cè)量的外墻棱線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)垂直度測(cè)量。傾斜點(diǎn)位布置見圖12，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 房屋傾斜測(cè)量結(jié)果

圖12 傾斜點(diǎn)位布置圖

測(cè)量結(jié)果表明：房屋整體向東、北方向傾斜，其中向東最大傾斜率為0.8‰，向北最大傾斜率為3.0‰。測(cè)點(diǎn)的最大傾斜率均未超過《優(yōu)秀歷史建筑保護(hù)修繕技術(shù)規(guī)程》（DGTJ08-108—2014）規(guī)定的限值10‰。

5 建筑完損檢測(cè)

為明確房屋完損狀況，對(duì)房屋建筑風(fēng)貌、建筑裝飾、結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件、設(shè)備設(shè)施及生物等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)完損檢測(cè)。結(jié)果表明，該建筑裝飾損壞主要存在外立面及室內(nèi)窗角裂縫、墻面及平頂滲水生霉、粉刷酥松脫落等情況；結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件主要存在外立面及室內(nèi)窗周墻體裂縫、粉刷脫落露磚等損壞；生物損壞主要存在墻體植物生長(zhǎng)、開裂等現(xiàn)象。

6 建筑承載能力鑒定

6.1 材料、荷載及參數(shù)

采用ZC-4 型磚回彈儀對(duì)砌筑磚強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，房屋墻體砌筑磚抗壓強(qiáng)度推定等級(jí)為MU7.5；采用SJY800B 型貫入式砂漿強(qiáng)度檢測(cè)儀對(duì)砌筑砂漿強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，房屋墻體砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度推定值為0.9MPa。

圖7 特色樓梯點(diǎn)云圖

圖9 天花裝飾

圖10 南立面西側(cè)特色窗樣式

圖11 陽臺(tái)吊燈

房屋恒載：現(xiàn)澆板樓面4.1 kN/m2，木擱柵樓面1.0 kN/m2；木屋架屋面2.0 kN/m2。房屋活載：室內(nèi)2.0 kN/m2；樓梯間2.0 kN/m2；不上人屋面0.5 kN/m2；上人屋面2.0 kN/m2?；撅L(fēng) 壓0.55 kN/m2，地 面粗糙度C類；雪荷載為0.2 kN/m2。

抗震設(shè)防類別：丙類（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類）；抗震設(shè)防烈度：7 度；基本地震加速度：0.10 g；地震分組：第一組；場(chǎng)地：IV 類；抗震鑒定分類：A類建筑，后續(xù)使用年限30 年。

6.2 承載能力計(jì)算

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）、《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50003—2011）等現(xiàn)行國家和地方標(biāo)準(zhǔn)，采用中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)研究所PKPM2010 V5.1 系列計(jì)算軟件，對(duì)被檢測(cè)房屋上部結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算時(shí)，分別進(jìn)行考慮地震作用和不考慮地震作用的承載力計(jì)算。計(jì)算模型見圖13。

圖13 房屋計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果表明：在正常使用荷載作用下，房屋主要墻體抗壓承載力基本不滿足要求；房屋4 層（?～?，?～?軸）墻體高厚比不滿足要求，其余墻體高厚比滿足要求 。

抗震承載力驗(yàn)算結(jié)果表明，房屋墻體抗震承載力基本不滿足要求。

6.3 構(gòu)造措施

經(jīng)排查，該房屋砌體砌筑方式基本正確，與木構(gòu)件連接方式基本正確，砌筑磚與砌筑砂漿黏結(jié)基本完好，同時(shí)，墻體高厚比基本不符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，構(gòu)造存在局部缺陷，導(dǎo)致構(gòu)件開裂，影響正常工作。

根據(jù)《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》（DGJ 08-81—2015）的相關(guān)條文，對(duì)該房屋的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行排查，結(jié)果表明，該建筑房屋材料強(qiáng)度中砌體塊材強(qiáng)度、整體性連接構(gòu)造中樓屋蓋均未布置圈梁，易引起局部倒塌的部件連接中局部砌體墻段尺寸及樓梯間大梁擱置長(zhǎng)度不符合相關(guān)要求，其余如房屋高度、層數(shù)等各項(xiàng)措施均符合或基本符合相關(guān)要求。

7 木構(gòu)件計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，房屋木構(gòu)件主要采用杉木，其材料強(qiáng)度可按TC11A并考慮0.8 的折減系數(shù)取用，材料抗彎強(qiáng)度為8.8 MPa、材料順紋抗壓強(qiáng)度為8.0 MPa、材料順紋抗拉強(qiáng)度為6.0 MPa、材料順紋抗剪強(qiáng)度為1.12 MPa。

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)、《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50005—2017）等現(xiàn)行國家和地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)房屋樓面木擱柵進(jìn)行承載力及變形驗(yàn)算，并對(duì)木屋架進(jìn)行承載力驗(yàn)算。驗(yàn)算公式如下：

式中，fm為木構(gòu)件材料的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm）；fc為木構(gòu)件材料的順紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ft為木構(gòu)件材料的順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fv為構(gòu)件材料的順紋抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

計(jì)算結(jié)果表明，在荷載效應(yīng)基本組合作用下，該房屋主要承重的木擱柵承載力及撓度基本滿足要求，主要承重的木屋架承載力不滿足要求。

8 結(jié)語

本文采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)某落架重建文物保護(hù)建筑進(jìn)行掃描，完成該建筑的三維模型重建，及重點(diǎn)保護(hù)部位的CAD 圖紙繪制，并對(duì)該建筑進(jìn)行傾斜、完損檢測(cè)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性鑒定和抗震承載力鑒定。得到以下結(jié)論：①采用三維激光掃描技術(shù)可以完整地采集文物保護(hù)建筑的空間信息和細(xì)節(jié)構(gòu)造，在修繕重建時(shí)有較大的作用；②該建筑木格柵承載力和撓度滿足要求，在重建過程中可以直接使用，木屋架承載力不滿足要求，建筑重建時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固或更換后使用；③該建筑部分構(gòu)造不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，在重建時(shí)應(yīng)在保證外觀的前提下完善構(gòu)造措施。