張 睿 謝麗宇,2,* 盧文勝,2 張鳳亮
(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系,上海200092;2.同濟(jì)大學(xué)建筑物移位技術(shù)研究中心,上海200092)
移位技術(shù)是一種有效的建筑物改造措施,其顯著的特點(diǎn)是保持了原有建筑物的外觀外貌。因此,對(duì)于古建筑或近代優(yōu)秀建筑,可以采用整體平移的方式加以修繕加固,以改善其安全性能、增強(qiáng)其使用功能并延續(xù)建筑壽命[1]。移位技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種工程項(xiàng)目[2-4]。
上海市玉佛禪寺大雄寶殿是中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑,建成于1918—1928 年間,是佛教寺院舉行宗教儀式的主殿。為了擴(kuò)大主殿前面的空間,大雄寶殿計(jì)劃向北移動(dòng)30.66 m,然后向上抬升1.05 m。移位過程中,大殿內(nèi)部的佛像及文物同主體結(jié)構(gòu)一起平移??紤]大殿年代久遠(yuǎn),木結(jié)構(gòu)整體性較差,在移位過程中,大殿主體結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生豎向不均勻變形,導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜,進(jìn)而導(dǎo)致木柱傾斜,進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化。同時(shí)木柱、佛像也容易發(fā)生傾斜,部分薄弱部位容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變。
在移位施工過程中,如果結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形或坍塌,會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此需要采用相應(yīng)的評(píng)估方法來評(píng)估移位過程中結(jié)構(gòu)的安全性。有學(xué)者總結(jié)了木結(jié)構(gòu)的各種常見評(píng)估方法[5],其中外觀檢測是最基本的方法,因?yàn)樗峁┝四窘Y(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部位的信息[6]。但是,外觀檢測提供的信息不足以評(píng)估建筑物移位的影響。由于結(jié)構(gòu)監(jiān)測越來越多地成為制定決策以保護(hù)歷史建筑的有效方法[7-8],因此有必要設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和診斷,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)變化[9]。玉佛禪寺移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)終端組成,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)化和集成化,為主體結(jié)構(gòu)整體平移提供了可靠的保證。約450 余m2(圖1、圖2)。大殿為中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu),承重結(jié)構(gòu)為抬梁式木構(gòu)架,屋架為歇山式木構(gòu)架,木結(jié)構(gòu)主要采用抬梁式結(jié)構(gòu)體系(圖3),在臺(tái)基上筑礎(chǔ),立木柱,上施梁枋,梁上疊梁,逐級(jí)升高構(gòu)成舉架,舉架向上支撐橫向桁(檁),桁上架椽,椽上鋪木望板,再苫背覆瓦。東、西山墻均采用實(shí)心黏土青磚砌筑。殿內(nèi)中央供奉三尊泥塑大佛,佛高4 m,大佛背面是大型海島觀音壁塑,殿內(nèi)兩旁是二十諸天像,東西外墻鑲嵌著十八羅漢石刻像。
圖1 大雄寶殿平面布置圖(單位:mm)Fig.1 Layout of the Mahavira Hall(Unit:mm)
圖2 大雄寶殿立面圖(單位:mm)Fig.2 Elevation view of the Mahavira Hall(Unit:mm)
大雄寶殿建成于1918—1928 年間,是上海市優(yōu)秀歷史建筑和區(qū)文物保護(hù)單位。大雄寶殿是玉佛禪寺第二進(jìn)殿堂,是寺院建筑的主體部分,為重檐歇山式單層建筑,矩形平面,東西向24 m、南北向18.34 m,殿高18.2 m,臺(tái)基高0.96 m,占地面積
在整體結(jié)構(gòu)移位前需要先對(duì)玉佛禪寺大雄寶殿進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體加固[10],并對(duì)佛臺(tái)和木柱等關(guān)鍵部位進(jìn)行合理托換,由于玉佛禪寺大雄寶殿佛臺(tái)、佛像與整體結(jié)構(gòu)一起平移,且佛臺(tái)基礎(chǔ)為寬5 m的三合土基礎(chǔ)形式,均超出了常用托換方式的適用范圍,實(shí)際工程中采取的是鋼筋混凝土托盤梁加靜壓樁的托換結(jié)構(gòu)[11]。
作為托換結(jié)構(gòu)的上托盤梁形成一個(gè)水平框架,為整體結(jié)構(gòu)提供了平面內(nèi)剛度,以轉(zhuǎn)移平移時(shí)的水平推進(jìn)力,上托盤梁底部壓入靜壓樁以傳遞整體結(jié)構(gòu)豎向載荷。挖掘出上托盤梁底部的土壤,新建鋼筋混凝土軌道梁,并在軌道梁底部壓入靜壓樁以增強(qiáng)軌道梁的承載力。之后,將垂直千斤頂放置在托換梁和軌道梁之間,并切斷托換梁和軌道梁之間的靜壓樁,此時(shí)整體結(jié)構(gòu)的豎向載荷通過垂直千斤頂傳遞到底部靜壓樁(圖4)。最后安裝水平液壓千斤頂將建筑物推向目的地。
圖3 大雄寶殿木結(jié)構(gòu)框架(單位:mm)Fig.3 Timber frame of the Mahavira Hall(Unit:mm)
圖4 托換系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)Fig.4 Underpinning system and rail system
大雄寶殿于2017 年9 月2 日正式啟動(dòng)平移工程,并于9 月8 日平移到位,平移距離為30.66 m。2017年9月12日開始頂升,于2017年9月17日頂升到位,頂升高度為1.05 m(圖5)。在大雄寶殿平移頂升后,采取了隔震就位連接方式,以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的隔震保護(hù)[12]。
圖5 移位路線Fig.5 Translocation route
大雄寶殿平移后,不僅給寺院建筑布局的合理化留出了改善空間,同時(shí)也能夠消除安全隱患。平移后,殿前將加建鐘鼓樓及觀音殿,而即使加蓋殿堂,大雄寶殿前的公共空間還是比原來翻了1倍多。同時(shí),借由此次平移,這座大殿還將在整體結(jié)構(gòu)不做任何變動(dòng)的基礎(chǔ)上,增加底部混凝土平層,從而提升主體建筑抗震性,穩(wěn)固其建筑結(jié)構(gòu)。
與其他移位工程相比,玉佛禪寺大雄寶殿的移位工程有很大不同:第一,玉佛禪寺大雄寶殿是中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑,梁柱連接采用榫卯結(jié)構(gòu),木柱直接擱置在基礎(chǔ)磉石上,移位難度很大,需要專門的移位施工方案及其相應(yīng)的監(jiān)測方案;第二,內(nèi)部佛像及文物與整體結(jié)構(gòu)同步完成平移,佛像需要專門的保護(hù)措施,同時(shí)需要相應(yīng)的監(jiān)測方案監(jiān)測佛像的變形情況;第三,移位施工過渡段為軟弱場地土,建筑場地類別為Ⅳ類,屬抗震不利地段,在建筑移位過程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)。因此需要根據(jù)玉佛禪寺大雄寶殿的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)移位監(jiān)測系統(tǒng)及移位監(jiān)測方案,對(duì)整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部位和佛像進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。
建筑物移位監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和反饋四個(gè)基本功能,并達(dá)到以下基本要求:①遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具備長期可靠性,并具有抵抗環(huán)境干擾的能力;②系統(tǒng)應(yīng)具有較高的測量精度,以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的安全現(xiàn)狀;③系統(tǒng)應(yīng)為小尺寸、模塊化,以方便儀器的安裝和調(diào)試;④數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和標(biāo)準(zhǔn)化;⑤穩(wěn)定可靠的傳輸能力;⑥較好的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力;⑦遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)等多種方式發(fā)布監(jiān)測信息和預(yù)警信息,使相關(guān)單位在第一時(shí)間能獲取數(shù)據(jù)信息,及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況。
玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)三部分組成。移位監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成示意如圖6所示。
圖6 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.6 Monitoring system diagram
3.3.1 傳感器系統(tǒng)
為保證監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的安全狀況,傳感器系統(tǒng)需具有較高的精度。本工程的傳感器系統(tǒng)由靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀、激光位移計(jì)和應(yīng)變計(jì)組成(圖7)。
靜力水準(zhǔn)儀利用高精度微壓測量傳感器測量測點(diǎn)液體壓力從而間接測量測點(diǎn)位移;激光位移計(jì)通過發(fā)射不同頻率的可見激光束,用微處理器計(jì)算激光與相應(yīng)的物體間距離;傾角儀用于測量安裝位置被測方向的角度變化以反映結(jié)構(gòu)的傾斜變化;應(yīng)變計(jì)通過將其兩端底座固定在結(jié)構(gòu)表面以測量鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。
圖7 傳感器設(shè)備Fig.7 Sensor device
表1 傳感器系統(tǒng)儀器設(shè)備表Table 1 Sensor system equipment table
3.3.2 數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)
本工程根據(jù)大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)的等級(jí)和信號(hào)頻率特征等指標(biāo)選用了不同性能和功能的信號(hào)條理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和總線方案(圖8)。
圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.8 Data acquisition system
對(duì)所有傳感器信號(hào)的真實(shí)記錄是數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)選擇的最終要求。通常,遵循簡單協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)的基于串口并口的數(shù)據(jù)采集硬件即可滿足單一特征信號(hào)及較低信號(hào)采樣頻率等的要求[13],本工程采用的是RS485 串口通信總線控制單元。
數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分為現(xiàn)場傳輸和遠(yuǎn)程傳輸?,F(xiàn)場傳輸是指從傳感器至數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī),遠(yuǎn)程傳輸是指從數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)至服務(wù)器接入Internet網(wǎng)絡(luò)(實(shí)現(xiàn)Internet 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和發(fā)布數(shù)據(jù))。本工程采用的是現(xiàn)場傳輸,利用GPS 系統(tǒng)和無線傳感器的無線傳輸技術(shù)將傳感器的信號(hào)直接傳輸至數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(圖9)。
圖9 數(shù)據(jù)采集及無線傳輸設(shè)備Fig.9 Data acquisition and wireless transmission device
3.3.3 數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)
數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析軟件和數(shù)據(jù)庫組成。主控計(jì)算機(jī)接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后,通過相關(guān)分析軟件對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和分析,并繪制各種曲線。同時(shí),利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。
對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)測信息和預(yù)警信息發(fā)送至各網(wǎng)絡(luò)終端,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳送,并進(jìn)行預(yù)警。相關(guān)單位根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息,及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況,以決定是否需要調(diào)整施工步驟及采取相應(yīng)的控制方法。
因此根據(jù)玉佛禪寺大雄寶殿的實(shí)際情況,結(jié)合移位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定監(jiān)測方案,針對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測:①結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)與木柱傾斜監(jiān)測;②榫卯節(jié)點(diǎn)變形監(jiān)測;③佛臺(tái)變形監(jiān)測。
4.1.1 監(jiān)測方法
在移位過程中,整體結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生豎向不均勻變形,導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜,進(jìn)而導(dǎo)致木柱傾斜,進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化。因此,通過監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的豎向變形、整體結(jié)構(gòu)的傾斜和木柱傾斜,可以得到結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化情況。本工程采用了靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀。
首先,采用靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的豎向變形,通過每天實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù),反映靜力水準(zhǔn)儀所在部位相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高程相對(duì)變化量,同時(shí),在各測點(diǎn)水平距離已知的條件下,可通過數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出整體結(jié)構(gòu)的傾斜變化;其次,采用傾斜角監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)和木柱的傾斜變化;最后,通過分析,可得出結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化情況,并建立靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。
4.1.2 靜力水準(zhǔn)儀
為了監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的豎向變形和傾斜角,在大雄寶殿圍墻四個(gè)角部分別布置1 個(gè)靜力水準(zhǔn)儀,記為HL1-HL4;由于中央佛臺(tái)上佛像重量較大,在移位施工過程中可能發(fā)生較大的豎向相對(duì)變形,故在佛臺(tái)的東西兩側(cè)分別布置1 個(gè)靜力水準(zhǔn)儀,記為HL5、HL6。其中靜力水準(zhǔn)儀HL2、HL4和HL5 分別是靜力水準(zhǔn)儀HL1、HL3 和HL6 的基準(zhǔn)點(diǎn)。靜力水準(zhǔn)儀的平面布置圖見圖10。
表2 靜力水準(zhǔn)儀Table 2 Hydrostatic leveling
圖10 靜力水準(zhǔn)儀(HL)平面布置圖Fig.10 Hydrostatic leveling(HL)layout
4.1.3 傾角儀
與靜力水準(zhǔn)儀的布置方法相同,為監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的傾斜角,在大雄寶殿圍墻兩側(cè)分別布置1個(gè)傾角儀,記為IC3、IC4;在佛臺(tái)的東西兩側(cè)分別1 個(gè)傾角儀,記為IC1、IC2;由于木柱的傾斜狀況反映了結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化,故在某些關(guān)鍵木柱上布置了傾角儀,記為IC5-IC12。傾角儀的平面布置圖見圖11。
表3 傾角儀Table 3 Inclinometer
圖11 傾角儀(IC)布置圖Fig.11 Inclinometer(IC)layout
4.2.1 監(jiān)測方法
木結(jié)構(gòu)整體性較弱,在移位過程中,榫卯節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生變形。根據(jù)施工現(xiàn)場的情況,選擇薄弱部位的大梁與木柱交界處的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。本工程采用了激光位移計(jì)和傾角儀。
首先,在大梁的上、下表面分別布置激光位移計(jì),可獲得大梁相對(duì)木柱的轉(zhuǎn)角和榫的相對(duì)拔出量;其次,通過監(jiān)測大梁兩端木柱的傾斜角,在木柱、大梁尺寸已知的條件下,可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出榫卯的變形量;最后,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,可以得出榫卯節(jié)點(diǎn)的變形情況,并建立激光位移計(jì)和傾角儀兩種傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。
4.2.2 激光位移計(jì)
根據(jù)施工現(xiàn)場的情況,選擇在薄弱部位處的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,分別選取1 根橫梁和1 根縱梁,在大梁的上、下表面分別布置激光位移計(jì),記為LR1-LR4。激光位移計(jì)的布置圖見圖12。
表4 激光位移計(jì)Table 4 Laser range finder
圖12 激光位移計(jì)(LR)布置圖:梁Fig.12 Laser range finder(LR)layout:beam
4.3.1 監(jiān)測方法
在移位過程中,如果佛像的托換底盤結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜,上部結(jié)構(gòu)佛像也會(huì)發(fā)生傾斜變形,甚至有開裂的可能。故需要對(duì)佛像的托換底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測,同時(shí)需要對(duì)佛像的傾斜變形進(jìn)行監(jiān)測。本工程采用了應(yīng)變計(jì)、激光位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀。
其一,在佛像底部的托換鋼架四周布置應(yīng)變計(jì),獲得托換鋼架的應(yīng)變變化;其二,在佛像的支撐框架上布置激光位移計(jì),在佛像高度已知的條件下,可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出佛像南北方向的傾斜變化;其三,在佛臺(tái)的東西兩側(cè)布置靜力水準(zhǔn)儀,在測點(diǎn)水平距離已知的條件下,可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出佛像東西方向的傾斜變化;其四,在佛臺(tái)的東西兩側(cè)布置雙軸傾角儀,監(jiān)測佛臺(tái)南北方向和東西方向的傾斜變化;其五,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,可以得出佛像的傾斜變形,并建立激光位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀三種傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。
4.3.2 應(yīng)變計(jì)
在佛像底部的托換鋼架的四周表面分別布置1個(gè)應(yīng)變計(jì),分別布置在軸3、軸4與佛臺(tái)的交界點(diǎn)處,記為SG1-SG4。應(yīng)變計(jì)的平面布置圖見圖13。
圖13 應(yīng)變計(jì)(SG)布置圖Fig.13 Strain gauge(SG)layout
4.3.3 激光位移計(jì)
在佛像的支撐框架上布置激光位移計(jì),其中佛像底部布置3個(gè),佛像頂部布置3個(gè),記為LR5-LR10。激光位移計(jì)的布置圖見圖14。
圖14 激光測距儀(LR)布置圖:佛像Fig.14 Laser range finder(LR)layout:statue
本文較系統(tǒng)和全面地研究了玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法,在本文的續(xù)篇“玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)(Ⅱ):結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析”中,將對(duì)本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析,研究移位施工過程中結(jié)構(gòu)整體和局部變形情況,探討移位施工對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生的影響,并對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文得到的主要結(jié)論總結(jié)如下:
(1)移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)組成。通過監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)的搭建,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)化,可以全面、真實(shí)和有效地監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)。
(2)玉佛禪寺大雄寶殿是中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu),本次移位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)得到了木結(jié)構(gòu)移位工程中的大量數(shù)據(jù),為今后的木結(jié)構(gòu)研究提供了寶貴數(shù)據(jù),具有一定的研究價(jià)值。
(3)本文實(shí)現(xiàn)的玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)運(yùn)行良好,為移位工程的健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立提供了系統(tǒng)的雛形,為大型木結(jié)構(gòu)的移位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了示范系統(tǒng),積累了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。