為布達(dá)拉宮“體檢”

崔玥

2020年盛夏，樹(shù)上的知了不停地叫，瀝青馬路被太陽(yáng)烤得軟綿綿的。等待博士開(kāi)學(xué)的7月某天上午，我忽然收到導(dǎo)師楊娜教授發(fā)來(lái)的微信：需要你去布達(dá)拉宮工作一段時(shí)間，有沒(méi)有問(wèn)題？“?。≌娴膯?！老師我非常愿意去?！币烙袡C(jī)會(huì)去布達(dá)拉宮調(diào)研和工作，是我們古建筑結(jié)構(gòu)研究課題組每個(gè)同門(mén)夢(mèng)寐以求的事，我可真是太幸運(yùn)了。

300歲的“老者”不好查

我的導(dǎo)師楊娜是北京交通大學(xué)布達(dá)拉宮結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)研究中心教授，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)為布達(dá)拉宮建設(shè)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成功運(yùn)行了近十年。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于古建筑的維修和修補(bǔ)到底有什么作用呢？楊老師告訴我們：“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回答了三個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是，這個(gè)建筑還好嗎？需不需要修？狀態(tài)怎么樣？第二個(gè)問(wèn)題是，哪兒不合適？需要修哪里？第三個(gè)問(wèn)題呢，怎么修？什么時(shí)機(jī)修？”

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的分析，我們可以了解到古建筑結(jié)構(gòu)的變形。成員們不僅要分析數(shù)據(jù)，還要知道變形對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)意味著什么。團(tuán)隊(duì)的常鵬教授舉了一個(gè)例子：“有一些結(jié)構(gòu)的變形是周期性的。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)柱子會(huì)傾斜，1月份，2月份、3月份、4月份到5月份傾斜、6月份它又緩緩變直了。這個(gè)現(xiàn)象是與當(dāng)?shù)氐臐穸扔嘘P(guān)系，因?yàn)槔_的干濕季節(jié)特別明顯，冬季特別干燥。到了七八月份雨季的時(shí)候，像江南一樣，天天下雨。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期處理分析，才能發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期性變形的最根本規(guī)律。在面對(duì)突發(fā)性的數(shù)據(jù)變化的時(shí)候，我們就可以通過(guò)分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)來(lái)做出最合適的判斷。

這次進(jìn)藏，我們的主要任務(wù)是進(jìn)行布達(dá)拉宮二期墻體監(jiān)測(cè)傳感器的安裝和紅宮門(mén)廳動(dòng)力特性測(cè)試。按照預(yù)定計(jì)劃，2020年8月5日，楊老師領(lǐng)隊(duì)帶領(lǐng)我們5名師生，自北京乘機(jī)飛赴拉薩。

項(xiàng)目組在“布宮”下的合影

機(jī)窗外山巒逐漸拔起，溝壑之間依稀可以看見(jiàn)湛藍(lán)色清澈的湖水，直到看到一條寬廣的江河——雅魯藏布江，我們終于到達(dá)拉薩。穿過(guò)廣場(chǎng)，從后山緩慢攀登布達(dá)拉宮。我感受到空氣變稀薄，呼吸鼻子會(huì)痛，心臟怦怦跳動(dòng)。老師不時(shí)提醒我們，一切動(dòng)作慢下來(lái)，注意身體，以防不適。潛心登山拋卻雜念，當(dāng)走到德央夏廣場(chǎng)，藍(lán)天白云下，紅、白、黃錯(cuò)落的布達(dá)拉宮主體建筑近在咫尺，壯美得令人震撼，我深深感到布達(dá)拉宮的魅力。

進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)工作后，我才真正理解了課題的歷史重任和使命：布達(dá)拉宮作為一位300多歲（注：1694年以白、紅宮為主的建筑群建成，基本形成布達(dá)拉宮建筑群規(guī)模）端坐在紅山上的“老者”，我們要保障其不因歲月而衰敗，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的科學(xué)“身體檢查”，急迫且不能出任何差錯(cuò)。

把脈

布達(dá)拉宮經(jīng)年累月的服役工作后，內(nèi)部承重墻體不可避免地產(chǎn)生了開(kāi)裂、傾斜和空鼓變形。傳統(tǒng)的檢查方式是進(jìn)行定期人工巡檢，這是通過(guò)肉眼觀察結(jié)構(gòu)可見(jiàn)損傷并記錄的方法，這種方式不僅無(wú)法及時(shí)定性分析結(jié)構(gòu)的損傷，而且人工耗費(fèi)巨大。

我們進(jìn)行的布達(dá)拉宮結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的意義就是利用現(xiàn)代技術(shù)手段建立一套完善的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，為災(zāi)害預(yù)防保護(hù)提供科學(xué)理論支撐。落實(shí)到實(shí)際的過(guò)程，就是在前期勘察出來(lái)的殘損位置進(jìn)行傳感器安裝，包括位移計(jì)、傾角計(jì)、柔性測(cè)斜儀等傳感器，用以監(jiān)測(cè)墻體的損傷與變形。

但實(shí)際實(shí)施中，還是存在很多困難。例如實(shí)際殘損與前期勘探圖紙上的殘損有出入。傳感器的安裝需要鉆孔固定，珍貴壁畫(huà)上的裂縫可以開(kāi)孔嗎？一些殘損位置特殊，傳感器安裝條件帶有危險(xiǎn)性。土體溫濕度計(jì)應(yīng)該在墻體上，還是地面的土壤里安裝？布達(dá)拉宮地壟構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)傳不回來(lái)信號(hào)怎么弄？很多殘損位于殿堂內(nèi)部、倉(cāng)庫(kù)、辦公室等需要協(xié)調(diào)各方人員拿鑰匙開(kāi)門(mén)，每天遇到的問(wèn)題各不相同。楊老師帶領(lǐng)我們挨處走點(diǎn)，看現(xiàn)場(chǎng)情況，足跡踏遍布宮每一個(gè)角落。在老師協(xié)調(diào)下，布宮管理處的同事都知無(wú)不言、言無(wú)不盡地向我們介紹他們對(duì)布宮的了解，為我們工作提供極大的便利和支持，北交大古建研究所的工服就成了我們?cè)诓紝m的通行證。

聽(tīng)診

站在布達(dá)拉宮廣場(chǎng)，仰視布達(dá)拉宮建筑群，明顯可以看到中部位置藏紅色墻面的宮殿就是紅宮。在不為人知的壯闊建筑內(nèi)部，其實(shí)門(mén)廳內(nèi)部四根支撐木柱都發(fā)生了一定程度的傾斜，柱頂?shù)娜柑鏄?gòu)造也存在明顯的歪閃。由于歷史建造資料的缺失，木柱和雀替的變形是初始?xì)垞p，還是后來(lái)遭受外力導(dǎo)致的？我們不得而知。

“紅宮”動(dòng)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

楊娜教授團(tuán)隊(duì)建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了監(jiān)測(cè)紅宮門(mén)廳結(jié)構(gòu)的短期變化，我們使用了動(dòng)力特性測(cè)試的手段。其原理是在感興趣的位置科學(xué)地布設(shè)加速度傳感器，記錄環(huán)境激勵(lì)，也就是大地脈動(dòng)或自然風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的自然響應(yīng)，由測(cè)得的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、模態(tài)阻尼比和振型）。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化間接反映出結(jié)構(gòu)物理特性的變化，是我們聽(tīng)診的依據(jù)。

我們?cè)诩t宮門(mén)廳布設(shè)傳感器，進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試。爬梯子安放傳感器，布設(shè)通道線，電腦軟件控制采集系統(tǒng)等這一套流程下來(lái)，被紅宮藏紅色染料染了一身，都變成了“小紅人”，卻獲得滿滿的成就感。老師開(kāi)玩笑地鼓勵(lì)我們：“衣服臟了不可怕，布宮紅，是幸運(yùn)紅！”

解碼

在布達(dá)拉宮做的兩項(xiàng)測(cè)試最終目的，就是將結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行解析來(lái)研判結(jié)構(gòu)狀態(tài)。自2012年布達(dá)拉宮一期木結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成以來(lái)，一期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)主要靠解調(diào)儀對(duì)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)解碼后由工控機(jī)統(tǒng)一采集，通過(guò)布達(dá)拉宮監(jiān)測(cè)中心同事將數(shù)據(jù)傳回北京給我們來(lái)進(jìn)行分析。每三個(gè)月我們都會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)的木結(jié)構(gòu)應(yīng)變-溫度數(shù)據(jù)和傾角-溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)宮殿內(nèi)多個(gè)變形較大的柱進(jìn)行了干預(yù)。

伴隨著布達(dá)拉宮二期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)安裝實(shí)施過(guò)程，軟件平臺(tái)也在積極地建設(shè)，將傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)傳回服務(wù)器的信號(hào)接入軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)何時(shí)何地只要登陸軟件平臺(tái)就可遠(yuǎn)程查看結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)。這個(gè)平臺(tái)也可以利用我們提供的算法進(jìn)行統(tǒng)一參數(shù)分析，經(jīng)過(guò)人工核驗(yàn)后及時(shí)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析反饋。智能化的手段，大大提高了工作效率，更及時(shí)地保護(hù)了布達(dá)拉宮受損構(gòu)件。

在處理紅宮門(mén)廳動(dòng)力特性測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)候，遇到了一個(gè)問(wèn)題：紅宮門(mén)廳屬于布達(dá)拉宮建筑群中紅宮的一部分，且紅宮也不是獨(dú)立存在的宮殿，與白宮和十三世靈塔殿毗鄰搭接。這么一個(gè)局部結(jié)構(gòu)動(dòng)測(cè)分析的模態(tài)參數(shù)并不能代表整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，那它的物理意義是什么？如果只代表自己這個(gè)局部，其實(shí)整體結(jié)構(gòu)對(duì)它也有影響。如果不明確目的，埋頭苦干搞科研是不行的。這時(shí)楊老師指引說(shuō)可以將紅宮門(mén)廳認(rèn)為是一個(gè)子結(jié)構(gòu)，想辦法從整體結(jié)構(gòu)中隔離出來(lái)。從這個(gè)點(diǎn)出發(fā)，我查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，確實(shí)有這種簡(jiǎn)化研究方法，一切都貫通了起來(lái)。

據(jù)史書(shū)記載公元7世紀(jì)，布達(dá)拉宮始建。1300多年來(lái)，它歷經(jīng)風(fēng)雨，承載著人類(lèi)文明，為守護(hù)文明之光，減少它因歲月所導(dǎo)致的毀損，我們會(huì)繼續(xù)收集布達(dá)拉宮強(qiáng)有力的震顫，探索高原土壤強(qiáng)勁的脈動(dòng)，用科技感知它的“心跳”。

責(zé)任編輯：刁雅琴