三維激光掃描儀在嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程中的應用

張翔　張斌　高商　陳穎

摘 要：嘉峪關關城南敵樓因雨水入侵、本體材料材性減弱等因素造成南敵樓東立面、南立面外部墻磚出現(xiàn)大尺寸裂隙、鼓脹等病害，內(nèi)部夯土也因雨水沖刷等原因出現(xiàn)損壞。2021年8月，嘉峪關絲路（長城）文化研究院啟動了嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程，旨在利用現(xiàn)代土遺址加固與保護技術對南敵樓墻體進行修繕，嘉峪關絲路（長城）文化研究院文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心隨即啟動監(jiān)測響應機制，在維修前和維修后使用三維激光掃描儀對嘉峪關關城南敵樓開展三維激光掃描作業(yè)，留存此次南敵樓修繕的第一手信息化資料。運用三維激光掃描儀對關城南敵樓開展土遺址監(jiān)測是文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心首次針對工程實例開展的三維掃描作業(yè)，經(jīng)過三維激光掃描儀比對發(fā)現(xiàn)維修后的南敵樓與病害發(fā)育前的保存狀態(tài)基本一致，被維修區(qū)域得到了妥善的處理，評估此次維修的效果達到施工設計要求。

關鍵詞：夯土墻體病害；保養(yǎng)維護工程；三維激光掃描；文化遺產(chǎn)監(jiān)測

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.07.012

0 引言

長城是中華民族的符號與象征，也是人類文明史上的壯舉，是不可再生的重要歷史文化遺產(chǎn)，也是我們引以為傲的文化根脈。近年來，隨著我國綜合國力穩(wěn)步提升，人民對于精神文化生活層面的需求也日趨旺盛，世界文化遺產(chǎn)保護的關注度也隨之提高，作為世界文化遺產(chǎn)保護工作的重要組成部分——文化遺產(chǎn)監(jiān)測成為各個遺產(chǎn)地重點建設的領域之一。其他傳統(tǒng)學科的成熟做法和經(jīng)驗對文物保護領域形成滲透，多學科交織協(xié)同配合開展文物保護工作的案例屢見不鮮。本文以嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程建設為契機，運用Leica C10 Scanstation三維激光掃描儀對南敵樓開展維修前和維修后的三維激光掃描作業(yè)，留存工程開展前后南敵樓的三維掃描數(shù)據(jù)，用Geomagic Studio 2013計算機軟件處理三維掃描點云數(shù)據(jù)，通過對比發(fā)現(xiàn)南敵樓維修前后墻體變化，評估工程維修整體效果，積累數(shù)據(jù)。

1 嘉峪關關城南敵樓概況

嘉峪關關城南敵樓始建于明正德元年（1506）。單檐懸山頂，一殿一卷前出廊，檐下無斗栱。面闊三間，通面闊6.85米；進深三間，通進深6.41米。明間開四扇六抹槅扇門，次間砌墻。

據(jù)資料記載，嘉峪關關城南敵樓分別于1988年和2012年經(jīng)歷過兩次較大規(guī)模的維修。1988年保護維修時，因南敵樓下部凸出部位墻體保存現(xiàn)狀不容樂觀，在其外側增加了磚坯包砌，包砌厚度為24厘米，在距離地面3.93米位置增加一道混凝土圈梁，圈梁下為一層紅磚，混凝土圈梁高為28厘米，寬為24厘米。2012年的維修主要完成了南敵樓屋面解體、屋面椽望木基層全部拆除、大木構件打牮撥正、重新整修椽望木基層、重新苫背瓦瓦、補配更換木地梁、前檐磚墻拆除重砌、東西兩側山墻與室內(nèi)墻體維修、室內(nèi)地面水泥磚拆除等項目內(nèi)容。其中，南敵樓東南角頂部包砌部分開裂嚴重，對該部分進行了拆除重砌。由于當時南敵樓基部墻體的文物病害較小，整體保存狀況穩(wěn)定，因此未對南敵樓墻體進行保護維修。

1.1 南敵樓病害發(fā)育過程

2022年夏季我國長江流域遭遇了自1961年以來最嚴重的高溫、干旱氣候，與此同時，我國內(nèi)蒙古、遼寧等北方省份降雨量卻較往年明顯偏多。目前氣候變化已導致我國降雨呈現(xiàn)“南方不減、北方增加”“雨帶北擴”的趨勢。①2016年以來，嘉峪關地區(qū)年降水量也呈現(xiàn)增多趨勢。2016年8月，嘉峪關市普降大到暴雨，關城坐落于嘉峪塬臺地之上，雨量又多于市區(qū)。雨水自南敵樓屋頂排下后灌入下部墻體外包砌體內(nèi)部，沖刷墻體，雨水從南敵樓東立面下部墻體裂隙處灌入，給墻體安全穩(wěn)定造成了較大威脅。2019年11月，東立面墻體鼓脹越來越明顯，東側和南側墻體出現(xiàn)近水平于地面的裂隙。至2020年4月，墻體最大鼓脹位置已凸出12厘米，嚴重威脅墻體安全。

出現(xiàn)嚴重病害之后，嘉峪關絲路（長城）文化研究院長城保護研究所工作人員為防止病害進一步發(fā)育導致險情出現(xiàn)，采取了木板與木柱的臨時支護保護方式，并呈報上級主管部門。

1.2 病害成因分析

南敵樓為凸出城墻體的建筑，采用內(nèi)部夯土外部包磚的建筑模式，外層包磚的建筑模式可以較好地保護內(nèi)部夯土免遭風、雨等因素侵蝕破壞，但也極易出現(xiàn)包磚與夯土層黏結不緊密導致?lián)p壞的情況。南敵樓東立面出現(xiàn)的墻體裂隙使匯集的雨水可以滲入內(nèi)部夯土層，經(jīng)過長時間的雨水侵蝕，內(nèi)部的夯土含水率上升，土體穩(wěn)定性降低，緩慢移動的夯土層對下層土體造成堆積作用，擠壓外層包磚，從而形成墻體的鼓脹以及裂隙發(fā)育。加之嘉峪關冬春之際晝夜溫度變化劇烈，凍融循環(huán)加速了病害發(fā)育速度，從而在三四年之間出現(xiàn)較嚴重的墻體破壞。

2 嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程

在上級部門的關心和支持下，嘉峪關絲路（長城）文化研究院于2021年啟動了嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程，工程開工日期為2021年8月16日，竣工日期為2021年11月16日，工程施工期（包括冬季停工期）共90日歷天。

因南敵樓原有外層墻磚多有碎裂，強度較低，無法繼續(xù)使用，因此施工方對南敵樓外層包磚進行了全部拆除，并制作新的包磚進行更換。拆除包磚后施工方調配適度的高模數(shù)硅酸鹽溶液對墻體內(nèi)部夯土層進行處理。經(jīng)過高模數(shù)硅酸鹽溶液處理后的土體，可形成一種致密的非晶態(tài)網(wǎng)狀膠凝體，力學性能發(fā)生巨大變化。最終施工方選用模數(shù)為3.7～3.8、按質量百分比濃度計算，配制濃度為3%～5%的高模數(shù)硅酸鹽溶液進行施工。同時同步制作以生土、改性土等為原料經(jīng)人工夯錘壓制而成的免燒改性磚坯，改性磚坯的組分主要有本地選取與城墻顏色相近的粉土、熟石灰和無機土體加固劑等。各個組分經(jīng)過充分混合和攪拌可充分提升改性土的抗?jié)B能力，也能起到提升黏結力以及增加強度、耐酸性、耐熱性等理化性能的作用。施工方經(jīng)過多次實驗得到混合土料的最佳含水率為15%～20%。

在確定改性磚坯的組分配比之后施工方開始制作磚坯，對成品磚坯試驗后發(fā)現(xiàn)符合設計強度，隨后施工方開始制作改性磚坯并運用于施工。為強化夯土墻體與砌補磚坯間的黏結力，施工方還采用梅花形布置的麻絲纏繞的木錨釘連接。在外包磚坯砌筑的同時，對外包磚墻與原土墻之間的縫隙采用改性土泥漿進行灌注充填，確保外包磚墻與原土體貼合接觸，進一步加強夯土層與包磚層之間的黏結性。

在做好嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)的同時，也需要解決南敵樓排水問題。由于南敵樓下部墻體凸出于屋檐1.84米，大量雨水經(jīng)南敵樓匯水后沖刷下部墻體造成破壞。于是沿屋檐下部設置一道排水槽，將屋頂排水引至東北角和西北角沿城墻排下，城墻下設排水暗溝，將雨水引入現(xiàn)有排水溝。同時為避免墻下雨水匯集浸泡墻腳，造成磚坯墻體軟化，結構失穩(wěn)，施工方在南敵樓墻體周圍增加散水設計，散水采用三七灰土夯筑，工程完成后，在南敵樓東、南、西三面鋪設10厘米厚的戈壁碎石，碎石直徑為1～3厘米。

嘉峪關關城南敵樓墻體保養(yǎng)維護工程措施主要有土坯墻體拆除、原夯土墻體加固、外包土坯墻體重砌、屋檐排水設施安裝、墻體穩(wěn)定性監(jiān)測等。嘉峪關關城南敵樓墻體保養(yǎng)維護工程在多方努力和積極配合之下很好地完成了當初預定的施工目標，推動了嘉峪關長城保護、傳承工作高質量發(fā)展。

3 監(jiān)測中心同步開展施工前與施工后監(jiān)測

在知曉嘉峪關關城南敵樓要開展墻體維護保養(yǎng)工程后，嘉峪關絲路（長城）文化研究院長城保護研究所與文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心協(xié)同開展工程施工前的監(jiān)測工作，利用無人機、全站儀、遠距離裂縫觀測儀、游標卡尺、花竿、三維掃描儀等設備測繪記錄了南敵樓病害的各項數(shù)據(jù)。根據(jù)勘察情況，查清外包墻體厚度及結構情況、墻體鼓脹情況，使用鋼絲對空鼓部位進行了探查，鋼絲長度為76.3厘米。包砌體與原墻體普遍存在8～10厘米縫隙，東墻下部鼓出6～12厘米，南墻下部鼓出6～10厘米，南墻上部鼓出4～6厘米。如圖1和圖2所示，利用花竿記錄南敵樓東立面墻體鼓脹凸出的基礎數(shù)據(jù)。

南敵樓高約9米，上部裂隙病害情況無法使用手持相機進行記錄，因此長城保護研究所使用大疆無人機對南敵樓東立面上部裂隙進行拍照記錄。經(jīng)過大疆軟件處理后得到南敵樓東立面上部裂隙（圖3）長度為230厘米，裂隙寬度為2～8毫米；東立面中段裂縫（圖4）為卸荷裂隙，位于南敵樓中部混凝土圈梁下方，裂隙長度為138厘米，裂隙寬度為2～6毫米。部分裂隙則采用遠距離裂隙觀測儀（圖5）來實現(xiàn)監(jiān)測，測得南敵樓南立面上部裂隙長2206厘米，寬2～5毫米。

全站儀、遠距離裂縫觀測儀、花竿（圖6）和游標卡尺作為監(jiān)測設備能夠很好地用來開展各項監(jiān)測工作，但從土遺址病害記錄的角度來看也僅僅局限于某一具體點位的描述，并不具備整體記錄的可能，因此在實際監(jiān)測工作開展時按照各類監(jiān)測設備的特性設計監(jiān)測方案，通過優(yōu)勢組合的方式來協(xié)同工作，進而達到運用監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字化描繪監(jiān)測本體的目的。三維激光掃描儀的特點是可以用激光掃描物體表面后記錄的點云數(shù)據(jù)來宏觀描繪監(jiān)測本體的基本情況，用計算機處理點云數(shù)據(jù)后可構建三維數(shù)字模型，通過三維模型的對比來觀察工程維修前后南敵樓整體變化情況。三維激光掃描儀的優(yōu)勢是能夠精準、高效地開展掃描作業(yè)且優(yōu)于人工測量的方式。

三維激光掃描技術分為三維點云數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩大部分。文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心基于現(xiàn)有的Leica C10三維激光掃描儀制定與本次應用場景相匹配的掃描方案。為更好地展現(xiàn)病害區(qū)域的諸多細節(jié)，掃描方案擬采用超高精度模式對南敵樓東立面、南立面和西立面進行掃描。為找尋工作量與工作精度之間的平衡點，方案設定測站與測站之間需要有30%的掃描區(qū)域重合，為降低點云拼接誤差，每個測站設置7個標靶球，共需要進行6個測站的掃描。測站與測站之間的距離確定為20米，每次換站需要確保有4個標靶球作為公共標靶球。完成方案設計并多次實地操作之后最終獲得了嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程維修前的三維點云數(shù)據(jù)。后期運用Geomagic Sudio軟件對點云數(shù)據(jù)進行降噪、抽析、拼接等操作，并查看點云數(shù)據(jù)拼接精度報告確定是否符合精度要求，最終制作完成維修前的三維模型。

嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程完成后，2022年5月，文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心組織力量對維修后的南敵樓開展維修后的三維掃描作業(yè)，第二次掃描作業(yè)遵循第一次掃描的監(jiān)測方案，并在完成后構建三維掃描的數(shù)據(jù)模型。通過構建模型的點云數(shù)據(jù)對比可獲得南敵樓東立面、南立面和西立面的具體變化情況。圖7和圖8是南敵樓2021年和2022年點云數(shù)據(jù)對比圖。其中圖7是南敵樓東立面點云數(shù)據(jù)對比，從圖中可看到綠色部分是2022年的點云數(shù)據(jù)圖，青色部分是2021年和2022年點云數(shù)據(jù)存在差異的地方，重點集中在東立面圈梁下方受到雨水侵入和浸泡的區(qū)域，經(jīng)過計算機軟件測算可得該區(qū)域面積為6.3745平方米。圖7右邊圖例標識了兩次點云數(shù)據(jù)變化數(shù)據(jù)差異，可見變化范圍為-0.0040～-0.0010米，部分破壞較明顯裂隙邊緣為-0.0070米，整體維修后很好地修復了嘉峪關關城南敵樓東立面下端鼓脹區(qū)域，從點云數(shù)據(jù)來看變化區(qū)域正好是病害最嚴重區(qū)域。圖8是南敵樓西立面點云數(shù)據(jù)對比圖，與圖7變化情況基本一致，排水管附近區(qū)域變化量集中為-0.0040米～-0.0010米，從結果來看，維修區(qū)域得到了很好的修復。

4 結語

多學科聯(lián)合開展學術研究已經(jīng)成為文物保護領域的新常態(tài)，運用其他行業(yè)成熟先進的技術手段對文物行業(yè)傳統(tǒng)工作方式進行迭代，能夠顯著提升工作效率。本次針對嘉峪關關城南敵樓墻體維護保養(yǎng)工程開展的監(jiān)測工作運用了多種便攜式監(jiān)測設備，成功地使用三維掃描儀、遠距離裂縫觀測儀、全站儀、花竿等監(jiān)測設備協(xié)同開展監(jiān)測作業(yè)，獲得了南敵樓在維修前后的點、線、面、體監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些寶貴的數(shù)據(jù)將南敵樓歷史中的某片段定格并保存，對今后文保工作數(shù)據(jù)積累意義重大。

注釋

①陳國寧.中國是全球氣候變化敏感區(qū)[J].生態(tài)經(jīng)濟，2022，38（10）：9-12.