全球即时：揭秘｜如何听见并读懂古建筑的“心声”？

• 2022-09-08 17:44:54 来源：腾讯网

北京日报 | 记者 刘冕 实习记者 何蕊

“千万别用高大上的词，这个工作真不是别人做不好，就我们能做。只是我们比较幸运，得到了这个机会。”带着记者进入一间教学楼的办公室，还没顾上寒暄，北京交通大学布达拉宫结构与监测研究中心教授杨娜就提了这样一条“要求”。她笑着说，“我们就是最普通、最幸运的一群研究者，常年和古建筑打交道，通过倾听千年的心跳，为古建筑出具体检报告。真不是了不起的人，我们是最普通的科技工作者。”

普通却有着不平凡的经历。15年来，杨娜团队爬过西藏布达拉宫的屋顶，钻过山西应县木塔的地垄，站在正阳门上看过日出……他们通过现代技术手段对古建筑开展健康监测和检测，借助科技的力量，焕活时光。

(相关资料图)

杨娜在观察布达拉宫红宫门厅梁柱节点的变形情况。

监测与保护共赢

杨娜的办公室外间，更确切地说是一段仅能容下两人并肩通过的过道里，挂着一块显示屏——中间是布达拉宫的平面图，绿色的地标注明着德央奴、日出康等地名。图上方有三组数，从左到右分别是观众累计次数1423762次，时间2022年8月19日11时16分43秒，在线用户数1人。

图两侧密密麻麻分布着各类监测内容：左上是传感器统计柱状图，布宫不同位置的传感器数量一目了然；左下是总报警数量趋势。每月的预警情况用鲜艳的色块勾勒出来，格外醒目；右上是一张柱状图，用黄、粉、红、棕、紫五种不同颜色，分别表示一二三级预警、状态报警和地震预警，红宫木结构、白宫木结构、雪域城墙等不同位置的结构健康状况清晰可见；右下是饼状图，显示测点状态，实时记录979个点位正在进行的联网测量状况。

这些外行看上去字都认识，却看不太懂的内容，就是布宫的实时健康监测数据。“2012年10月，布宫第一期结构监测系统正式运行，几乎对所有木结构的关键部位都实现了实时问诊。”杨娜指着屏幕说，现在显示的这套结构监测系统平台是2021年6月正式上线的，基于无线传感和云技术，实现远程智能操作、管理和预警等功能。“它其实回答了三个问题：这个建筑状态怎么样，哪儿不舒服，什么时候开什么药合适。”

这些问题的“答卷人”，是距离北京3500余公里，安装在布宫的一系列现代化设备。“这就有矛盾了。”杨娜双手一摊，“一边是希望监测越准确越好，那就需要布设足够数量的监测设备；一边是希望对古建筑做无损监测，势必要控制现代设备的布设。”她打了个比方：“不能为了确保健康，就给一个人身上插满管子，度要把握好。”

这个度，是一个最佳平衡点，团队一直在探索，力求实现保护与监测的共赢。

以传感器为例，市场中大多数传感器是用于混凝土和钢结构的。“为了在木结构上稳定安装，且尽可能减少损伤，团队特地定制了支座。”杨娜说，经过前期反复测试，团队发现当支座螺钉数为2颗时，既能减少设备对结构本体的扰动，又能保证数据的精确性。每一个结构传感器都要遵循严苛的安装标准，位置必须把准“脉”。“不能敞开了测，要保证测出的数据准确且有意义，每一个传感器的位置都经过了精心设计，处在牵一发动全身的节点上。”比如在梁柱的关键受力部位、病害比较明显和严重的区域、游客可能聚集的地方等。

本着“哪怕不监测，也不能破坏文物”的铁律，团队累计在布宫布设了近800个结构传感器。其中，“雪城”是布宫最早布设传感器的区域之一。但团队精心准备的头版方案拿到现场却被推翻了，因为采集箱安装后对壁画有影响。

二话没说，团队开始更改方案。可采集箱的位置变了，连接的数据线长度就不足了。这种线一般商店很难买到，团队成员常鹏老师和同事几乎跑遍了拉萨所有建材厂，最后才在一个卖音响的小门脸找到了。

就凭着这么一股韧劲儿，团队完成了第一批传感器的布局设计、试验测试、安装和调试，整个过程历时3年9个月。杨娜说：“一切的原则是，在不破坏建筑结构的前提下，最大限度记录建筑物各种结构变化。”

“按需”是她的口头禅之一。安装传感器的顺序就是按照需求，第一批在开放区，目的是监测客流带来的影响。2015年进行二期结构监测系统可行性论证时，布达拉宫的墙体、地垄以及下方的山洞等监测难度更大的区域被纳入了视野。局部裂缝、倾角、测斜、温湿度、收敛仪等395个各类传感器陆续安装到位，有些卡在墙体间微小的罅隙里，有些装在柱子上缠绕的红布下。

“尽可能地藏起来。”杨娜说，一方面是不打扰布宫的生态作息，一方面是尽量减少对参观的影响，也避免观众误碰造成监测信息不准。另外，对布设的光缆也有讲究，“主光缆铺设了2280米，支光缆铺设长度是8000米，和家里装修一样，尽量溜边顺墙根。”

“也不一定就得上设备。”杨娜举例子，一面墙上有一道细缝，在保证不会影响本体安全的前提下，可以贴一张纸条，定期派人观察记录。“纸条皱褶了，证明缝在收缩，如果纸条断了，就是缝变宽了。一切的目的是保证文物本体安全，不受损。这和监测现代建筑的思路有差别。”

长期与短期平衡

“算一算，给布宫做监测已经持续了15年。每次路过这里，我都会特意瞄一眼屏幕上的数据，看一看老朋友的状态。”杨娜回忆，接触这个项目之初，真没想到会是这样一场“持久战”，当时以为只是一次性的检测。

检测和监测，一字之差，工作内容却有不少区别。杨娜举了个形象的例子，检测是短期的项目，类似于给古建筑做一次心电图，测出当下的健康指标；监测是长期的工程，动辄几年甚至数十年，像是给古建筑做Holter（动态心电图）。24小时的“保健医生”可以随时根据监测数据给出判断，力求防患于未然。其实，长期的监测周期里也会涉及一些短期的检测，比如每隔三个月进行一次，积累数据作为状态评判的科学依据。

至于是长期的监测好，还是短期的检测好，杨娜再次说出了“口头禅”：“还是得按需，不能一概而论。”

以布宫为例，2007年年初，杨娜与当时的布宫保护规划设计师的一次通话，启动了布宫结构监测的按键。因为随着青藏铁路的贯通，大批游客将坐着火车去拉萨，参观布达拉宫几乎是每位游客的必选项。但是这座1300多年前的古建筑，能否禁得住突增的客流？人为震动对于古建会造成多大伤害？如何避免或者减弱？这些是当时急需解决的问题。

“接到电话，我觉得没问题啊。”杨娜摆了摆手，“吐槽”当年的自己，“还是太年轻，这一行真的是越干越觉得自己不懂得还有很多。”她说，当时只觉得给建筑做检测，看图、评估结构的安全和稳定土木人最拿手，虽然此前没有和古建筑打过交道，但是内容都是熟悉的，领域是擅长的。

杨娜的底气来自一项项圆满完成的任务——“国家自然科学基金：钢框架新型延性节点和结构体系的动力实验与抗震分析”“北京第29届奥运会临时看台应力和变形动态监测项目”“铁道部科技司：大型客站‘房桥合一’结构动力学研究”……“我猜布宫的项目找到我们，可能也是因为团队做了北京南站建设综合技术的研究，其中就包括对建筑承受客流上限的预测。”杨娜回忆，最初对布宫的木结构做检测，目的也是“算”出开放客流上限。

2007年7月底，杨娜第一次到拉萨，见到了曾经只在《新闻联播》中见过的“天空之城”。“震撼！美！”她一边感叹，一边被高原反应折磨，“忘事儿，喘不上气，我的高反算是团队里最严重的。”

更大的困难是——“我们对现场的情况其实一无所知”。杨娜解释，布宫始建于公元七世纪，后又经历过重建、增扩。但和现代建筑不同，这个过程没有施工图，结构上存在很多未知的盲点。

一切都要摸索着来。“不能大刀阔斧地做。”杨娜说，要开若干次评审会，请各行专家提意见。以正在进行的二期项目为例，2015年就开始做可行性报告，直到2021年才开始设备安装。“要考虑的越来越详细，一期项目使用了光缆，二期就使用了无线装置。功耗更低，消防风险点更少。”

目前，布宫已经建立了基于日常管理的普查巡查、针对关键部位的人工检测以及智能化自动实时监测相结合的古建筑结构监测系统。近10年来，超过1000万组监测数据，详细地记录了布宫的细微变化。

也有些古建筑适合检测。最近几年，杨娜带着团队给北京的正阳门城楼、山西的应县木塔等都进行过体检。掰着手指头数完工作过的地方，杨娜噗嗤一笑：“这么一想，自己真的很幸运。这些工作过的地方都是中华瑰宝，有种一瞬千年的感觉，很奇妙。”

如果去除回忆中的美化滤镜，每一次检测过程都充满挑战，称得上艰苦。

2018年年底，杨娜团队接下为应县木塔做环境激励测试的任务。“这座木塔始建于公元1056年，由于自然灾害作用和人为因素，变形受损严重，且变形持续增加，尤其是二层残损最严重。”杨娜说，一旦遇到突发灾害，可能会危及木塔的安全。结构动力特性是反映木塔结构抗震、抗风和抵御其他动荷载的基本性能，也是损伤评估的重要指标，当时要做的体检内容就是了解冬季木塔的结构性动力特性。

杨娜办公室门外贴着的两张A4纸上图文简单描述了当时的体检过程和数据。自互谱法、SSI法、一阶平动、二阶扭转，还有偏心损伤、非同轴倾斜刚度偏心三类等拗口且晦涩的名词外行看不懂，但几张平面图简单明了标注了古塔伤况，红色是损伤部位，绿色是原始的中心轴位置，黄色是现在的位置。杨娜特意补充：“在应县木塔的工作中，我们只是提供了一部分数据，为木塔的保护提供支持，只是大团队中的一小部分。”

通过先进的科技手段，团队尝试与古建筑“谈心”。得到的回复，有最直白的数据，也有委婉的表述。杨娜说：“印象最深的是应县木塔楼梯的围栏，经过千年岁月摩挲，每一段扶手都光滑温润。手放上去，心跳都会跟着慢一拍，一种对历史的敬畏感油然而生。”

一段木头成了介质，跨越千年，传递连绵不断的感情。有了同样的文化守候，源远流长就驻在了心里。

前沿与传统交互

近年来，越来越多的文物单位向杨娜团队伸出“橄榄枝”，请这支经验丰富的团队给自家古建筑“体检看病”。其中，来头最大的“体检者”当属坐落在北京中轴线上的“京师九门”之冠——正阳门。

杨娜与同事考察正阳门箭楼墙体的损伤情况。

坐落在前门大街的正阳门始建于明成祖永乐十七年，距今已有500余年的历史。它默默见证了北京城的繁华变迁，经历过火毁后重建，也进行过多次保护性修缮，但鲜少人关注，这位历史见证者的日常状态如何——“正阳门正在经受怎样的环境振动？周边交通振动会对正阳门产生怎样的影响？”杨娜团队第一次提出了疑问，并通过检测给出了答案。

“随着北京城的飞速发展，正阳门周围的交通状况日益复杂，地上地下交通24小时不间断，为这座古建筑的保护带来挑战。”2019到2020年，杨娜带领团队对正阳门进行了多次实地勘察，发现正阳门正在被四通八达的交通线路所包围——“地面交通有双向六车道、单向五车道公路，最近的一条与城楼和箭楼仅有约5米的距离，地下交通还有地铁2号线和北京站至北京西站地下直径线穿行。”杨娜边说边掰着手指头数。

根据经验，她认为相比于现代建筑，古建筑更容易受到交通振动产生的不良影响，会使得承振能力下降，产生动力疲劳、损伤累积、应力集中、构件失效等病害，严重时可能会引起城台不均匀下沉、墙体开裂、构件疲劳破坏等现象，“正阳门的振动检测迫在眉睫，非常重要。”

于是，一套对箭楼、城楼进行振动检测工作的初步方案形成了：检测正阳门动力特性、交通振动响应及周边场地振动特性，评估公交、地铁及国铁等交通振动对正阳门的性能影响。“说简单点，就是给正阳门做心电图，看看它在正常状态下和周边有交通经过时的‘心跳’有什么变化。”

2021年，项目正式获批，杨娜团队启动了对正阳门的振动检测，这项工作也被她形象地称作“倾听正阳门下的喧嚣”。

给古老的正阳门做检测，团队用的技术都是“定制”的。“也不是说越新的技术就越好，用最适合的才对。”杨娜举例，团队基于MATLAB程序平台——一种广泛用于数据分析、图像处理的计算机数学软件，实现了对正阳门的模态参数识别、交通振动响应关键指标提取等。而团队工作的“重头戏”，就在于大量采集振动数据。“白天和夜晚都有工作。”杨娜说，要测出正阳门自身的“心跳”，需要非常安静的环境，一般会在零点前到达正阳门布置好现场，等待夜深人静时开始测试工作，直到天空泛出鱼肚白，城市重新恢复喧嚣，一次夜间测试才算结束，“倾斜、裂缝、应变……平均一小时采集约十次数据，再算出均值。”越是艰苦的工作，杨娜越能表现出乐天派的性格：“虽然熬夜比较辛苦，但大家一边听着正阳门的‘心跳’，一边欣赏着中轴线的夜景，别有一番滋味。”

不仅要动脑，还得跑腿。到了白天，另外一批成员上岗，检测正阳门在交通影响下的振动。他们分成地铁、国铁及汽车调研小组行动，分别前往地铁2号线、北京站、北京西站，按照图纸和时刻表，精确计算车辆到达正阳门下的时刻，“得掐着秒表统计每一班车到达和出发的精确时间，还得和地上的组员打好配合，每一次交通振动测试都要分秒必争，一天下来得来回坐好几十次地铁。”

干这些“体力活”的大多数是该校土木建筑工程学院的学生，就算只是跑跑腿、扛扛机器，杨娜也坚持带他们去现场参与检测工作。曾经有学生提问：“我们的专业是土木工程和铁道工程，未来可能并不会直接从事和古建筑保护有关的工作，干这些对我们来说意义大吗？”杨娜听了，丝毫没有犹豫，道出了对每一届学生都会说的一段话——

“今后你们走向工作岗位，当你负责的高速铁路、轨道交通的规划和建设与古建筑发生交汇或关联时，希望你们能够想到自己曾经从事过古建筑保护相关的实践工作。”杨娜语重心长地说，“如果你们能停下来，将古建筑的保护加入到方案取舍的考虑中，在各自的领域善待古建筑，那么，我现在的坚持将变得更有价值。”

令人欣慰的是，正有越来越多如杨娜一般的科研工作者，加入到古建筑保护的行列中。他们运用所学专长，听见并读懂古建筑的“心声”，共同守护时光的印记。

关键词: 揭秘｜如何听见并读懂古建筑的心声