古建筑在线监测

于其飞　赵庆双

摘要：古建筑是中华五千年建筑文明的结晶，是重要的文化遗产，拥有着巨大的研究价值和精神意义，而对于古建筑的在线监测保护就显得尤为重要。目前我国对与古建筑的在线监测技术研究尚处于起步阶段，在此背景之下，该文提出目前古建筑检测的相关技术应用，对三维信息采集技术、病害微损检测技术、物联网/互联网技术、自动报警技术、DH5965在线监测系统做出了阐释说明。

关键词：价值；遗产保护；受损；在线监测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0189-02

1概述

中国是历史悠久的文明古国，建筑是中国文明发展的见证，从山洞、茅草房到土坯房、木结构的房舍再到现在的摩天大楼。建筑的面貌以及构造、功能都随着时代的发展而日新月异，但作为拥有5000多年历史的文明古国，前人的一些高超的建造技艺仍然是后人无法超越的。茅草房、土坯房等由于其耐久性较差，现存的遗迹已经寥寥无几，而凝聚古人智慧的拥有优秀耐久性的木结构古建筑就承载起了华夏建筑文明，保护古建筑也随之成为大家迫切关注的事情。古建筑的卯榫结构既稳定坚固又具有任性，这建筑技艺就是现代也只能是望其项背，但是木质的建筑结构再怎么结实也经受不住风吹日晒，建筑有了损坏如果还不能及时补救后果则不堪设想，古建筑在线监测技术尤为重要。

检测技术从以前传统的目视、敲击到现在较为先进的仪器检测，随着科技的发展检测的技术也是多种多样。我国的在线监测技术起步较晚，国外的建筑工作者早在20世纪60年代便开始用应力波进行实地的检测。到2000年我国才自主研发出第一台应力波时间测定仪。我国超声波检测方法的研究始于20世纪80年代，目前与古建筑检测有关的研究成果为数不多，相关在线监测的技术应用也是最近几年才开始的，所以此课题值得开拓的研究空间还是很多的。

2古建筑的主要结构形式及受损的主要原因

2.1古建筑的主要结构形式

从洞穴、草棚到房舍、楼阁、高塔，随着人类文明的进步，基于满足人们遮风挡雨生存需求的居住场所也随着人类的发展而发展，变得五彩斑斓丰富而又多彩！而中华大地上现存的这些古建筑也就成了承载我国建筑历史与伟大智慧的重要文化遗产，是古建使用及其维护全过程古文化的最大集装载体！我国幅员辽阔，人文地理环境复杂，古建筑的做法难免会因地域而呈现出差异性，如果忽略少数特别做法（如木楞叠摞井干式构造等），则主要分为两类：一是北方地区使用较多的抬梁式作法，二是多用于南方地区的穿斗式作法。前者较后者的作法更为成熟，克服了一些穿斗式的缺點，在使用上也更为广泛。

众所众知，古建筑的建筑材料使用最多的就是木材，柱和梁这两个主要的受力构架皆为木材所制。墙有土墙（夯土或土坯）、砖墙、石墙、木墙、编条夹泥墙等。地基处理的方法也是多种多样，有换土法、密实加固法、灰土挤密桩法等，地基基础的做法有夯土基础、灰土基础、砌筑基础、筏型基础、桩基础等，部分已经和现代基础作法十分类似。

2.2古建筑受损的主要原因

2.2.1人为因素

房地产业的飞速发展，土地地貌被人为改变，古建筑也受到牵连。旅游业的发展对于古建筑的损坏更是不可小觑，巨大的人流量对建筑物的负荷可想而知，加之一些人的保护意识淡薄，古建筑的受损成了家常便饭。另外，城市规划使得城市的社会人文环境遭到一定的影响，经历了岁月的变迁，城市形成了较为复杂的社会人文环境，这对于城市的发展是十分有意义的，古建筑与现代事物的相互融合与碰撞呈现出别样的意味，但这些意味也正在伴随着旧城区的改造而慢慢消失。

2.2.2自然因素

风吹日晒、雨打潮湿、外力破坏等因素会造成油漆地仗龟裂、破损、剥落；潮湿的环境会导致木构架的木柱柱根糟朽、柱身劈裂折断、檩条弯垂腐朽、枋子弯垂缺失、木构架倾斜拔榫等情况；地基承载力变化、地下水影响、树根生长、地下管线、外力破坏等因素会导致古建筑基础沉降和破碎。经历长时间的日晒风吹以及雨淋、地震、温差的变化加之沙尘的侵蚀、风化，这种种的影响因素会造成建筑结构的不均匀沉降，外部构件的氧化、污染、腐烂，装饰构件褪色、脱落等。大自然的侵蚀是我们文化遗产保护事业上不得不考虑也是必须要面对的挑战。

3古建筑在线监测技术的探索

3.1以DH5965在线监测系统为例

目前此项检测技术已经趋于成熟，并且开始面向市场。本项目监测的参数有：结构裂缝，沉降，位移，温度和风向风速。监测系统由传感器系统、数据采集系统和数据采集分析软件组成。DH5965在线监测系统将被测信号采集后，将数据光纤传输至监控中心的数据中心服务器保存数据，通过有线网络传输，所有能够连接互联网的用户均可远程观测、处理数据。

裂缝监测选用DH1205电阻式表面应变计。DH1205电阻式表面应变计广泛应用于桥梁、建筑、铁路、交通、水电、大坝等工程领域的各种钢结构或混凝土结构表面应变测量，测量安装点的线性变形（应变）与应力。该传感器具有输出灵敏度极高、线性好、稳定性好、构造简单、安装使用方便等优点。

沉降监测选用HCA528T倾角传感器。HCA528T是一款高精度双轴倾角传感器，输出采用标准工业电器接口4～20mA，可长距离传输达2000米。

位移监测选用2D001磁电式速度传感器，用该传感器选择速度档测量，可将得到的值做积分，得到动位移；选择加速度档可测量建筑的振动。它主要用于地面和结构物的脉动测量，一般结构物的工业振动测量，高柔结构物的超低频大幅度测量和微弱振动测量。

温度监测选用JCJ100TW温度传感器。JCJ100TW简易式温度传感器（又称温度探头）采用不锈钢金属外壳封装，内部填充绝缘导热材料密封而成。它具有体积小巧、反应灵敏、种类丰富、防水抗震等特点，可广泛用于环境温度、气体温度、液体温度、物体表面温度、冷冻冷藏温度等各种类型的温度测量。

3.2三维信息采集技术

三维激光、摄影、光栅采集与成型技术构成三维信息采集技术。

三维激光采集技术：是利用激光束的高精度测距原理获取对象的几何形体空间信息。测技术应用范围广，可进行从小结构到大型建筑的精确扫描，范围可以达到0.2m至2000m，精度可以达到0.02mm。

摄影采集技术是在原有摄影测量技术基础上与计算机技术相结合的几何测量成型技术。对古建筑的直观外形、色彩、材质等信息进行直观的采集和检测，可进行三维激光采集技术无法检测的建筑物装饰破坏以及建筑外表真实信息的采集，信息的原真度高，但信息的采集对环境的光条件有一定的要求。

光栅采集与成型技术是利用光栅与计算机算法结合形成的几何形体采集成型技术。其主要的测量对象仅限于结构尺寸较小的建筑结构，有一定的使用约束。

3.3病害微损检测技术的应用

针对古建筑的损害监测以往的旧方法是采取人工敲击、目测、手算、简单实验、听声判断的方法，只有经验、资质颇深的老师傅得出的结果才具有信服力。对于微损检测常用的方法是使用应力波仪和微钻阻力仪共同进行检测，此方法可以较为准确检测木结构的病害，还可得出检测构件的弹性模量、抗弯抗剪强度等力学数据。而对于砖石结构则可以运用Tersis仪、断层超声成像仪、地质雷达等进行其病害的检测。

而与其对应的无损检测在3.1部分已经给出阐述，即通过整合计算机技术、信息传输、传感技术、数据处理技术、GIS技术、多终端信息共享处理技术建立起的病害无损在线监测系统。

3.4互联网，物联网技术应用

物联网，作为一个新兴网络技术，被我国政府关注是从2008年开始的。在一个物联网联通的网络中，人们将目标事物与网络连接，实现对目标事物实时状态的掌握，方便人们对其的管理与控制。检测过程的各个环节通过云平台与人们手中的手机APP、计算机等媒介实现信息的及时传输与共享，以针对建筑的状况及时作出补救措施。运用手机APP或电脑多终端远程控制监测古建筑的实时状态，极大地提高了数据处理的便捷性、使得信息的传递更加快捷、及时，满足管理研究人员的信息获取需要。

3.5古建筑损坏自动报警系统

地理信息系统（GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS系统能够为古建筑损坏报警系统提供标准化、空间化、网络化的实用工具。在GIS系统的基础之上建立古建筑的实时监测报警系统，利用物联网或互联网将系统服务器与移动客户端相连接实现数据的共享与管理。

古建筑损坏自动报警系统主要由古建筑损坏检测系统和古建筑检测损坏预警系统组成，对雨量、水位等气候影响因素进行实时监测，再通过信息传输共享平台进行传输，实现实时监测信息的共享。气候条件是古建筑损坏的主要影响因素，如

2.2.2所述，潮湿的环境会使建筑的木结构产生龟裂、剥落，使木柱腐朽、劈折等情况，所以建立古建筑周边水情监测站是十分有意义的。

4古建筑在线监测技术的分析对比

三维几何信息采集技术对于古建筑的在线监测有一定的用武之地，但由于其对于大尺寸或是內部结构复杂的构件，三维信息的采集不够准确，其主要还是应用于建筑物的修缮工作。病害微损检测技术已较为成熟，但其设备较为庞大，会对建筑造成一定的损伤，也无法做到实时监控。相比较之下，运用计算机技术、信息传递平台技术、传感技术、GIS技术、数据库技术等手段建立起来的可持续采集信息的在线监测技术才是最佳选择。在线监测可将自动报警系统、互联网技术、无损，微损技术、信息采集等各项技术融为一身，去其糟粕，取其精华，建立愈来愈完善的在线监测系统。

5结束语

古建筑是中华文明的灿烂瑰宝，是重要的文化遗产，保护古建筑是我们义不容辞的责任。作为中华儿女，利用所学知识去研究保护古建筑的技术方法是值得我付出行动与汗水的事。古建筑在线监测值得学者们去研究、去思考，相信不久的将来中国的古建筑会永远屹立。