過渡季建筑使用方式對文物保存環(huán)境的影響探究

李崢嶸 徐天昊 張鵬

過渡季建筑使用方式對文物保存環(huán)境的影響探究

李崢嶸1徐天昊1張鵬2

1同濟大學(xué)暖通空調(diào)及燃氣研究所
2天津市歷史風(fēng)貌建筑整理有限責(zé)任公司

歷史建筑中保存的文物直接與空氣接觸，室內(nèi)環(huán)境即文物的保存環(huán)境。過渡季室內(nèi)無采暖或空調(diào)進行環(huán)境控制，并且歷史建筑修復(fù)再利用后使用方法發(fā)生變化，文物的保存環(huán)境更加復(fù)雜，波動明顯。在五月對天津某歷史建筑內(nèi)三種文物保存環(huán)境進行監(jiān)測，通過客觀的數(shù)學(xué)方法將溫度、相對濕度數(shù)據(jù)處理為統(tǒng)一的“綜合評價值”，并與建筑實際使用方式對應(yīng)，在判斷綜合評價值準確性的同時，對建筑使用方式對文物保存環(huán)境影響進行探究。

建筑使用方式保存環(huán)境過渡季溫濕度綜合評價值

0引言

歷史建筑中常常保存著珍貴文物，具有觀賞價值與使用價值[1]。對于直接與空氣接觸的文物，建筑室內(nèi)環(huán)境即文物保存環(huán)境。因此，室內(nèi)的溫度與相對濕度是評價該類文物保存環(huán)境優(yōu)劣的重要指標。國內(nèi)外各學(xué)者針對不同材質(zhì)文物的損壞與其保存環(huán)境的關(guān)系進行了較為詳細的研究。例如，Maria等通過分析三處教堂的壁畫和油畫房間的溫濕度變化情況，發(fā)現(xiàn)在溫濕度波動明顯的房間，藝術(shù)品褪色相對嚴重[2]。Pavlogeorgatos總結(jié)前人研究，指出濕度的波動可導(dǎo)致木材形變以及木材脆弱性增加等不利于木質(zhì)文物保存的因素出現(xiàn)[3]。閻宏彬等研究了云岡石窟保存環(huán)境，發(fā)現(xiàn)溫濕度的變化可導(dǎo)致石質(zhì)表面凝結(jié)、蒸發(fā)現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生，引起石質(zhì)壁畫劣化[4]。Cavallini等學(xué)者總結(jié)性地指出，文物損壞取決于材質(zhì)的性質(zhì)、周圍環(huán)境的嚴酷程度，但更取決于其環(huán)境條件的“變異”，損壞可能性隨著文物與外界物質(zhì)、能量交換過程的降低而減小[5]。因此，由各學(xué)者的研究成果可知，不穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境是導(dǎo)致文物的劣化和損壞的重要因素。

現(xiàn)實中一些歷史建筑經(jīng)修復(fù)后再次投入使用，建筑使用方式發(fā)生明顯變化，主要體現(xiàn)為使用功能、使用者、設(shè)備的改變，并且使用者的行為及人員流動會造成更加復(fù)雜的溫濕度環(huán)境。特別地，過渡季由于缺少空調(diào)及采暖設(shè)備的調(diào)控，溫濕度環(huán)境波動更加明顯。本文以天津某歷史建筑為研究對象，對室內(nèi)三種文物保存環(huán)境進行監(jiān)測，利用數(shù)學(xué)方法將溫濕度數(shù)據(jù)處理為可綜合分析環(huán)境變化情況的評價值，并將特定時間段的綜合值差值與建筑使用方式對應(yīng)，以此探究過渡季建筑使用方法內(nèi)部文物保存環(huán)境的影響。

1研究對象

研究對象為天津某棟修復(fù)再利用的歷史建筑，該建筑原為清朝官員的住宅，層數(shù)4層，在保留建筑主體結(jié)構(gòu)以及文物位置的基礎(chǔ)上，已改造成為用餐會所使用。建筑內(nèi)部保存了巖石壁畫、木質(zhì)彩繪、金絲楠木雕刻等珍貴的歷史文物（圖1～圖3），均與空氣直接接觸，則室內(nèi)環(huán)境即此三類文物的保存環(huán)境。文物具體信息如表1所示。測試期間不采暖，空調(diào)使用次數(shù)很少，人員、菜品、燈具等設(shè)備成為溫濕度的主要室內(nèi)影響因素。根據(jù)實地考察和運行記錄，人員活動及菜品增減在時間上主要集中于午餐和晚餐時間（約11:30～13:30，18:00～21:00）。

圖1巖石壁畫（其中之一）

圖2木質(zhì)彩繪（仰視）

圖3金絲楠木雕刻(上端部分)

表1文物位置及環(huán)境特征

2物理模型

2.1過渡季保存環(huán)境特征

過渡季泛指春季和秋季，筆者選取2014年5月1日～5月31日作為典型過渡季進行溫濕度監(jiān)測，儀器采用HOBO自記儀每5分鐘記錄一次。監(jiān)測期間室外氣象參數(shù)如圖4～圖5所示，可見室外溫濕度波動明顯、日較差較大。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，監(jiān)測期間室內(nèi)無規(guī)律性地開啟門窗進行自然通風(fēng)，并且開啟空調(diào)降溫的情況較少。圖6～圖8給出了三類文物保存環(huán)境取小時平均的監(jiān)測結(jié)果，其中虛線代表月平均值。可見，溫濕度波動是三類文物保存環(huán)境的主要特征。

圖4室外空氣日均溫度

圖5室外空氣日均相對濕度

圖6壁畫保存環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

圖7 彩繪保存環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

圖8雕刻保存環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

2.2數(shù)據(jù)分析時間段選取

過渡季由于自然通風(fēng)及缺少環(huán)境調(diào)控，室外環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境存在影響，由圖4～圖8可知，保存環(huán)境溫度與室外氣溫均呈整體上升趨勢；而相對濕度無明顯上升或下降趨勢。為了排除室外天氣干擾（如溫差大、陰雨天等），將建筑使用作為單一變化因素，并提高分析結(jié)果的可靠性，用于數(shù)據(jù)分析的時間段選取方法為：上、中、下旬中各選取連續(xù)的室外氣溫日均值差值小于2℃的晴天，具體時間段信息如表2所示。

表2計算時間段

3數(shù)學(xué)模型

3.1數(shù)據(jù)處理方法概述

為了合理表征溫度、相對濕度的整體波動，文本采用“綜合評價值”對其進行計算分析。由于溫濕度數(shù)據(jù)的量綱和數(shù)量級均不同，因此利用數(shù)學(xué)方法對溫濕度數(shù)據(jù)進行極性和規(guī)范化處理，得到統(tǒng)一的溫濕度指標，后利用熵權(quán)法計算指標權(quán)重進行加權(quán)求和，即得每類文物不同時間的“綜合評價值”。通過綜合評價值即可分析保存環(huán)境中溫濕度的整體波動情況。整個過程將數(shù)據(jù)視為矩陣，使用MATLAB編程進行計算。

3.2熵權(quán)法概述

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的數(shù)學(xué)方法，根據(jù)各指標的變異程度來確定權(quán)重[6]。某個指標的信息熵ej越大，表明其指標值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中起的作用越大，其權(quán)重也越大。相反，信息熵ej越小，則其權(quán)重也越小。對于任意矩陣Rij={rij}，第j個指標的熵值ej為：

3.3計算過程

3.3.1計算不同文物的規(guī)范型極性矩陣

以時間段Ⅰ為例，利用該時間段的小時平均溫度及相對濕度數(shù)據(jù)構(gòu)建壁畫、彩繪、雕刻三類文物的初始矩陣，分別記為X、Y、Z（均48行×2列矩陣）。將利用表2中的平均值通過rij=|xij-x平均值|計算得到極性一致化矩陣，進一步將矩陣進行規(guī)范化處理。rij的值越小，說明xij越接近平均值，因此規(guī)范化矩陣X'為越小越優(yōu)型，則計算方法為：

圖9時間段Ⅰ的壁畫初始矩陣

圖10壁畫極性一致化矩陣

圖11壁畫規(guī)范矩陣

為了形象地表示計算過程，以時間段Ⅰ壁畫為例將矩陣以圖表的形式表示，如圖9～圖11。同樣可得時間段Ⅰ中彩繪和雕刻的規(guī)范型極性矩陣。三類文物的規(guī)范型極性矩陣分別記為X'、Y'、Z'。

3.3.2構(gòu)建建筑內(nèi)保存環(huán)境的綜合評價矩陣

針對時間段Ⅰ中三類文物的規(guī)范型極性矩陣，利用熵權(quán)法計算溫度、相對濕度指標權(quán)重，得溫濕度指標權(quán)重矩陣為將矩陣X'、Y'、Z'分別與W23的三個列向量W1、W2、W3分別相乘，得3個48行的列向量，分別記為H1、H2、H3。其數(shù)據(jù)代表了時間段Ⅰ中每個小時（48個小時）段中每類文物保存環(huán)境每小時的綜合評價值，如圖12。同法計算得時間段Ⅱ和Ⅲ內(nèi)文物綜合評價值，如圖13～圖14。

圖12綜合評價矩陣（時間段Ⅰ）

圖13綜合評價矩陣（時間段Ⅱ）

圖14綜合評價矩陣（時間段Ⅲ）

4結(jié)果分析

4.1綜合評價值準確性分析

溫濕度的波動不利于文物的保存，利用熵權(quán)法計算得到綜合評價值體現(xiàn)了溫度、相對濕度的綜合變化情況。對于夜間，由于無人員流動及設(shè)備運行，文物的保存環(huán)境應(yīng)較為穩(wěn)定。三類文物夜間（約22:00～8:00）綜合評價值差值（最大值-最小值）如圖15所示。可見，壁畫和雕刻的評價值波動較小，最大差值分別為0.250和0.267，可判斷夜間環(huán)境較為穩(wěn)定，與實際相符。而彩繪處評價值差值相對其他文物明顯較大，最大達0.557，與實際偏差明顯。探究原因，是由于極性處理以整個時間段的溫濕度平均值為前提，而彩繪位于樓梯間在營業(yè)期間受射燈照射，打烊之后射燈關(guān)閉。圖16給出了三個測試時間段中文物的溫度變化情況，可見射燈使彩繪保存環(huán)境在營業(yè)和打烊時存在溫度驟升和驟降，最大溫變梯度為3.6℃/h（5月8日）。因此，采用整個時間段的平均值對彩繪進行極性處理得到的綜合評價值合理性較低。應(yīng)對彩繪應(yīng)進行分夜間、營業(yè)兩個時段進行計算。相對而言，壁畫和紅木處無類似射燈的存在瞬間變化的強熱源或濕源，則采用整體時間的平均值分析準確性較好。

圖15文物非營業(yè)期間綜合評價值差值

圖16文物保存環(huán)境溫度監(jiān)測結(jié)果

4.2營業(yè)時間段分析

由于餐廳主要使用時間集中于午餐和晚餐時間（約11:30～13:30，18:00～21:00），該兩個時間段相對非用餐時間存在較多人員流動及菜品的增減，可引起環(huán)境參數(shù)的改變。為了提高彩繪處綜合評價值的準確性，利用9:00～21:00的溫濕度平均值對彩繪進行重新計算；同時，為了保證不同文物之間對比的可信度，壁畫和紅木也均進行重新計算。午餐、晚餐時間段的綜合評價值差值如圖17所示。由圖分析，晚餐期間三種文物的綜合評價值差值均大于午餐期間，可見文物的保存環(huán)境，晚餐期間的波動更加顯著。

文物中石質(zhì)壁畫和紅木雕刻分別位于三樓和四樓的主餐廳，相較于其他餐廳使用頻率較低，并且晚餐使用頻率大于午餐。圖17標記了三個時間段中兩主餐廳的使用情況。餐廳使用時間的綜合評價值差值相比同時間同餐廳的其他差值比較如表3所示，可見餐廳使用時的評價值差值明顯大于其他時間，可以判斷由于該時間中客人使用引起了明顯的環(huán)境變化，波動較其他時間顯著。根據(jù)現(xiàn)場觀察，客人用餐期間，所點菜品種類不一，餐廳內(nèi)客人及服務(wù)人員總數(shù)不斷變化，并且人員進出、入口處門開或關(guān)及開啟程度、人為空調(diào)開啟及溫度設(shè)定均無明顯規(guī)律性。因此，對應(yīng)實際使用方式，綜合值差值較真實地從數(shù)據(jù)層面表征了保存環(huán)境的波動情況。

圖17文物用餐期間綜合評價值差值

表3餐廳使用綜合評價值差值對比

5結(jié)論

歷史建筑中文物保存環(huán)境在過渡季波動明顯，建筑使用方式的變化引起了更加復(fù)雜的熱濕環(huán)境。通過5月對天津某歷史建筑中石質(zhì)壁畫、木制彩繪、紅木雕刻的保存環(huán)境長期監(jiān)測，選取其中三個時間段的溫濕度數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)方法計算綜合評價值，反映了保存環(huán)境中溫濕度的綜合變化情況。主要得出以下結(jié)論：

1）彩繪處射燈的開關(guān)可引起溫度驟變，造成營業(yè)與非營業(yè)時間段溫差較大。因此，采用整個時間段的溫濕度平均值計算所得綜合評價值在全時間段波動明顯，不準確。相對地，壁畫與雕刻處無瞬間變化的熱源或濕源，采用整個時間段平均值計算的準確性較好。

2）由壁畫和紅木的綜合值曲線分析可知，夜間環(huán)境相對穩(wěn)定，綜合值變化較少，與夜間無人員流動及設(shè)備運行的實際情況相符。

3）建筑使用功能為用餐會所，主要的人流量、菜品以及人員活動引起的門窗開閉、設(shè)備運行主要集中于午餐和晚餐時間。分析該兩個時間段的綜合評價值可知，晚餐時間評價值普遍大于午餐時間。

4）對于分別保存壁畫和雕刻的三樓和四樓主餐廳，在有客人使用的情況下，評價值差值較無人使用時明顯偏大。

綜上，采用數(shù)學(xué)方法將溫濕度數(shù)據(jù)處理為綜合評價值，較好地從數(shù)據(jù)層面表征了保存環(huán)境的綜合波動情況，利于結(jié)合實際使用情況分析建筑使用方式對文物保存環(huán)境的影響。

[1]劉怡涵.歷史建筑的保護和再利用初探[J].美術(shù)大觀,2010,(10): 193-195

[2]Maria La Gennusa,Gianfranco Rizzo,Gianluca Scaccianoce,et al. Control of indoor environments in heritage buildings:experimental measurements in an old Italian museum and proposal of a methodology[J].Journal of Cultural Heritage,2005,(6):147-155

[3]G Pavlogeorgatos.Environmental parameters in museums[J]. Building and Environment,2003,38:1457-1462

[4]閻宏彬,黃繼忠,趙新春,等.溫度、濕度的變化對云岡石窟保存的影響[J].大同大學(xué)學(xué)報,2007,23(3):25-29

[5]T Cavallini,S Massa,A Russo.Optimal environmental conditions in museums[A].In:Science,Technology and European Cultural Heritage[C]Bologna:The European Symposium,1991:626-631

[6]Prakash,Yellaboina,Ranjan,et al.Computational prediction and experimental verification of novel IdeR binding sites in the upsteam sequences of Mycobacterium tuberculosis open reading frame -s[J].Bioinformatics,2005,21(10):2161-2166

Study for Influe nc e of Building Oc c upa tion on the Cultura l Re lic s Pre s e rva tion Environm e nt ba s e d on the Inte gra te d Eva lua ting Va lue in Tra ns ition Se a s on

LI Zheng-rong1,XU Tian-hao1,ZHANG Peng2
1 School of Mechanical Engineering,Tongji University
2 Tianjin Historical Architecture Restoration and Development

The cultural relics in historical buildings expose to the air,therefore the indoor environment is the preservation environment.In the transition season,no heating and air-conditioning are in the building and historical building occupation changes after its reuse,the preservation environment become more fluctuant.In May,the indoor environments of three cultural relics in one historical building in Tianjin are analyzed in this paper.Calculate the temperature and relative humidity into an“Integrated evaluating value”with some objective mathematical methods,and combine the value with the real building occupation to analysis the accuracy,further study the influence of Building Occupation on the Cultural Relics Preservation Environment.

building occupation,preservation environment,transition season,temperature&relative humidity, integrated evaluating value

1003-0344（2014）05-030-5

2014-6-28

李崢嶸（1969～），女，博士，教授；上海市楊浦區(qū)四平路1239號同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院（200092）；

E-mail:lizhengrong@tongji.edu.cn