玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)（Ⅰ）：監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 睿 謝麗宇，2，* 盧文勝，2 張鳳亮

（1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑物移位技術(shù)研究中心，上海200092）

0 引 言

移位技術(shù)是一種有效的建筑物改造措施，其顯著的特點是保持了原有建筑物的外觀外貌。因此，對于古建筑或近代優(yōu)秀建筑，可以采用整體平移的方式加以修繕加固，以改善其安全性能、增強(qiáng)其使用功能并延續(xù)建筑壽命［1］。移位技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種工程項目［2-4］。

上海市玉佛禪寺大雄寶殿是中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑，建成于1918—1928 年間，是佛教寺院舉行宗教儀式的主殿。為了擴(kuò)大主殿前面的空間，大雄寶殿計劃向北移動30.66 m，然后向上抬升1.05 m。移位過程中，大殿內(nèi)部的佛像及文物同主體結(jié)構(gòu)一起平移。考慮大殿年代久遠(yuǎn)，木結(jié)構(gòu)整體性較差，在移位過程中，大殿主體結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生豎向不均勻變形，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致木柱傾斜，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化。同時木柱、佛像也容易發(fā)生傾斜，部分薄弱部位容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變。

在移位施工過程中，如果結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形或坍塌，會造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此需要采用相應(yīng)的評估方法來評估移位過程中結(jié)構(gòu)的安全性。有學(xué)者總結(jié)了木結(jié)構(gòu)的各種常見評估方法［5］，其中外觀檢測是最基本的方法，因為它提供了木結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部位的信息［6］。但是，外觀檢測提供的信息不足以評估建筑物移位的影響。由于結(jié)構(gòu)監(jiān)測越來越多地成為制定決策以保護(hù)歷史建筑的有效方法［7-8］，因此有必要設(shè)計實時監(jiān)測系統(tǒng)對建筑物進(jìn)行實時的監(jiān)測和診斷，以及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)變化［9］。玉佛禪寺移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)終端組成，實現(xiàn)監(jiān)測的自動化、實時性、網(wǎng)絡(luò)化和集成化，為主體結(jié)構(gòu)整體平移提供了可靠的保證。約450 余m2（圖1、圖2）。大殿為中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，承重結(jié)構(gòu)為抬梁式木構(gòu)架，屋架為歇山式木構(gòu)架，木結(jié)構(gòu)主要采用抬梁式結(jié)構(gòu)體系（圖3），在臺基上筑礎(chǔ)，立木柱，上施梁枋，梁上疊梁，逐級升高構(gòu)成舉架，舉架向上支撐橫向桁（檁），桁上架椽，椽上鋪木望板，再苫背覆瓦。東、西山墻均采用實心黏土青磚砌筑。殿內(nèi)中央供奉三尊泥塑大佛，佛高4 m，大佛背面是大型海島觀音壁塑，殿內(nèi)兩旁是二十諸天像，東西外墻鑲嵌著十八羅漢石刻像。

圖1 大雄寶殿平面布置圖（單位：mm）Fig.1 Layout of the Mahavira Hall（Unit：mm）

圖2 大雄寶殿立面圖（單位：mm）Fig.2 Elevation view of the Mahavira Hall（Unit：mm）

1 工程概況

大雄寶殿建成于1918—1928 年間，是上海市優(yōu)秀歷史建筑和區(qū)文物保護(hù)單位。大雄寶殿是玉佛禪寺第二進(jìn)殿堂，是寺院建筑的主體部分，為重檐歇山式單層建筑，矩形平面，東西向24 m、南北向18.34 m，殿高18.2 m，臺基高0.96 m，占地面積

2 移位施工方案

在整體結(jié)構(gòu)移位前需要先對玉佛禪寺大雄寶殿進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體加固［10］，并對佛臺和木柱等關(guān)鍵部位進(jìn)行合理托換，由于玉佛禪寺大雄寶殿佛臺、佛像與整體結(jié)構(gòu)一起平移，且佛臺基礎(chǔ)為寬5 m的三合土基礎(chǔ)形式，均超出了常用托換方式的適用范圍，實際工程中采取的是鋼筋混凝土托盤梁加靜壓樁的托換結(jié)構(gòu)［11］。

作為托換結(jié)構(gòu)的上托盤梁形成一個水平框架，為整體結(jié)構(gòu)提供了平面內(nèi)剛度，以轉(zhuǎn)移平移時的水平推進(jìn)力，上托盤梁底部壓入靜壓樁以傳遞整體結(jié)構(gòu)豎向載荷。挖掘出上托盤梁底部的土壤，新建鋼筋混凝土軌道梁，并在軌道梁底部壓入靜壓樁以增強(qiáng)軌道梁的承載力。之后，將垂直千斤頂放置在托換梁和軌道梁之間，并切斷托換梁和軌道梁之間的靜壓樁，此時整體結(jié)構(gòu)的豎向載荷通過垂直千斤頂傳遞到底部靜壓樁（圖4）。最后安裝水平液壓千斤頂將建筑物推向目的地。

圖3 大雄寶殿木結(jié)構(gòu)框架（單位：mm）Fig.3 Timber frame of the Mahavira Hall（Unit：mm）

圖4 托換系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)Fig.4 Underpinning system and rail system

大雄寶殿于2017 年9 月2 日正式啟動平移工程，并于9 月8 日平移到位，平移距離為30.66 m。2017年9月12日開始頂升，于2017年9月17日頂升到位，頂升高度為1.05 m（圖5）。在大雄寶殿平移頂升后，采取了隔震就位連接方式，以實現(xiàn)對建筑的隔震保護(hù)［12］。

圖5 移位路線Fig.5 Translocation route

大雄寶殿平移后，不僅給寺院建筑布局的合理化留出了改善空間，同時也能夠消除安全隱患。平移后，殿前將加建鐘鼓樓及觀音殿，而即使加蓋殿堂，大雄寶殿前的公共空間還是比原來翻了1倍多。同時，借由此次平移，這座大殿還將在整體結(jié)構(gòu)不做任何變動的基礎(chǔ)上，增加底部混凝土平層，從而提升主體建筑抗震性，穩(wěn)固其建筑結(jié)構(gòu)。

3 移位監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計目的

與其他移位工程相比，玉佛禪寺大雄寶殿的移位工程有很大不同：第一，玉佛禪寺大雄寶殿是中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑，梁柱連接采用榫卯結(jié)構(gòu)，木柱直接擱置在基礎(chǔ)磉石上，移位難度很大，需要專門的移位施工方案及其相應(yīng)的監(jiān)測方案；第二，內(nèi)部佛像及文物與整體結(jié)構(gòu)同步完成平移，佛像需要專門的保護(hù)措施，同時需要相應(yīng)的監(jiān)測方案監(jiān)測佛像的變形情況；第三，移位施工過渡段為軟弱場地土，建筑場地類別為Ⅳ類，屬抗震不利地段，在建筑移位過程中需實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)。因此需要根據(jù)玉佛禪寺大雄寶殿的實際情況，設(shè)計移位監(jiān)測系統(tǒng)及移位監(jiān)測方案，對整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部位和佛像進(jìn)行重點監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則

建筑物移位監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和反饋四個基本功能，并達(dá)到以下基本要求：①遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具備長期可靠性，并具有抵抗環(huán)境干擾的能力；②系統(tǒng)應(yīng)具有較高的測量精度，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的安全現(xiàn)狀；③系統(tǒng)應(yīng)為小尺寸、模塊化，以方便儀器的安裝和調(diào)試；④數(shù)據(jù)采集自動化、實時化和標(biāo)準(zhǔn)化；⑤穩(wěn)定可靠的傳輸能力；⑥較好的數(shù)據(jù)運算處理能力；⑦遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)等多種方式發(fā)布監(jiān)測信息和預(yù)警信息，使相關(guān)單位在第一時間能獲取數(shù)據(jù)信息，及時掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)三部分組成。移位監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成示意如圖6所示。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.6 Monitoring system diagram

3.3.1 傳感器系統(tǒng)

為保證監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的安全狀況，傳感器系統(tǒng)需具有較高的精度。本工程的傳感器系統(tǒng)由靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀、激光位移計和應(yīng)變計組成（圖7）。

靜力水準(zhǔn)儀利用高精度微壓測量傳感器測量測點液體壓力從而間接測量測點位移；激光位移計通過發(fā)射不同頻率的可見激光束，用微處理器計算激光與相應(yīng)的物體間距離；傾角儀用于測量安裝位置被測方向的角度變化以反映結(jié)構(gòu)的傾斜變化；應(yīng)變計通過將其兩端底座固定在結(jié)構(gòu)表面以測量鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。

圖7 傳感器設(shè)備Fig.7 Sensor device

表1 傳感器系統(tǒng)儀器設(shè)備表Table 1 Sensor system equipment table

3.3.2 數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)

本工程根據(jù)大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)的等級和信號頻率特征等指標(biāo)選用了不同性能和功能的信號條理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和總線方案（圖8）。

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.8 Data acquisition system

對所有傳感器信號的真實記錄是數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)選擇的最終要求。通常，遵循簡單協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)的基于串口并口的數(shù)據(jù)采集硬件即可滿足單一特征信號及較低信號采樣頻率等的要求［13］，本工程采用的是RS485 串口通信總線控制單元。

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分為現(xiàn)場傳輸和遠(yuǎn)程傳輸。現(xiàn)場傳輸是指從傳感器至數(shù)據(jù)采集計算機(jī)，遠(yuǎn)程傳輸是指從數(shù)據(jù)采集計算機(jī)至服務(wù)器接入Internet網(wǎng)絡(luò)（實現(xiàn)Internet 網(wǎng)絡(luò)存儲和發(fā)布數(shù)據(jù)）。本工程采用的是現(xiàn)場傳輸，利用GPS 系統(tǒng)和無線傳感器的無線傳輸技術(shù)將傳感器的信號直接傳輸至數(shù)據(jù)采集計算機(jī)（圖9）。

圖9 數(shù)據(jù)采集及無線傳輸設(shè)備Fig.9 Data acquisition and wireless transmission device

3.3.3 數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析軟件和數(shù)據(jù)庫組成。主控計算機(jī)接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過相關(guān)分析軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計算和分析，并繪制各種曲線。同時，利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和管理。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)測信息和預(yù)警信息發(fā)送至各網(wǎng)絡(luò)終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實時傳送，并進(jìn)行預(yù)警。相關(guān)單位根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，及時掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況，以決定是否需要調(diào)整施工步驟及采取相應(yīng)的控制方法。

4 移位監(jiān)測方案

因此根據(jù)玉佛禪寺大雄寶殿的實際情況，結(jié)合移位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定監(jiān)測方案，針對以下幾點進(jìn)行重點監(jiān)測：①結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)與木柱傾斜監(jiān)測；②榫卯節(jié)點變形監(jiān)測；③佛臺變形監(jiān)測。

4.1 結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)與木柱傾斜監(jiān)測

4.1.1 監(jiān)測方法

在移位過程中，整體結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生豎向不均勻變形，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致木柱傾斜，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化。因此，通過監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的豎向變形、整體結(jié)構(gòu)的傾斜和木柱傾斜，可以得到結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化情況。本工程采用了靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀。

首先，采用靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的豎向變形，通過每天實時采集的數(shù)據(jù)，反映靜力水準(zhǔn)儀所在部位相對于基準(zhǔn)點的高程相對變化量，同時，在各測點水平距離已知的條件下，可通過數(shù)學(xué)關(guān)系計算出整體結(jié)構(gòu)的傾斜變化；其次，采用傾斜角監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)和木柱的傾斜變化；最后，通過分析，可得出結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化情況，并建立靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

4.1.2 靜力水準(zhǔn)儀

為了監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的豎向變形和傾斜角，在大雄寶殿圍墻四個角部分別布置1 個靜力水準(zhǔn)儀，記為HL1-HL4；由于中央佛臺上佛像重量較大，在移位施工過程中可能發(fā)生較大的豎向相對變形，故在佛臺的東西兩側(cè)分別布置1 個靜力水準(zhǔn)儀，記為HL5、HL6。其中靜力水準(zhǔn)儀HL2、HL4和HL5 分別是靜力水準(zhǔn)儀HL1、HL3 和HL6 的基準(zhǔn)點。靜力水準(zhǔn)儀的平面布置圖見圖10。

表2 靜力水準(zhǔn)儀Table 2 Hydrostatic leveling

圖10 靜力水準(zhǔn)儀（HL）平面布置圖Fig.10 Hydrostatic leveling（HL）layout

4.1.3 傾角儀

與靜力水準(zhǔn)儀的布置方法相同，為監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的傾斜角，在大雄寶殿圍墻兩側(cè)分別布置1個傾角儀，記為IC3、IC4；在佛臺的東西兩側(cè)分別1 個傾角儀，記為IC1、IC2；由于木柱的傾斜狀況反映了結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化，故在某些關(guān)鍵木柱上布置了傾角儀，記為IC5-IC12。傾角儀的平面布置圖見圖11。

表3 傾角儀Table 3 Inclinometer

圖11 傾角儀（IC）布置圖Fig.11 Inclinometer（IC）layout

4.2 榫卯節(jié)點變形監(jiān)測

4.2.1 監(jiān)測方法

木結(jié)構(gòu)整體性較弱，在移位過程中，榫卯節(jié)點容易發(fā)生變形。根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，選擇薄弱部位的大梁與木柱交界處的榫卯節(jié)點進(jìn)行監(jiān)測。本工程采用了激光位移計和傾角儀。

首先，在大梁的上、下表面分別布置激光位移計，可獲得大梁相對木柱的轉(zhuǎn)角和榫的相對拔出量；其次，通過監(jiān)測大梁兩端木柱的傾斜角，在木柱、大梁尺寸已知的條件下，可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系計算出榫卯的變形量；最后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以得出榫卯節(jié)點的變形情況，并建立激光位移計和傾角儀兩種傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

4.2.2 激光位移計

根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，選擇在薄弱部位處的榫卯節(jié)點進(jìn)行監(jiān)測，分別選取1 根橫梁和1 根縱梁，在大梁的上、下表面分別布置激光位移計，記為LR1-LR4。激光位移計的布置圖見圖12。

表4 激光位移計Table 4 Laser range finder

圖12 激光位移計（LR）布置圖：梁Fig.12 Laser range finder（LR）layout：beam

4.3 佛像變形監(jiān)測

4.3.1 監(jiān)測方法

在移位過程中，如果佛像的托換底盤結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，上部結(jié)構(gòu)佛像也會發(fā)生傾斜變形，甚至有開裂的可能。故需要對佛像的托換底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，同時需要對佛像的傾斜變形進(jìn)行監(jiān)測。本工程采用了應(yīng)變計、激光位移計、靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀。

其一，在佛像底部的托換鋼架四周布置應(yīng)變計，獲得托換鋼架的應(yīng)變變化；其二，在佛像的支撐框架上布置激光位移計，在佛像高度已知的條件下，可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系計算出佛像南北方向的傾斜變化；其三，在佛臺的東西兩側(cè)布置靜力水準(zhǔn)儀，在測點水平距離已知的條件下，可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系計算出佛像東西方向的傾斜變化；其四，在佛臺的東西兩側(cè)布置雙軸傾角儀，監(jiān)測佛臺南北方向和東西方向的傾斜變化；其五，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以得出佛像的傾斜變形，并建立激光位移計、靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀三種傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

4.3.2 應(yīng)變計

在佛像底部的托換鋼架的四周表面分別布置1個應(yīng)變計，分別布置在軸3、軸4與佛臺的交界點處，記為SG1-SG4。應(yīng)變計的平面布置圖見圖13。

圖13 應(yīng)變計（SG）布置圖Fig.13 Strain gauge（SG）layout

4.3.3 激光位移計

在佛像的支撐框架上布置激光位移計，其中佛像底部布置3個，佛像頂部布置3個，記為LR5-LR10。激光位移計的布置圖見圖14。

圖14 激光測距儀（LR）布置圖：佛像Fig.14 Laser range finder（LR）layout：statue

5 結(jié) 論

本文較系統(tǒng)和全面地研究了玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法，在本文的續(xù)篇“玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)（Ⅱ）：結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析”中，將對本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，研究移位施工過程中結(jié)構(gòu)整體和局部變形情況，探討移位施工對結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生的影響，并對結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行評價。本文得到的主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)組成。通過監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)云平臺的搭建，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化、實時性和網(wǎng)絡(luò)化，可以全面、真實和有效地監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)。

（2）玉佛禪寺大雄寶殿是中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，本次移位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)得到了木結(jié)構(gòu)移位工程中的大量數(shù)據(jù)，為今后的木結(jié)構(gòu)研究提供了寶貴數(shù)據(jù)，具有一定的研究價值。

（3）本文實現(xiàn)的玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)運行良好，為移位工程的健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立提供了系統(tǒng)的雛形，為大型木結(jié)構(gòu)的移位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供了示范系統(tǒng)，積累了工程實踐經(jīng)驗。