面向預防性保護的上海音樂廳觀眾廳大頂安全監(jiān)測技術

谷志旺 張 銘 孫沈鵬 王偉茂 張 波

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

文物建筑是不可再生的歷史文化遺產(chǎn)，是城市歷史文脈的延續(xù)。由于建造年代久遠，歷經(jīng)多年使用加之內外空間環(huán)境改變以及材料自然老化，文物建筑各項性能都隨時間逐漸退化，存在一定程度的安全隱患。由于文物保護與傳承需要，文物建筑尤其是特色保護部位的特征價值不容改變，常規(guī)的更新替換方法無法實施，潛在的安全隱患無法根本性消除。文物建筑長期可持續(xù)性的安全使用性能難以得到有效保障[1-7]。

現(xiàn)代監(jiān)測技術可為文物建筑安全使用提供預警，通過對文物建筑相關部件的各項性能及動態(tài)變化進行全方位持續(xù)性監(jiān)測，可以掌握其服役狀態(tài)下的整體狀態(tài)及其損傷后的性能退化規(guī)律，便于及時發(fā)現(xiàn)、處理和消除潛在的安全隱患，確保文物建筑安全使用。

本文以上海音樂廳文物建筑觀眾廳大頂預防性保護為例，探索文物建筑特色保護部位安全監(jiān)測技術，為文物建筑保護和利用提供技術支撐。

1 項目背景

1.1 工程概況

上海音樂廳，原名南京大戲院，建成于1930年3月，1950年11月更名為北京電影院，1959年9月改名為上海音樂廳，為上海市第一批優(yōu)秀歷史建筑、上海市文物保護單位。2003年，因市政高架建設，對上海音樂廳進行整體性移位保護和擴建改造，移位后的上海音樂廳由文物保護區(qū)和非文物保護區(qū)兩部分組成，總建筑面積12 986.7 m2，其中文物保護建筑面積2 557.58 m2。主要涉及的文物保護區(qū)域有觀眾廳大禮堂、北門廳大堂、東休息廳等部分（圖1）。

圖1 上海音樂廳

1.2 觀眾廳大頂概況

上海音樂廳觀眾廳大頂，距今也已有90年的歷史，為文物重點特色保護部件。大頂南北長約28 m，東西寬約21.7 m，建筑面積約600 m2，距地面高度約13 m。大頂中心為圓形穹窿，四周飾以淺雕的裝飾線腳并貼金紋飾，精巧美觀，復雜而不零亂，變化富有層次，與廳內墻面壁柱裝飾和舞臺臺口花飾融為一體（圖2）。

圖2 上海音樂廳觀眾廳大頂

1.2.1 大頂結構構造

觀眾廳大頂由上部木屋架、下部裝飾層以及吊筋連接件三部分組成。木屋架共7榀，為雙坡型，擱置在東西兩側墻柱上；單榀木屋架寬約23 m，高約5 m，由上弦桿（250 mm×250 mm）、下弦桿（300 mm×300 mm）、斜桿（150 mm×150 mm、200 mm×200 mm）、豎桿（φ19～φ51 mm鋼桿）組成；擱置在木屋架下弦梁的木擱柵為50 mm×250 mm@900 mm。下部裝飾層基層為鋼板沖切張拉而成的鋼板網(wǎng)，上面綁扎著25 mm×5 mm的鋼條以及直徑6.5 mm分布筋，作為鋼板網(wǎng)龍骨。穹頂表面精美花飾是在鋼板網(wǎng)下面批紙筋灰制作而成，厚度20～50 mm。整個穹頂裝飾層通過φ6 mm吊筋一端懸吊鋼板網(wǎng)龍骨，另一端通過穿孔夾板固定在木擱柵上，吊筋間距約900 mm（圖3、圖4）。

圖3 觀眾廳大頂三維示意

圖4 觀眾廳大頂構造組成

1.2.2 大頂歷次修繕情況

2003年對上海音樂廳進行移位修繕時，對大頂進行整體移位保護，使其得以完整保留。移位后，對木屋架木構件采用碳纖維布封閉式粘貼、鐵件抱箍方式加固，并在各屋架頂部間設置75 mm×200 mm的方木系桿，屋面木桁條改為125 mm×260 mm@845 mm，吊頂木擱柵改為50 mm×250 mm@500 mm；同時在原木屋蓋上方新增鋼結構屋蓋，作為房屋新屋面，拆除原屋面瓦片，改用20 mm厚屋面企口板+擠塑保溫板，減輕原木屋架的荷載。

此外，對大頂裝飾層及吊筋連接件進行專項修繕，采用下列加固措施：新增木擱柵與鋼龍骨間吊筋，分散連接荷載；吊頂紙筋灰層增加托吊不銹鋼片，加強面層與鋼絲網(wǎng)連接；鋼絲網(wǎng)表層涂結構膠，減緩銹蝕過程；對鋼龍骨進行除銹后涂防銹漆；在鋼絲網(wǎng)與鋼龍骨間綁扎銅絲以提高牢固程度。通過上述措施提升觀眾廳大頂安全使用性能。

1.3 問題及需求

2019年3月，上海音樂廳再次啟動文物建筑保護修繕。修繕前，對觀眾廳大頂進行詳細的專項查勘，發(fā)現(xiàn)大頂裝飾層存在百余條裂縫、鋼板網(wǎng)銹蝕等損傷情況，其中部分裂縫深而長，貫穿整個裝飾層。

考慮到大頂已有90年歷史，各項性能有所衰退，并且歷次修繕過程中雖采取不同程度的修繕措施，但并未進行完整性修繕。因此在本次修繕時，要求在對大頂現(xiàn)狀損傷進行保護修繕的同時，做好大頂預防性保護；提出加強后續(xù)大頂使用過程中的安全監(jiān)測，全面了解大頂安全狀態(tài)，為及時處理、消除大頂潛在安全隱患提供技術支撐，確保觀眾廳安全使用。

2 特點難點和技術路線

2.1 特點難點

1）非結構類的老舊組合裝飾大頂，全生命周期監(jiān)測難度大。不同于傳統(tǒng)結構構件監(jiān)測，觀眾廳大頂由結構和非結構裝飾構件組合而成，構造形式多樣；構件材料存在損傷；再加上大頂?shù)钠茐念愋捅容^復雜，通過監(jiān)測來反映大頂全生命周期服役狀態(tài)，難度比較大。

2）大頂安全重要等級高，監(jiān)測、分析和評估應及時、系統(tǒng)和高效。通過監(jiān)測手段全面了解大頂各項性能，及時處理和消除潛在安全隱患，確保大頂安全服役，對觀眾廳正常運營至關重要。因此，應建立一套高效、智能安全監(jiān)測系統(tǒng)，實時反饋監(jiān)測信息，對大頂服役狀態(tài)進行分析和評估。

3）大頂監(jiān)測不得破壞文物建筑，不得干擾觀眾廳正常演出。觀眾廳大頂作為文物重點特色保護部件，對大頂安裝監(jiān)測傳感設備，應遵循文物建筑保護原則，不得損壞文物保護構件，不得影響文物空間整體風貌。此外，觀眾廳作為上海音樂廳觀演場館，對大頂進行全過程監(jiān)測不得干擾音樂廳正常演出。

2.2 技術路線

考慮文物建筑保護要求與特色部位安全，在觀眾廳大頂?shù)年P鍵部位無損安裝遠程智能監(jiān)測設備，對觀眾廳大頂運營環(huán)境、構件受力性能實施全生命周期的監(jiān)測，全面掌控大頂服役狀態(tài)；同時，構建觀眾廳大頂遠程監(jiān)測管理平臺，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過遠程傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫，并將監(jiān)測圖表數(shù)據(jù)與大頂模型進行聯(lián)動，通過平臺實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化展示，對大頂變形進行智能監(jiān)控和預警。

3 監(jiān)測方案設計

3.1 大頂安全性能數(shù)值分析

考慮文物大頂構造形式多樣、傳力體系錯綜復雜，采用數(shù)字技術建立大頂三維模型，結合材料性能檢測，開展基于材料損傷模型的大頂安全性能分析。考慮木屋架結構與裝飾面層的抹灰自重荷載以及馬道活荷載。通過計算分析發(fā)現(xiàn)：木屋架結構中的下弦桿桿件所受彎矩較大，尤其是靠近端部位置、上弦桿端部彎矩較大，腹桿應力水平較高；木屋架下弦桿中點左右1/3處豎向位移較大。此外，裝飾面層部分豎向位移主要集中在2榀木屋架的中央?yún)^(qū)域，最大豎向位移值為13 mm。

3.2 大頂監(jiān)測方案設計

3.2.1 監(jiān)測內容

為充分反映大頂裝飾層及上部木屋架安全狀況，結合大頂各部分性能理論分析，從以下2個方面對大頂進行整體監(jiān)測。

1）觀眾廳大頂運營環(huán)境監(jiān)測。由于大頂為鋼、木結構組合體系，木結構為大頂主要部件，白蟻、溫濕度變化、火災等環(huán)境因素對大頂?shù)陌踩\營影響甚大，因此，對上述環(huán)境因素進行全過程監(jiān)測。

2）觀眾廳大頂變形監(jiān)測。對大頂上部木屋架應力、變形，下部裝飾層沉降、剝離進行監(jiān)測，來監(jiān)控大頂結構性坍塌、裝飾面層層間剝離等可能性。

3.2.2 監(jiān)測設備布設和安裝

1）溫濕度監(jiān)測。考慮到大頂木構件、紙筋灰材性與溫濕度的相關性，監(jiān)測木屋架及大頂周邊溫濕度情況。在木屋架內、木屋架與鋼屋架間內各放置2個溫濕度監(jiān)測設備。

2）白蟻監(jiān)測。在木屋架內部選取5榀木桁架，每榀木桁架上布置1臺白蟻監(jiān)測設備，同時在木屋架周邊布置2臺白蟻監(jiān)測設備，對白蟻進行監(jiān)測。

3）消防火災監(jiān)測。在木屋架室內四周及中間位置均布安裝煙霧監(jiān)測報警裝置、紅外光束感煙探測器、視頻監(jiān)測系統(tǒng)，并結合溫度監(jiān)測設備對木屋架內消防火災隱患進行監(jiān)測。

4）木屋架位移變形與應力監(jiān)測（圖5）。選擇⑤軸和⑦軸木屋架桁架作為典型構件對木屋架應力變形進行監(jiān)測。在木屋架下弦桿左右各1/3處及跨中位置處布置靜力水準儀監(jiān)測豎向位移；在上弦桿和下弦桿上設置傾角儀，監(jiān)測木屋架平面內外傾斜情況；同時在木屋架近馬道內側受拉腹桿、下弦桿中部和端部受拉區(qū)，以及上弦桿端部受壓區(qū)等應力水平較大區(qū)域布置振弦式應變計，監(jiān)測木屋架主要構件的應力水平。此外，布設振動傳感器，獲取正常使用下木屋架振動響應，判斷木屋架是否處于安全狀態(tài)。上述監(jiān)測傳感器通過U形鋼抱箍安裝固定在屋架木構件上，方便安裝和拆卸，也避免對木構件造成損傷。

圖5 木屋架監(jiān)測點位布置

5）大頂裝飾面層位移變形監(jiān)測（圖6）。大頂裝飾層變形包括裝飾整體變形、面層與基層鋼板網(wǎng)間脫落剝離和裝飾面層開裂3種類型。在大頂下方觀眾廳內布置激光測距儀監(jiān)測裝飾面層整體變形，監(jiān)測設備測量精度不低于1 mm，共布置25臺測距設備；采用拉線式位移傳感器與激光測距儀設備兩者組合監(jiān)測裝飾層脫落，在裝飾層上表面（木屋架內）布置25臺拉線式位移傳感設備，一端固定在木屋架，另一端固定在鋼板網(wǎng)上，與觀眾廳內激光測距儀布設點位豎向對齊，通過兩者監(jiān)測差值來反映面層脫落情況。此外，采用三維掃描、圖像采集對觀眾廳大頂裂縫進行定期巡查，并對裂縫長度和寬度進行識別診斷。

圖6 大頂裝飾層監(jiān)測設備布置示意

考慮到激光測距儀器安裝不得影響觀眾廳整體美觀和正常使用，同時又能實現(xiàn)對觀眾廳大頂?shù)谋O(jiān)測，現(xiàn)通過優(yōu)化安裝位置，選取座椅椅角靠背墊處大理石地面位置進行安裝，利用座墊回轉后椅背與椅座間的空隙為監(jiān)測提供空間。

3.2.3 監(jiān)測頻率設置

以監(jiān)測系統(tǒng)全面反映監(jiān)測對象所測項目重要變化過程，不遺漏其變化時刻為原則，在不影響正常演出的條件下，初步確定各監(jiān)測頻率：環(huán)境溫濕度、白蟻蟲害、消防火災24 h持續(xù)監(jiān)測；木屋架變形與應力監(jiān)測1次/h，裝飾面層變形監(jiān)測1次/d，此外面層開裂每2個月監(jiān)測1次。后期結合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，如有調整需求，可通過遠程重新設置監(jiān)測頻率。

3.2.4 監(jiān)測預警值設定

基于損傷結構的大頂數(shù)值模擬分析，結合構件的損傷程度和安全重要性，參考相關規(guī)范標準，制定大頂變形初始預警值。后期基于大頂監(jiān)測變形增量數(shù)據(jù)的迭代分析，并結合穹頂現(xiàn)狀，對預警值進行優(yōu)化調整，以便與穹頂實際服役情況相符合。

4 監(jiān)測管理平臺構建與設計

4.1 監(jiān)測管理平臺構建

監(jiān)測管理平臺包括數(shù)據(jù)采集與傳輸端、數(shù)據(jù)管理與存儲端、數(shù)據(jù)分析與展示端以及預警端等部分。基于物聯(lián)網(wǎng)與5G技術，將采集后的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸至云端數(shù)據(jù)庫，并按照設定好的算法自動完成數(shù)據(jù)的篩選、過濾、分析與評估；通過三維激光掃描、無人機航拍、近景測量等手段，結合BIM技術對大頂進行實景逆向建模，構建大頂三維數(shù)字化模型，以BIM數(shù)字化三維模型為載體，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型進行聯(lián)動，監(jiān)測結果通過云圖在平臺模型上進行可視化展示。

此外，基于大頂變形增量數(shù)據(jù)的迭代分析，結合構件的損傷程度和安全重要性，建立分級預警制度，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預警值，將自動提示使用者提前介入與判別風險，以保障大頂?shù)恼Ｊ褂谩?/p>

4.2 監(jiān)測管理平臺功能設計

4.2.1 監(jiān)測場景及傳感器狀態(tài)查看

通過平臺可查看帶紋理貼圖和光照等真實感效果的三維監(jiān)測模型，體驗大頂監(jiān)測場景，支持通過視角變換、漫游等方式從不同角度查看大頂構造層各構件狀況，以及構件監(jiān)測設備點位、性能和工作狀態(tài)，幫助用戶更直觀地了解大頂監(jiān)測情況。

4.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分析

通過平臺可以查看大頂實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，直接知曉大頂工作狀態(tài)下各項性能參數(shù)；同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型進行聯(lián)動后，監(jiān)測結果直接通過平臺上的模型云圖顯示，直觀獲取大頂服役狀態(tài)和各項部件的變化。此外，在平臺上可以隨意選擇某個歷史時間點，結合模型查詢大頂各構造層構件的歷史監(jiān)測工況和數(shù)據(jù)，為大頂進行事中監(jiān)控和事后分析提供數(shù)據(jù)支撐（圖7）。

圖7 觀眾廳大頂安全監(jiān)測結果展示平臺界面

4.3 綜合評估與預警

平臺可以自動實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與預警值間的實時對比分析，一旦監(jiān)測值超出正常范圍，平臺將自動生成報警消息，并根據(jù)預警等級將其推送到相關管理人員手機移動端或電腦端，提示管理人員提前判別與介入風險，以保障大頂?shù)恼Ｊ褂谩?/p>

5 結語

針對上海音樂廳觀眾廳文物保護大頂安全監(jiān)測問題，結合大頂安全性能理論分析，合理選擇監(jiān)測方法和設備，實時、高效、連續(xù)性獲取大頂服役狀態(tài)，構建智能監(jiān)測管理平臺，對大頂?shù)氖褂脿顟B(tài)進行評估、分析與可視化展示，并進行相關預警，輔助觀眾廳運營管理，確保上海音樂廳文物建筑的安全使用。

此外，通過監(jiān)測獲取相關數(shù)據(jù)，對文物保護部位構件使用安全狀態(tài)進行評估，既可以實時掌握文物建筑使用狀態(tài)，又能保護和延續(xù)文物建筑的原始特征與價值，為歷史文物建筑的預防性保護提供有力的技術支撐。