文物保護建筑檢測技術研究

暴智浩 BAO Zhihao

0 概述

隨著城市化進程的快速發展以及城市的升級改造，現存歷史建筑保護面臨嚴峻挑戰，歷史建筑不可避免地會受到新建工程的影響。對于影響較小的建筑，可以用施工期間監測和結構加固的方法進行保護，而對于受影響較大的古建筑，甚至需要進行落架重建[1]。

落架重建工程，是具有中國特色的木結構古建筑保護維修做法之一。它是指當古建筑面臨嚴重的安全問題或有特殊原因必須拆卸重建時所采取的措施。為了保持原建筑本身的藝術特點，其維修工程中所采用的材料均應與原建筑相同，其裝飾裝修如抹灰、彩畫油漆、墻紙等也需重現原貌。

由于落架重建工程量大、施工難度高、施工管理要求嚴格，采用此方法對古建筑進行修復時，必須做好充分的前期準備工作。同時，在重建過程中，應做到該修補的修補、該換的換、該加固補強的加固補強。

對于需要落架重建的建筑，根據《中華人民共和國文物保護法》《中華人民共和國文物保護法實施條例》《文物保護工程管理辦法》等有關法律法規，需在建筑拆除前進行全面勘察，為其保護和重建提供依據[2]。本文以上海某文物保護建筑為例，研究文物保護建筑落架重建的檢測方法，為相似工程檢測提供借鑒。該建筑檢測中主要采用三維激光掃描技術、傾斜測量技術、完損檢測技術對建筑外觀和細節構造進行勘察，并根據相關規范對該建筑主體結構和重點構件進行承載力計算。

1 項目概況

該文物保護建筑為3 層（東側4 層）磚木混合結構，建筑面積約1 788 m2，房屋建于1941 年，由華泰建筑師事務所設計，為新式里弄住宅。新式里弄住宅在后期石庫門里弄的基礎上，以銅鐵柵欄門代替“石庫門”，為降低圍墻高度或用低矮柵欄代替，并用開敞式的小花園代替封閉的天井以達到更好的通風和采光。建筑空間形態由封閉轉向開放，建筑形式以西洋裝飾為主，很少采用中國傳統形式。新式里弄住宅大多為3 層，少數為2 層，也有假3 層、假4 層。開間有單開間、間半式及兩開間。新式里弄住宅著眼于體現新的生活時尚，反映新的價值觀念，對居住環境的舒適性有了更高的要求[3]。

該建筑是有6 個獨立門洞的多層公寓，為典型的現代主義裝飾藝術風格，東側及西側開間與中間4 個門洞平面布局及立面風格均不同。房屋立面結構形式規則，立面外墻主要采用白色粉刷，配有釉面磚裝飾細部，中部房屋北立面采用拉毛處理。屋面形式主要為紅瓦坡屋面，局部采用平屋面形式作為露臺使用，建筑外觀如圖1 所示。

圖1 建筑外觀

該建筑屬于上海市黃浦區文物保護點，由于其位于新建項目基坑內，擬對其實施落架重建，在新建工程基坑開挖前拆除，新建工程施工結束后原址重新建造。

2 重點保護部位

根據《文物保護法》第21 條和《文物保護工程管理辦法》第3 條的規定及現場勘察結果，保護原則為：不改變建筑外立面、結構體系、基本平面布局和有特色的內部裝飾。為明確重點保護部位的具體分布，對該房屋進行了詳細的勘察，進一步明確和細化了重點保護部位情況。

該房屋主要外立面、紅瓦屋面、木屋架樣式、特色拱樣式、拉毛處理墻面、特色墻及門窗陽臺樣式、鏤空樣式、特色墻板樣式、樓梯特色裝飾線條樣式等應重點保護。典型部位見圖2～4。

圖2 特色門

3 三維激光掃描技術應用

圖3 特色天花裝飾

三維激光掃描技術又稱“高清晰測量”（High Definition Surveying，簡稱HDS），該技術采用激光進行測量，非接觸、高速度、高精度、大量地獲取目標物的三維坐標數據[4]，將數據存于電腦中，通過相關軟件進行處理，能完整高精度地重建實體[5]。

本次采用徠卡RTC360 激光掃描儀對該保護建筑進行全方位掃描。完整記錄該建筑的真實空間三維信息和細節樣式。

3.1 點云數據預處理

外業工作獲得點云數據后，需要一系列數據處理過程，包括點云配準、點云去噪、點云分割、擬合、三維建模等。

3.2 三維點云模型及保護部位線畫圖

本次采用徠卡專業拼接軟件register 360 進行初步拼接，完成后倒入cyclone 軟件進行最終調整，完成拼接，拼接最大誤差≤0.001 m。之后在cyclone 軟件中進行數據處理，完成三維點云模型，該模型真實還原了該建筑的空間尺寸，而且真彩云已經具有良好的三維視覺效果。建筑點云模型見圖5。

圖4 特色木屋架

圖5 建筑點云模型

在三維點云的基礎上，將重點保護部位點云分割出來，導入AutoCAD 的Cloudworks 插件中，對相關花飾圖形進行繪制，以便在建筑物重建時進行復原。圖6～11 為典型部位三維點云圖和CAD 線畫圖。

圖6 特色窗點云圖

4 建筑物傾斜測量

為了解房屋目前傾斜情況，現場采用Topcon OS-602G 全站儀、300 mm 鋼直尺、JZC-D 建筑工程質量檢測器等相關設備，根據《建筑變形測量規范》（JGJ8—2016），采用投點測量法，選擇適合測量的外墻棱線進行了現場垂直度測量。傾斜點位布置見圖12，測量結果見表1。

表1 房屋傾斜測量結果

圖12 傾斜點位布置圖

測量結果表明：房屋整體向東、北方向傾斜，其中向東最大傾斜率為0.8‰，向北最大傾斜率為3.0‰。測點的最大傾斜率均未超過《優秀歷史建筑保護修繕技術規程》（DGTJ08-108—2014）規定的限值10‰。

5 建筑完損檢測

為明確房屋完損狀況，對房屋建筑風貌、建筑裝飾、結構體系及構件、設備設施及生物等進行現場完損檢測。結果表明，該建筑裝飾損壞主要存在外立面及室內窗角裂縫、墻面及平頂滲水生霉、粉刷酥松脫落等情況；結構體系及構件主要存在外立面及室內窗周墻體裂縫、粉刷脫落露磚等損壞；生物損壞主要存在墻體植物生長、開裂等現象。

6 建筑承載能力鑒定

6.1 材料、荷載及參數

采用ZC-4 型磚回彈儀對砌筑磚強度進行檢測，房屋墻體砌筑磚抗壓強度推定等級為MU7.5；采用SJY800B 型貫入式砂漿強度檢測儀對砌筑砂漿強度進行檢測，房屋墻體砌筑砂漿抗壓強度推定值為0.9MPa。

圖7 特色樓梯點云圖

圖9 天花裝飾

圖10 南立面西側特色窗樣式

圖11 陽臺吊燈

房屋恒載：現澆板樓面4.1 kN/m2，木擱柵樓面1.0 kN/m2；木屋架屋面2.0 kN/m2。房屋活載：室內2.0 kN/m2；樓梯間2.0 kN/m2；不上人屋面0.5 kN/m2；上人屋面2.0 kN/m2。基本風 壓0.55 kN/m2，地 面粗糙度C類；雪荷載為0.2 kN/m2。

抗震設防類別：丙類（標準設防類）；抗震設防烈度：7 度；基本地震加速度：0.10 g；地震分組：第一組；場地：IV 類；抗震鑒定分類：A類建筑，后續使用年限30 年。

6.2 承載能力計算

按照《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）、《砌體結構設計規范》（GB50003—2011）等現行國家和地方標準，采用中國建筑科學研究院結構研究所PKPM2010 V5.1 系列計算軟件，對被檢測房屋上部結構承載力進行驗算。計算時，分別進行考慮地震作用和不考慮地震作用的承載力計算。計算模型見圖13。

圖13 房屋計算模型

計算結果表明：在正常使用荷載作用下，房屋主要墻體抗壓承載力基本不滿足要求；房屋4 層（?～?，?～?軸）墻體高厚比不滿足要求，其余墻體高厚比滿足要求 。

抗震承載力驗算結果表明，房屋墻體抗震承載力基本不滿足要求。

6.3 構造措施

經排查，該房屋砌體砌筑方式基本正確，與木構件連接方式基本正確，砌筑磚與砌筑砂漿黏結基本完好，同時，墻體高厚比基本不符合現行相關規范的規定，構造存在局部缺陷，導致構件開裂，影響正常工作。

根據《現有建筑抗震鑒定與加固規程》（DGJ 08-81—2015）的相關條文，對該房屋的抗震構造措施進行排查，結果表明，該建筑房屋材料強度中砌體塊材強度、整體性連接構造中樓屋蓋均未布置圈梁，易引起局部倒塌的部件連接中局部砌體墻段尺寸及樓梯間大梁擱置長度不符合相關要求，其余如房屋高度、層數等各項措施均符合或基本符合相關要求。

7 木構件計算

經現場勘查可知，房屋木構件主要采用杉木，其材料強度可按TC11A并考慮0.8 的折減系數取用，材料抗彎強度為8.8 MPa、材料順紋抗壓強度為8.0 MPa、材料順紋抗拉強度為6.0 MPa、材料順紋抗剪強度為1.12 MPa。

按照《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)、《木結構設計規范》（GB50005—2017）等現行國家和地方標準，對房屋樓面木擱柵進行承載力及變形驗算，并對木屋架進行承載力驗算。驗算公式如下：

式中，fm為木構件材料的抗彎強度設計值（N/mm）；fc為木構件材料的順紋抗壓強度設計值；ft為木構件材料的順紋抗拉強度設計值；fv為構件材料的順紋抗剪強度設計值。

計算結果表明，在荷載效應基本組合作用下，該房屋主要承重的木擱柵承載力及撓度基本滿足要求，主要承重的木屋架承載力不滿足要求。

8 結語

本文采用三維激光掃描技術對某落架重建文物保護建筑進行掃描，完成該建筑的三維模型重建，及重點保護部位的CAD 圖紙繪制，并對該建筑進行傾斜、完損檢測，對其結構進行安全性鑒定和抗震承載力鑒定。得到以下結論：①采用三維激光掃描技術可以完整地采集文物保護建筑的空間信息和細節構造，在修繕重建時有較大的作用；②該建筑木格柵承載力和撓度滿足要求，在重建過程中可以直接使用，木屋架承載力不滿足要求，建筑重建時應對其進行加固或更換后使用；③該建筑部分構造不滿足現行規范要求，在重建時應在保證外觀的前提下完善構造措施。