谷志旺 张 铭 孙沈鹏 王伟茂 张 波

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

文物建筑是不可再生的历史文化遗产，是城市历史文脉的延续。由于建造年代久远，历经多年使用加之内外空间环境改变以及材料自然老化，文物建筑各项性能都随时间逐渐退化，存在一定程度的安全隐患。由于文物保护与传承需要，文物建筑尤其是特色保护部位的特征价值不容改变，常规的更新替换方法无法实施，潜在的安全隐患无法根本性消除。文物建筑长期可持续性的安全使用性能难以得到有效保障[1-7]。

现代监测技术可为文物建筑安全使用提供预警，通过对文物建筑相关部件的各项性能及动态变化进行全方位持续性监测，可以掌握其服役状态下的整体状态及其损伤后的性能退化规律，便于及时发现、处理和消除潜在的安全隐患，确保文物建筑安全使用。

本文以上海音乐厅文物建筑观众厅大顶预防性保护为例，探索文物建筑特色保护部位安全监测技术，为文物建筑保护和利用提供技术支撑。

1 项目背景

1.1 工程概况

上海音乐厅，原名南京大戏院，建成于1930年3月，1950年11月更名为北京电影院，1959年9月改名为上海音乐厅，为上海市第一批优秀历史建筑、上海市文物保护单位。2003年，因市政高架建设，对上海音乐厅进行整体性移位保护和扩建改造，移位后的上海音乐厅由文物保护区和非文物保护区两部分组成，总建筑面积12 986.7 m2，其中文物保护建筑面积2 557.58 m2。主要涉及的文物保护区域有观众厅大礼堂、北门厅大堂、东休息厅等部分（图1）。

图1 上海音乐厅

1.2 观众厅大顶概况

上海音乐厅观众厅大顶，距今也已有90年的历史，为文物重点特色保护部件。大顶南北长约28 m，东西宽约21.7 m，建筑面积约600 m2，距地面高度约13 m。大顶中心为圆形穹窿，四周饰以浅雕的装饰线脚并贴金纹饰，精巧美观，复杂而不零乱，变化富有层次，与厅内墙面壁柱装饰和舞台台口花饰融为一体（图2）。

图2 上海音乐厅观众厅大顶

1.2.1 大顶结构构造

观众厅大顶由上部木屋架、下部装饰层以及吊筋连接件三部分组成。木屋架共7榀，为双坡型，搁置在东西两侧墙柱上；单榀木屋架宽约23 m，高约5 m，由上弦杆（250 mm×250 mm）、下弦杆（300 mm×300 mm）、斜杆（150 mm×150 mm、200 mm×200 mm）、竖杆（φ19～φ51 mm钢杆）组成；搁置在木屋架下弦梁的木搁栅为50 mm×250 mm@900 mm。下部装饰层基层为钢板冲切张拉而成的钢板网，上面绑扎着25 mm×5 mm的钢条以及直径6.5 mm分布筋，作为钢板网龙骨。穹顶表面精美花饰是在钢板网下面批纸筋灰制作而成，厚度20～50 mm。整个穹顶装饰层通过φ6 mm吊筋一端悬吊钢板网龙骨，另一端通过穿孔夹板固定在木搁栅上，吊筋间距约900 mm（图3、图4）。

图3 观众厅大顶三维示意

图4 观众厅大顶构造组成

1.2.2 大顶历次修缮情况

2003年对上海音乐厅进行移位修缮时，对大顶进行整体移位保护，使其得以完整保留。移位后，对木屋架木构件采用碳纤维布封闭式粘贴、铁件抱箍方式加固，并在各屋架顶部间设置75 mm×200 mm的方木系杆，屋面木桁条改为125 mm×260 mm@845 mm，吊顶木搁栅改为50 mm×250 mm@500 mm；同时在原木屋盖上方新增钢结构屋盖，作为房屋新屋面，拆除原屋面瓦片，改用20 mm厚屋面企口板+挤塑保温板，减轻原木屋架的荷载。

此外，对大顶装饰层及吊筋连接件进行专项修缮，采用下列加固措施：新增木搁栅与钢龙骨间吊筋，分散连接荷载；吊顶纸筋灰层增加托吊不锈钢片，加强面层与钢丝网连接；钢丝网表层涂结构胶，减缓锈蚀过程；对钢龙骨进行除锈后涂防锈漆；在钢丝网与钢龙骨间绑扎铜丝以提高牢固程度。通过上述措施提升观众厅大顶安全使用性能。

1.3 问题及需求

2019年3月，上海音乐厅再次启动文物建筑保护修缮。修缮前，对观众厅大顶进行详细的专项查勘，发现大顶装饰层存在百余条裂缝、钢板网锈蚀等损伤情况，其中部分裂缝深而长，贯穿整个装饰层。

考虑到大顶已有90年历史，各项性能有所衰退，并且历次修缮过程中虽采取不同程度的修缮措施，但并未进行完整性修缮。因此在本次修缮时，要求在对大顶现状损伤进行保护修缮的同时，做好大顶预防性保护；提出加强后续大顶使用过程中的安全监测，全面了解大顶安全状态，为及时处理、消除大顶潜在安全隐患提供技术支撑，确保观众厅安全使用。

2 特点难点和技术路线

2.1 特点难点

1）非结构类的老旧组合装饰大顶，全生命周期监测难度大。不同于传统结构构件监测，观众厅大顶由结构和非结构装饰构件组合而成，构造形式多样；构件材料存在损伤；再加上大顶的破坏类型比较复杂，通过监测来反映大顶全生命周期服役状态，难度比较大。

2）大顶安全重要等级高，监测、分析和评估应及时、系统和高效。通过监测手段全面了解大顶各项性能，及时处理和消除潜在安全隐患，确保大顶安全服役，对观众厅正常运营至关重要。因此，应建立一套高效、智能安全监测系统，实时反馈监测信息，对大顶服役状态进行分析和评估。

3）大顶监测不得破坏文物建筑，不得干扰观众厅正常演出。观众厅大顶作为文物重点特色保护部件，对大顶安装监测传感设备，应遵循文物建筑保护原则，不得损坏文物保护构件，不得影响文物空间整体风貌。此外，观众厅作为上海音乐厅观演场馆，对大顶进行全过程监测不得干扰音乐厅正常演出。

2.2 技术路线

考虑文物建筑保护要求与特色部位安全，在观众厅大顶的关键部位无损安装远程智能监测设备，对观众厅大顶运营环境、构件受力性能实施全生命周期的监测，全面掌控大顶服役状态；同时，构建观众厅大顶远程监测管理平台，所有监测数据通过远程传输到云端数据库，并将监测图表数据与大顶模型进行联动，通过平台实现监测数据的可视化展示，对大顶变形进行智能监控和预警。

3 监测方案设计

3.1 大顶安全性能数值分析

考虑文物大顶构造形式多样、传力体系错综复杂，采用数字技术建立大顶三维模型，结合材料性能检测，开展基于材料损伤模型的大顶安全性能分析。考虑木屋架结构与装饰面层的抹灰自重荷载以及马道活荷载。通过计算分析发现：木屋架结构中的下弦杆杆件所受弯矩较大，尤其是靠近端部位置、上弦杆端部弯矩较大，腹杆应力水平较高；木屋架下弦杆中点左右1/3处竖向位移较大。此外，装饰面层部分竖向位移主要集中在2榀木屋架的中央区域，最大竖向位移值为13 mm。

3.2 大顶监测方案设计

3.2.1 监测内容

为充分反映大顶装饰层及上部木屋架安全状况，结合大顶各部分性能理论分析，从以下2个方面对大顶进行整体监测。

1）观众厅大顶运营环境监测。由于大顶为钢、木结构组合体系，木结构为大顶主要部件，白蚁、温湿度变化、火灾等环境因素对大顶的安全运营影响甚大，因此，对上述环境因素进行全过程监测。

2）观众厅大顶变形监测。对大顶上部木屋架应力、变形，下部装饰层沉降、剥离进行监测，来监控大顶结构性坍塌、装饰面层层间剥离等可能性。

3.2.2 监测设备布设和安装

1）温湿度监测。考虑到大顶木构件、纸筋灰材性与温湿度的相关性，监测木屋架及大顶周边温湿度情况。在木屋架内、木屋架与钢屋架间内各放置2个温湿度监测设备。

2）白蚁监测。在木屋架内部选取5榀木桁架，每榀木桁架上布置1台白蚁监测设备，同时在木屋架周边布置2台白蚁监测设备，对白蚁进行监测。

3）消防火灾监测。在木屋架室内四周及中间位置均布安装烟雾监测报警装置、红外光束感烟探测器、视频监测系统，并结合温度监测设备对木屋架内消防火灾隐患进行监测。

4）木屋架位移变形与应力监测（图5）。选择⑤轴和⑦轴木屋架桁架作为典型构件对木屋架应力变形进行监测。在木屋架下弦杆左右各1/3处及跨中位置处布置静力水准仪监测竖向位移；在上弦杆和下弦杆上设置倾角仪，监测木屋架平面内外倾斜情况；同时在木屋架近马道内侧受拉腹杆、下弦杆中部和端部受拉区，以及上弦杆端部受压区等应力水平较大区域布置振弦式应变计，监测木屋架主要构件的应力水平。此外，布设振动传感器，获取正常使用下木屋架振动响应，判断木屋架是否处于安全状态。上述监测传感器通过U形钢抱箍安装固定在屋架木构件上，方便安装和拆卸，也避免对木构件造成损伤。

图5 木屋架监测点位布置

5）大顶装饰面层位移变形监测（图6）。大顶装饰层变形包括装饰整体变形、面层与基层钢板网间脱落剥离和装饰面层开裂3种类型。在大顶下方观众厅内布置激光测距仪监测装饰面层整体变形，监测设备测量精度不低于1 mm，共布置25台测距设备；采用拉线式位移传感器与激光测距仪设备两者组合监测装饰层脱落，在装饰层上表面（木屋架内）布置25台拉线式位移传感设备，一端固定在木屋架，另一端固定在钢板网上，与观众厅内激光测距仪布设点位竖向对齐，通过两者监测差值来反映面层脱落情况。此外，采用三维扫描、图像采集对观众厅大顶裂缝进行定期巡查，并对裂缝长度和宽度进行识别诊断。

图6 大顶装饰层监测设备布置示意

考虑到激光测距仪器安装不得影响观众厅整体美观和正常使用，同时又能实现对观众厅大顶的监测，现通过优化安装位置，选取座椅椅角靠背垫处大理石地面位置进行安装，利用座垫回转后椅背与椅座间的空隙为监测提供空间。

3.2.3 监测频率设置

以监测系统全面反映监测对象所测项目重要变化过程，不遗漏其变化时刻为原则，在不影响正常演出的条件下，初步确定各监测频率：环境温湿度、白蚁虫害、消防火灾24 h持续监测；木屋架变形与应力监测1次/h，装饰面层变形监测1次/d，此外面层开裂每2个月监测1次。后期结合监测数据分析，如有调整需求，可通过远程重新设置监测频率。

3.2.4 监测预警值设定

基于损伤结构的大顶数值模拟分析，结合构件的损伤程度和安全重要性，参考相关规范标准，制定大顶变形初始预警值。后期基于大顶监测变形增量数据的迭代分析，并结合穹顶现状，对预警值进行优化调整，以便与穹顶实际服役情况相符合。

4 监测管理平台构建与设计

4.1 监测管理平台构建

监测管理平台包括数据采集与传输端、数据管理与存储端、数据分析与展示端以及预警端等部分。基于物联网与5G技术，将采集后的监测数据远程传输至云端数据库，并按照设定好的算法自动完成数据的筛选、过滤、分析与评估；通过三维激光扫描、无人机航拍、近景测量等手段，结合BIM技术对大顶进行实景逆向建模，构建大顶三维数字化模型，以BIM数字化三维模型为载体，将监测数据和模型进行联动，监测结果通过云图在平台模型上进行可视化展示。

此外，基于大顶变形增量数据的迭代分析，结合构件的损伤程度和安全重要性，建立分级预警制度，一旦监测数据超过预警值，将自动提示使用者提前介入与判别风险，以保障大顶的正常使用。

4.2 监测管理平台功能设计

4.2.1 监测场景及传感器状态查看

通过平台可查看带纹理贴图和光照等真实感效果的三维监测模型，体验大顶监测场景，支持通过视角变换、漫游等方式从不同角度查看大顶构造层各构件状况，以及构件监测设备点位、性能和工作状态，帮助用户更直观地了解大顶监测情况。

4.2.2 监测数据实时分析

通过平台可以查看大顶实时监测数据，直接知晓大顶工作状态下各项性能参数；同时将监测数据与模型进行联动后，监测结果直接通过平台上的模型云图显示，直观获取大顶服役状态和各项部件的变化。此外，在平台上可以随意选择某个历史时间点，结合模型查询大顶各构造层构件的历史监测工况和数据，为大顶进行事中监控和事后分析提供数据支撑（图7）。

图7 观众厅大顶安全监测结果展示平台界面

4.3 综合评估与预警

平台可以自动实现监测数据与预警值间的实时对比分析，一旦监测值超出正常范围，平台将自动生成报警消息，并根据预警等级将其推送到相关管理人员手机移动端或电脑端，提示管理人员提前判别与介入风险，以保障大顶的正常使用。

5 结语

针对上海音乐厅观众厅文物保护大顶安全监测问题，结合大顶安全性能理论分析，合理选择监测方法和设备，实时、高效、连续性获取大顶服役状态，构建智能监测管理平台，对大顶的使用状态进行评估、分析与可视化展示，并进行相关预警，辅助观众厅运营管理，确保上海音乐厅文物建筑的安全使用。

此外，通过监测获取相关数据，对文物保护部位构件使用安全状态进行评估，既可以实时掌握文物建筑使用状态，又能保护和延续文物建筑的原始特征与价值，为历史文物建筑的预防性保护提供有力的技术支撑。