过渡季建筑使用方式对文物保存环境的影响探究

李峥嵘 徐天昊 张鹏

过渡季建筑使用方式对文物保存环境的影响探究

李峥嵘1徐天昊1张鹏2

1同济大学暖通空调及燃气研究所
2天津市历史风貌建筑整理有限责任公司

历史建筑中保存的文物直接与空气接触，室内环境即文物的保存环境。过渡季室内无采暖或空调进行环境控制，并且历史建筑修复再利用后使用方法发生变化，文物的保存环境更加复杂，波动明显。在五月对天津某历史建筑内三种文物保存环境进行监测，通过客观的数学方法将温度、相对湿度数据处理为统一的“综合评价值”，并与建筑实际使用方式对应，在判断综合评价值准确性的同时，对建筑使用方式对文物保存环境影响进行探究。

建筑使用方式保存环境过渡季温湿度综合评价值

0引言

历史建筑中常常保存着珍贵文物，具有观赏价值与使用价值[1]。对于直接与空气接触的文物，建筑室内环境即文物保存环境。因此，室内的温度与相对湿度是评价该类文物保存环境优劣的重要指标。国内外各学者针对不同材质文物的损坏与其保存环境的关系进行了较为详细的研究。例如，Maria等通过分析三处教堂的壁画和油画房间的温湿度变化情况，发现在温湿度波动明显的房间，艺术品褪色相对严重[2]。Pavlogeorgatos总结前人研究，指出湿度的波动可导致木材形变以及木材脆弱性增加等不利于木质文物保存的因素出现[3]。阎宏彬等研究了云冈石窟保存环境，发现温湿度的变化可导致石质表面凝结、蒸发现象反复发生，引起石质壁画劣化[4]。Cavallini等学者总结性地指出，文物损坏取决于材质的性质、周围环境的严酷程度，但更取决于其环境条件的“变异”，损坏可能性随着文物与外界物质、能量交换过程的降低而减小[5]。因此，由各学者的研究成果可知，不稳定的温湿度环境是导致文物的劣化和损坏的重要因素。

现实中一些历史建筑经修复后再次投入使用，建筑使用方式发生明显变化，主要体现为使用功能、使用者、设备的改变，并且使用者的行为及人员流动会造成更加复杂的温湿度环境。特别地，过渡季由于缺少空调及采暖设备的调控，温湿度环境波动更加明显。本文以天津某历史建筑为研究对象，对室内三种文物保存环境进行监测，利用数学方法将温湿度数据处理为可综合分析环境变化情况的评价值，并将特定时间段的综合值差值与建筑使用方式对应，以此探究过渡季建筑使用方法内部文物保存环境的影响。

1研究对象

研究对象为天津某栋修复再利用的历史建筑，该建筑原为清朝官员的住宅，层数4层，在保留建筑主体结构以及文物位置的基础上，已改造成为用餐会所使用。建筑内部保存了岩石壁画、木质彩绘、金丝楠木雕刻等珍贵的历史文物（图1～图3），均与空气直接接触，则室内环境即此三类文物的保存环境。文物具体信息如表1所示。测试期间不采暖，空调使用次数很少，人员、菜品、灯具等设备成为温湿度的主要室内影响因素。根据实地考察和运行记录，人员活动及菜品增减在时间上主要集中于午餐和晚餐时间（约11:30～13:30，18:00～21:00）。

图1岩石壁画（其中之一）

图2木质彩绘（仰视）

图3金丝楠木雕刻(上端部分)

表1文物位置及环境特征

2物理模型

2.1过渡季保存环境特征

过渡季泛指春季和秋季，笔者选取2014年5月1日～5月31日作为典型过渡季进行温湿度监测，仪器采用HOBO自记仪每5分钟记录一次。监测期间室外气象参数如图4～图5所示，可见室外温湿度波动明显、日较差较大。经现场调查，监测期间室内无规律性地开启门窗进行自然通风，并且开启空调降温的情况较少。图6～图8给出了三类文物保存环境取小时平均的监测结果，其中虚线代表月平均值。可见，温湿度波动是三类文物保存环境的主要特征。

图4室外空气日均温度

图5室外空气日均相对湿度

图6壁画保存环境监测结果

图7 彩绘保存环境监测结果

图8雕刻保存环境监测结果

2.2数据分析时间段选取

过渡季由于自然通风及缺少环境调控，室外环境对室内环境存在影响，由图4～图8可知，保存环境温度与室外气温均呈整体上升趋势；而相对湿度无明显上升或下降趋势。为了排除室外天气干扰（如温差大、阴雨天等），将建筑使用作为单一变化因素，并提高分析结果的可靠性，用于数据分析的时间段选取方法为：上、中、下旬中各选取连续的室外气温日均值差值小于2℃的晴天，具体时间段信息如表2所示。

表2计算时间段

3数学模型

3.1数据处理方法概述

为了合理表征温度、相对湿度的整体波动，文本采用“综合评价值”对其进行计算分析。由于温湿度数据的量纲和数量级均不同，因此利用数学方法对温湿度数据进行极性和规范化处理，得到统一的温湿度指标，后利用熵权法计算指标权重进行加权求和，即得每类文物不同时间的“综合评价值”。通过综合评价值即可分析保存环境中温湿度的整体波动情况。整个过程将数据视为矩阵，使用MATLAB编程进行计算。

3.2熵权法概述

熵权法是一种客观赋权的数学方法，根据各指标的变异程度来确定权重[6]。某个指标的信息熵ej越大，表明其指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中起的作用越大，其权重也越大。相反，信息熵ej越小，则其权重也越小。对于任意矩阵Rij={rij}，第j个指标的熵值ej为：

3.3计算过程

3.3.1计算不同文物的规范型极性矩阵

以时间段Ⅰ为例，利用该时间段的小时平均温度及相对湿度数据构建壁画、彩绘、雕刻三类文物的初始矩阵，分别记为X、Y、Z（均48行×2列矩阵）。将利用表2中的平均值通过rij=|xij-x平均值|计算得到极性一致化矩阵，进一步将矩阵进行规范化处理。rij的值越小，说明xij越接近平均值，因此规范化矩阵X'为越小越优型，则计算方法为：

图9时间段Ⅰ的壁画初始矩阵

图10壁画极性一致化矩阵

图11壁画规范矩阵

为了形象地表示计算过程，以时间段Ⅰ壁画为例将矩阵以图表的形式表示，如图9～图11。同样可得时间段Ⅰ中彩绘和雕刻的规范型极性矩阵。三类文物的规范型极性矩阵分别记为X'、Y'、Z'。

3.3.2构建建筑内保存环境的综合评价矩阵

针对时间段Ⅰ中三类文物的规范型极性矩阵，利用熵权法计算温度、相对湿度指标权重，得温湿度指标权重矩阵为将矩阵X'、Y'、Z'分别与W23的三个列向量W1、W2、W3分别相乘，得3个48行的列向量，分别记为H1、H2、H3。其数据代表了时间段Ⅰ中每个小时（48个小时）段中每类文物保存环境每小时的综合评价值，如图12。同法计算得时间段Ⅱ和Ⅲ内文物综合评价值，如图13～图14。

图12综合评价矩阵（时间段Ⅰ）

图13综合评价矩阵（时间段Ⅱ）

图14综合评价矩阵（时间段Ⅲ）

4结果分析

4.1综合评价值准确性分析

温湿度的波动不利于文物的保存，利用熵权法计算得到综合评价值体现了温度、相对湿度的综合变化情况。对于夜间，由于无人员流动及设备运行，文物的保存环境应较为稳定。三类文物夜间（约22:00～8:00）综合评价值差值（最大值-最小值）如图15所示。可见，壁画和雕刻的评价值波动较小，最大差值分别为0.250和0.267，可判断夜间环境较为稳定，与实际相符。而彩绘处评价值差值相对其他文物明显较大，最大达0.557，与实际偏差明显。探究原因，是由于极性处理以整个时间段的温湿度平均值为前提，而彩绘位于楼梯间在营业期间受射灯照射，打烊之后射灯关闭。图16给出了三个测试时间段中文物的温度变化情况，可见射灯使彩绘保存环境在营业和打烊时存在温度骤升和骤降，最大温变梯度为3.6℃/h（5月8日）。因此，采用整个时间段的平均值对彩绘进行极性处理得到的综合评价值合理性较低。应对彩绘应进行分夜间、营业两个时段进行计算。相对而言，壁画和红木处无类似射灯的存在瞬间变化的强热源或湿源，则采用整体时间的平均值分析准确性较好。

图15文物非营业期间综合评价值差值

图16文物保存环境温度监测结果

4.2营业时间段分析

由于餐厅主要使用时间集中于午餐和晚餐时间（约11:30～13:30，18:00～21:00），该两个时间段相对非用餐时间存在较多人员流动及菜品的增减，可引起环境参数的改变。为了提高彩绘处综合评价值的准确性，利用9:00～21:00的温湿度平均值对彩绘进行重新计算；同时，为了保证不同文物之间对比的可信度，壁画和红木也均进行重新计算。午餐、晚餐时间段的综合评价值差值如图17所示。由图分析，晚餐期间三种文物的综合评价值差值均大于午餐期间，可见文物的保存环境，晚餐期间的波动更加显著。

文物中石质壁画和红木雕刻分别位于三楼和四楼的主餐厅，相较于其他餐厅使用频率较低，并且晚餐使用频率大于午餐。图17标记了三个时间段中两主餐厅的使用情况。餐厅使用时间的综合评价值差值相比同时间同餐厅的其他差值比较如表3所示，可见餐厅使用时的评价值差值明显大于其他时间，可以判断由于该时间中客人使用引起了明显的环境变化，波动较其他时间显著。根据现场观察，客人用餐期间，所点菜品种类不一，餐厅内客人及服务人员总数不断变化，并且人员进出、入口处门开或关及开启程度、人为空调开启及温度设定均无明显规律性。因此，对应实际使用方式，综合值差值较真实地从数据层面表征了保存环境的波动情况。

图17文物用餐期间综合评价值差值

表3餐厅使用综合评价值差值对比

5结论

历史建筑中文物保存环境在过渡季波动明显，建筑使用方式的变化引起了更加复杂的热湿环境。通过5月对天津某历史建筑中石质壁画、木制彩绘、红木雕刻的保存环境长期监测，选取其中三个时间段的温湿度数据利用数学方法计算综合评价值，反映了保存环境中温湿度的综合变化情况。主要得出以下结论：

1）彩绘处射灯的开关可引起温度骤变，造成营业与非营业时间段温差较大。因此，采用整个时间段的温湿度平均值计算所得综合评价值在全时间段波动明显，不准确。相对地，壁画与雕刻处无瞬间变化的热源或湿源，采用整个时间段平均值计算的准确性较好。

2）由壁画和红木的综合值曲线分析可知，夜间环境相对稳定，综合值变化较少，与夜间无人员流动及设备运行的实际情况相符。

3）建筑使用功能为用餐会所，主要的人流量、菜品以及人员活动引起的门窗开闭、设备运行主要集中于午餐和晚餐时间。分析该两个时间段的综合评价值可知，晚餐时间评价值普遍大于午餐时间。

4）对于分别保存壁画和雕刻的三楼和四楼主餐厅，在有客人使用的情况下，评价值差值较无人使用时明显偏大。

综上，采用数学方法将温湿度数据处理为综合评价值，较好地从数据层面表征了保存环境的综合波动情况，利于结合实际使用情况分析建筑使用方式对文物保存环境的影响。

[1]刘怡涵.历史建筑的保护和再利用初探[J].美术大观,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]阎宏彬,黄继忠,赵新春,等.温度、湿度的变化对云冈石窟保存的影响[J].大同大学学报,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

李峥嵘（1969～），女，博士，教授；上海市杨浦区四平路1239号同济大学机械与能源工程学院（200092）；

E-mail:lizhengrong@tongji.edu.cn