以杭州富义仓为例谈文物建筑安全监测设计

钟 峻 翁 燕 罗曼慧

(杭州市京杭运河(杭州段)综合保护中心，浙江 杭州 310000)

1 概述

文物安全监测是指对文物建筑在日常使用、修缮等过程中的安全影响因素的安全状态及动态变化进行量测、检查、监视的活动[1]。文物建筑安全监测作为一种手段，其目的一是采用先进技术持续采集相关信息，通过分析了解建筑遗产的损毁变化规律；二是分析相关的技术标准，为科学制定保护方案提供必要数据和可靠依据；三是确认建筑遗产的保护状态，为进一步有效开展经营管理提供参考依据[2]。

杭州富义仓位于中国大运河与其支流胜利河的交汇口，是大运河沿岸保存较完整的古代城市公共仓储建筑群，始建于清光绪年间(1875年—1908年)，见证了历史上米市、仓储和码头装卸业等经济业态曾经的发展、繁荣。2013年3月5日，国务院将“富义仓”作为“大运河”的组成部分，公布为第七批“全国重点文物保护单位”。2014年6月22日，中国大运河被列入世界文化遗产的《世界遗产名录》，杭州富义仓是中国大运河的重要组成部分。

富义仓现存13幢仓房及遗址一处(12号仓房)，其中1号～10号仓房为文物本体建筑，11号～14号仓房为文物保护范围内重要建筑。仓房大多为一层木结构硬山顶建筑(其中11号仓房、13号仓房为两层)，平面呈狭长的矩形，面阔大多八间，单间面阔3.44 m～3.96 m，通面阔28.69 m～33.33 m，通进深6.78 m～7.00 m，用抬梁穿斗混合式，柱径在150 mm～220 mm之间。室内地坪高出室外地坪0.6 m左右，前檐设廊，每间均有入户门和台阶。仓房之间皆以0.5 m～0.6 m的青石板铺砌成的走道。

2 富义仓现状病害

1)木构件因自身原因及外部环境的侵蚀，出现了木材糟朽、劈裂，白蚁虫蛀等病害。2)院内围墙及夯土墙存在不同程度的病害，尤其是11号仓房南侧用于展示的夯土院墙，外无抹灰层保护，直接暴露在自然环境中，面临风吹日晒、雨水侵蚀的侵害。3)庭院地面石板局部断裂、破损，其材料理化性能有待检测。4)杭州富义仓建筑为浅基础或无基础，其场地稳定性情况需特别关注。

3 监测内容设计

根据杭州富义仓的本体保存情况和病害特点，主要针对基础稳定性、梁架受力和木柱倾斜、庭院石材材料性能、夯土墙传统材料性能四个部分进行监测设计。

3.1 基础稳定性监测

基础稳定性监测通过监测特定受力特征点高程数据，比较多期数据计算各点不同时期的高程变化量和变化速度，为判断基础是否稳定提供量化数据依据。富义仓基础稳定性监测对象为现存13栋建筑。基础垂直位移监测采用几何水准法观测，观测精度要求按高程基准网观测要求执行。要求每次观测采用闭合水准路线，每期观测起算点和观测线路保持一致。监测点设置根据2号仓房的力学分析结果，结合现状保存状况抽样选择布设，布设位置为每个单体建筑的四角及建筑两端的受力最大的木柱基础部位，尽可能的保证选择样点既具有力学敏感性，又能反映整体变化情况。基础稳定性监测点位置布置详见附件五。监测标志宜布置在富义仓的柱脚处，标志采用半圆形平底型不锈钢观测标志。标志直径2 cm，凸起部分高0.8 cm。监测点的埋设须保证观测标志与被监测构件连接成一个整体，保证点位的自身稳定和可靠。观测标志安装采用云石胶粘贴，确保文物本体安全。安装时应考虑观测标志上方留有一定的净空，并无妨碍竖立水准尺的凸出障碍物。安装完成后注意免受碰撞、挤压及其他意外的影响。基础垂直位移监测首次观测均进行2次独立观测，取两次独立观测值的平均数作为首期观测成果。

3.2 梁架受力和木柱倾斜监测

根据2号仓房一榀梁架体系受力分析结果，在弯矩较大的几处横梁处布设振弦式表面应变计来监测横梁扰动变形情况；在轴力较大的几根立柱顶部(若有隔板阻隔，则布设在立柱可布设的最高处)布设双轴倾角感器来监测木柱的倾斜情况。

3.2.1梁架受力监测

梁架受力监测主要采用在梁中受力最大处安装振弦式表面应变计来进行应力监测。振弦式传感器由振弦、磁铁、夹紧装置和受力机构组成。传感器参数见表1，图样见图1。

表1 振弦式表面应变计参数

通过传感器对2号仓结构进行监测，并定期对监测数据处理与分析，判断结构受力变化趋势，及时预报预警，进而为富义仓的安全监控提供有力保障。由于文物监测的特殊性，在现场实施时，根据实际情况在确保技术要求的前提下允许适当调整选用的设备和安装方式。

3.2.2木柱倾斜监测

木柱倾斜监测主要采用在木柱顶部倾斜最大处安装数字双轴倾角传感器来进行监测。倾角传感器主要用于系统的水平角度变化测量。倾角传感器是一种非常精确的测量小角度的检测工具，用它可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度。数字双轴倾角传感器参数见表2，图样见图2。

表2 数字双轴倾角传感器特性

数字双轴倾角传感器的安装步骤同振弦式表面应变计安装步骤，需特别注意的是，在安装数字双轴倾角传感器时，传感器安装面与被测目标面平行，并减少动态和加速度对传感器的影响。

通过传感器对富义仓结构进行监测，并定期对监测数据处理与分析，判断结构变形趋势，及时预报预警，进而为富义仓的安全监控提供有力保障。由于文物监测的特殊性，在现场实施时，根据实际情况在确保技术要求的前提下允许适当调整选用的设备。

3.3 庭院石材材料性能监测

庭院石板材料监测主要针对富义仓庭院内地面石板及仓房柱础进行材料性能监测，监测内容分为：石材表面抗压强度监测、石材表面硬度监测及地面石板表面疏松程度等。

3.3.1石材材料表面抗压强度监测

石材表面抗压强度监测主要使用回弹仪现场检测石板及柱础的回弹值，换算得到石材表面抗压强度，比较多期数据，对比分析石材表面抗压强度变化情况，从而达到监测的目的。采用HT-225A型回弹仪(如图3所示)，参考JGJ/T 23—2011回弹法检测混凝土抗压强度技术规程进行现场抽样检测，具体监测点位根据现场实际情况进行选取点位。地面石板及柱础监测点位各不得小于5处。

3.3.2石材材料表面硬度监测

石材表面硬度监测主要使用硬度计现场检测石板及柱础的硬度值，比较多期数据，对比分析石材表面硬度变化情况，从而达到监测的目的。采用SW-6210型里氏硬度计(如图4所示)进行现场抽样检测。监测点位与石材材料表面抗压强度监测点位相同。

3.3.3庭院地面石板表面疏松程度监测

庭院地面石板表面疏松程度监测主要通过红外热成像拍摄地面石板的温度变化情况，比较多期数据成果，间接判断石材的风化情况。在现场对局部地面石板分别进行热风枪加温、喷水降温等方式，改变石材表面温度，采用Fluke Tis40型红外热成像仪(如图5所示)，红外热成像拍摄。监测点位根据现场实际，选取3处～4处进行监测。在目标时间段内检测区域内材料温度变化的情况来初步判断材料本身均匀致密情况。通过不同时期红外照片对比，分析地面石板表面疏松程度情况。

4 结语

目前对于文物建筑的监测主要侧重于对文物建筑结构安全监测、本体材料监测和环境监测等方面。先进科技手段运用到文物建筑监测体系中，可以提高监测资料的科技含量，让我们更加客观准确的判断文物建筑所处的真实状态，系统的制定科学规范的监测标准，从而为文物行政部门科学决策提供依据。对富义仓的监测与研究不仅能为文物建筑本身的保护提供依据，也能为杭州地区相似文物建筑的研究与保护提供借鉴。通过对文物建筑的监测与研究还能够提炼出木结构文物建筑具有通用性和可行性的信息采集方法，并通过进一步处理和分析监测的数据，确定出文物建筑破坏临界点，以确定保护类型，推广和普及于其他众多类似的文物建筑的保护中去。