基于数字化模型的外立面不停业保护修缮技术研究

杨锲的（上海市建筑装饰工程集团有限公司， 上海 200072）

我国具有悠久的历史，在漫长的岁月中，历史建筑是一个地区历史发展的见证，也是人类智慧与汗水的结晶，其蕴藏着浓厚的历史文化气息，是重要的不可再生文化资源，具有重要的艺术、科学和历史研究价值，对历史建筑进行保护是社会发展和城乡规划的重要内容。对历史保护建筑进行修缮、再利用，可以保存一个地方发展的脉络，可以记录过去的历史，为社会发展提供思考，能够增强该地区视觉连续性，使不同年代、风格的建筑可以和谐共存，丰富城市风貌，增加城市内涵，也可以作为本地发展的见证。

根据住房和城乡建设部 2021年统计，全国历史保护建筑已达 4.27 万处，建筑形式多种多样。其中大型历史保护建筑场馆外立面不停业保护性修缮工程因其具有外立面露天施工、工程量大且分散、全过程不停业等特点，对此类工程的现场勘察、前期策划、方案编制、现场施工、安全管理方面都提出了更高的要求。使用数字化技术、无人机技术、BIM 技术、实时监测技术等现代化科技，对项目实施的初期构思、方案优化和施工过程辅助等方面都发挥巨大的作用。

1 项目背景

项目为上海市延安中路 1000 号上海展览中心优秀历史保护建筑外立面修缮工程。该工程位于上海市中心静安区，北邻南京西路、南面延安高架路、东起威海路、西到铜仁路。地处繁华地段，人流密集，是上海市最为重要和核心的城市公共空间节点之一。

工程总建筑面积 90000 m2，建筑单体包括：序馆、中央大厅、友谊会堂、东一馆、西一馆、东二馆、西二馆、东角亭、西角亭、小黄楼、商务楼、锅炉房、机电所、冷气机房、南北门房、围墙以及上海展览中心用地范围内的所有其他建筑、构筑物。

工程的外立面修缮范围：外墙饰面、外门窗、外立面装饰及檐口线脚等立面特色装饰、室外立柱、局部平屋面的渗漏修补、建筑落水管修缮，序馆钢塔金饰面的保护修缮。建筑结构、室内空间、建筑外部环境的修缮不在本次工程范围内。

2 研究意义

历史保护建筑的数量一直都在增长，根据住房和城乡建设部统计，2021年与 2015年比，历史街区的数量翻了 1 倍，历史建筑的数量增加了 4 倍。历史保护建筑保护性修缮项目的市场总量也将一并增长。通过对大型历史保护建筑场馆外立面不停业保护性修缮关键技术的研究与应用，总结并传递经验，对今后大量同类工程的顺利实施有着宝贵的参考价值和重要的帮助作用。

3 研究过程

3.1 基于数字化模型的外立面不停业保护修缮技术研究

上海展览中心于 2001年的大修中对塔身紫铜基层板进行过除旧，重新电镀金的方法进行修缮。但是 20 a 后的现在，紫铜基层锈蚀，污染外墙饰面；钢塔表面变黑，影响建筑风貌。可见当时的修缮方案虽能在外观效果上达到修缮要求，但耐久性欠佳，而此次修缮工作急需一种能兼顾外观效果及耐久性能的新方案。

优秀历史保护建筑修缮工作要求采用原工艺、原材料、原形制进行。经查阅 1954年的历史图纸与相关文献记录发现，钢塔塔身使用 1300 张 0.7～0.8 mm 厚的紫铜皮，压制出花纹后包裹；紫铜皮表面采用鎏金工艺，对于钢塔转角处不能采取鎏金工艺的节点，则采取镀金处理。

鎏金是一种中国传统工艺，将金子压成薄片后制成金粉，再溶解在水银中；用刷子蘸取溶解了金粉的水银，均匀涂在洁净的铜皮表面，再用炭火烤，使水银受热蒸发，将金粉馏在铜皮表面；然后用钢料对鎏金后的铜皮进行磨光处理，最后涂上一层香蕉水，使其增加光彩。但是汞蒸气有剧毒，使用鎏金工艺显然不满足目前日趋严格的环保要求，只得放弃该方案。于是设计单位提出参照北京展览馆钢塔金饰面做法，采用不锈钢镀钛合金板方案。但是，在接下来的分析讨论中发现此方案并不适合于本次的钢塔金饰面修缮，因为该方案需要在原钢结构基层上加建钢架，将增加建筑载荷，并且会使钢塔直径增加，直接改变原饰面效果和历史风貌，违背了真实性、最低限度干预的修缮工作原则，故该方案也被否决。

3.2 基于数字化技术对序馆钢塔构件进行分析研究

根据 1954年的历史图纸及无人机特写照片可以看出，序馆钢塔外包镀金紫铜皮，形成独特的金色外观，固定方式为上板压下板，以压条、铆钉及侧边对穿螺栓固定（图 1）。

图1 铜板及装饰构件安装形式分析

项目部对这些构件进行建模，分析构件之间的安装关系及顺序，对今后的拆除及安装进行数字模拟，确认整座钢塔的所有构件确实是能够逐一拆除再逐一恢复安装的。图 2 为铜板及装饰构件分解图。

图2 铜板及装饰构件分解图

在确定了拆装方式之后，面对整座钢塔的上千个不同构件，又一个问题接踵而至，如何对所有构件进行逐一追踪，保证每一个构件都能在修整完毕后准确无误地安装回原本的位置，不发生任何错位及不丢失。解决办法是使用数字化技术，根据无人机影像成果以及原始蓝图建立的 BIM 模型，对构件进行编号，拆分和数量提取。塔身有 1336 块铜板、 888 个泡钉、448 根压条和 23320 个铆钉。通过模型对每个板块及构件进行编号统计、信息录入、二维码标签绑定。

引入基于二维码的构配件物流跟踪管控技术。将板块、泡钉、压条放在专用存储箱中。在存放的时候，板块间做隔离保护，避免磕碰损伤及化学电解反应。各板块及存储箱通过粘贴的二维码拥有唯一编号信息。通过集团独立开发的物流跟踪管控平台，可以快速识别存储箱中的板块信息，构件的尺寸几何信息及所属安装位置信息。

除了能够跟踪构件位置信息、编号等，此系统还能反映出每个构件的加工工序进度，加工的质量情况，并进行推送，确保不遗漏任何一个板块或者构件。

3.3 序馆钢塔的金饰面修缮加工流程研究

（1）利用序馆内部空间作为整个施工区域。所有拆下来的构件，都进入到 8 层除锈加工区及待修缮库存区。

（2）除锈加工完成后，对于板块有破损、弯折甚至要替换的，是进入到 9 层钣金加工区。

（3）对于饰面比较平整保存比较好的，就直接进 10 层油漆加工区进行油漆作业。

（4）11 层为贴金加工区，在这里完成贴金工序。

（5）所有的构件在 12 层的成品库存区进行堆放，等待上塔安装。

首先是保护性的构件拆除。拆除下来的铜板及构件到 8 楼进入除锈加工区进行除锈并将铜板除锈到铜的本色，为下一道工序做好基础。除锈完成后，构件进入 9 层进行钣金整形，完成整形的构件板块进入 10 层进行油漆作业。首先做的是刷环氧富锌底漆。在内部晾晒区等待底漆干透之后，再刷氟碳面漆，待面漆干透后，进入 11 层的贴金加工区。常规修缮中一般使用 0.12 μm 的金箔进行贴金，但本次项目为了实现 10 a 甚至 15 a 饰面不损坏不褪色，选择使用 0.24 μm 金箔进行贴金。整个钢塔使用金箔 3200 g，总面积 460 m2。在整体安装完成后，再对所有的抽芯铆钉，对穿螺栓，进行了补金的处理，避免钢塔最后整体看起来有非金色的斑点出现。

3.4 无绳机具在序馆钢塔修缮工作中的应用与研究

3.4.1 充电式电动起子机的应用

在序馆钢塔超高脚手架搭设期间，由于脚手架高度较高且平台面积较小，电缆电线的存在对于施工人员通行产生不便，钢塔修缮的电源接驳点为序馆 11 层的二级电箱，至钢塔最低点（麦穗）距离为 7.1 m，离最高点（塔尖）距离为 44.0 m，电缆电线长度较长，产生人工接线、电箱、电缆等费用问题。根据施工现场供用电安全规范，二级电箱与三级电箱的距离≤30 m。现场使用盘旋式脚手架爬梯，实际所需电缆长度需 60 m，钢塔有一半高度以上的区域不适宜使用三级电箱。综上原因，项目部采用无绳电动机具配合钢塔修缮，目的为省去线缆问题从而方便施工人员通行顺畅、降低施工风险、控制电缆及电箱所产生的成本费用。

续航情况实际测试数据：空转模式持续工作下搭配电池（BL1860B）续航测试数据为低、中、高、强的强度模式的续航时间分别是 45、40、35、30 min； 实际操作（拆装铜板）且持续工作下搭配电池（BL1860B）续航测试数据为低、中、高、强的强度模式的续航时间分别是 30、24、18、12 min；实际操作（拆装铜板）间断工作下搭配电池（BL1860B）续航测试数据为低、中、高、强的强度模式的续航时间分别是 35、30、25、20 min。

塔身铜板螺栓年代久远，存在不同程度锈蚀难以拆卸，故在使用电动起子机时需要以最高强度模式使用，续航时间为 20 min，拆装螺栓平均时间约为 5 s，则一次充电可拆装螺栓 20×60/5=240 个，远少于产品介绍页宣称的 960 个。可见序馆钢塔因基层坚硬对电动工具的要求相当高。机身尺寸和质量对比见表 1。

表1 机身尺寸和质量对比

（1）充电式电动起子机。序馆钢塔螺丝总计 23320 个，拆装数量为 46640 次，3 名工人每人配备1台机具，每台 3 块电池。每人每天工作 8 h，上午 720 次拆装消耗 3 块电池，中午进行充电后再支持下午的 720 次拆装，每人每天完成 1440 个拆装，3 人 11 d 完成全部所有 46640 次拆装。

（2）传统有线电动起子机。安装效率不变，但每人每天上午和下午都需收纳和安置三级电箱 2 次，共花费约 40 min。使用三级电箱，电缆长度达到 60 m，根据施工现场供用电安全规范，二级电箱与三级电箱的距离不宜超过 30 m。这里仅用作为计算数据，实际不建议如此施工。人员设备成本计算见表 2。

表2 人员设备成本计算

3.4.2 充电式电动角向磨光机的应用

序馆钢塔塔身铜构件在涂刷环氧富锌底漆前，需通过角磨机打磨，去除旧的金面层和锈迹，露出原本的铜面层，打磨工作在 8 层的除锈加工区完成，均以持续打磨无间断操作方式进行。由于铜板和鎏金层厚度非常薄，故在打磨时需要选择适中的磨片，在保证打磨效率的同时避免损伤铜板基层。

（1）磨片的选择。选择适合于有色金属的 Ce 陶瓷氧化铝 125 mm 直径平行千叶片。该类型按粒度由粗到细供4种型号。粒度越粗打磨痕迹越深，会在铜皮表面留下一道道划痕；粒度越细打磨痕迹越浅，除锈和去除旧金层的效率会变低。磨光机转速固定 8500 r/min 不可调。项目部使用 4 种千叶片对铜皮进行打磨实验，找出合适的千叶片型号。最终项目部发现 D-28503 粒度 60 的千叶片在打磨效果和效率之间能达到最好的平衡。

（2）千叶片的选择如图 3 所示。

图3 千叶片的选择

（3）充电式电动角向磨光机的优缺点。铜皮打磨工作在序馆 8 层室内进行，因为在室内工作，无绳机具携带方便的优势完全没有发挥的余地。而目前无绳机具又普遍存在续航差的问题，相比有线机具，在室内工作时其劣势更是被凸显了出来。所以实际在 8 层的打磨除锈车间里还是传统有线机具使用得更多。充电式电动角向磨光机则主要被用来处理各种异形构件。因为没有尾部电线的干扰，方便边移动边持握，对于固定在工作台上的各种异形构件，充电式角磨机能跟随其形状以各种方向和路径移动，能够发挥一些优势。

4 结语

上海展览中心优秀历史保护建筑修缮工程作为集历史保护建筑修缮、超大工程体量、全程不停业施工的特点为一身的标杆项目，过程中采用了数字化、信息化的技术手段，积累了相当多的应用经验，培养了一批数字化、BIM 工程师，形成了一套全过程的历史保护建筑数字化修缮技术。相信通过此项目在企业内的推广应用，将这些数字化技术融入到了历史保护建筑的保护性修缮工程中，能促进保护修缮类工程的跨越发展。同时为后续类似项目提供经验借鉴，用现代科技来帮助历史建筑重新焕发往日的辉煌。