三维激光扫描仪在嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程中的应用

张翔　张斌　高商　陈颖

摘 要：嘉峪关关城南敌楼因雨水入侵、本体材料材性减弱等因素造成南敌楼东立面、南立面外部墙砖出现大尺寸裂隙、鼓胀等病害，内部夯土也因雨水冲刷等原因出现损坏。2021年8月，嘉峪关丝路（长城）文化研究院启动了嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程，旨在利用现代土遗址加固与保护技术对南敌楼墙体进行修缮，嘉峪关丝路（长城）文化研究院文化遗产监测中心随即启动监测响应机制，在维修前和维修后使用三维激光扫描仪对嘉峪关关城南敌楼开展三维激光扫描作业，留存此次南敌楼修缮的第一手信息化资料。运用三维激光扫描仪对关城南敌楼开展土遗址监测是文化遗产监测中心首次针对工程实例开展的三维扫描作业，经过三维激光扫描仪比对发现维修后的南敌楼与病害发育前的保存状态基本一致，被维修区域得到了妥善的处理，评估此次维修的效果达到施工设计要求。

关键词：夯土墙体病害；保养维护工程；三维激光扫描；文化遗产监测

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.07.012

0 引言

长城是中华民族的符号与象征，也是人类文明史上的壮举，是不可再生的重要历史文化遗产，也是我们引以为傲的文化根脉。近年来，随着我国综合国力稳步提升，人民对于精神文化生活层面的需求也日趋旺盛，世界文化遗产保护的关注度也随之提高，作为世界文化遗产保护工作的重要组成部分——文化遗产监测成为各个遗产地重点建设的领域之一。其他传统学科的成熟做法和经验对文物保护领域形成渗透，多学科交织协同配合开展文物保护工作的案例屡见不鲜。本文以嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程建设为契机，运用Leica C10 Scanstation三维激光扫描仪对南敌楼开展维修前和维修后的三维激光扫描作业，留存工程开展前后南敌楼的三维扫描数据，用Geomagic Studio 2013计算机软件处理三维扫描点云数据，通过对比发现南敌楼维修前后墙体变化，评估工程维修整体效果，积累数据。

1 嘉峪关关城南敌楼概况

嘉峪关关城南敌楼始建于明正德元年（1506）。单檐悬山顶，一殿一卷前出廊，檐下无斗栱。面阔三间，通面阔6.85米；进深三间，通进深6.41米。明间开四扇六抹槅扇门，次间砌墙。

据资料记载，嘉峪关关城南敌楼分别于1988年和2012年经历过两次较大规模的维修。1988年保护维修时，因南敌楼下部凸出部位墙体保存现状不容乐观，在其外侧增加了砖坯包砌，包砌厚度为24厘米，在距离地面3.93米位置增加一道混凝土圈梁，圈梁下为一层红砖，混凝土圈梁高为28厘米，宽为24厘米。2012年的维修主要完成了南敌楼屋面解体、屋面椽望木基层全部拆除、大木构件打牮拨正、重新整修椽望木基层、重新苫背瓦瓦、补配更换木地梁、前檐砖墙拆除重砌、东西两侧山墙与室内墙体维修、室内地面水泥砖拆除等项目内容。其中，南敌楼东南角顶部包砌部分开裂严重，对该部分进行了拆除重砌。由于当时南敌楼基部墙体的文物病害较小，整体保存状况稳定，因此未对南敌楼墙体进行保护维修。

1.1 南敌楼病害发育过程

2022年夏季我国长江流域遭遇了自1961年以来最严重的高温、干旱气候，与此同时，我国内蒙古、辽宁等北方省份降雨量却较往年明显偏多。目前气候变化已导致我国降雨呈现“南方不减、北方增加”“雨带北扩”的趋势。①2016年以来，嘉峪关地区年降水量也呈现增多趋势。2016年8月，嘉峪关市普降大到暴雨，关城坐落于嘉峪塬台地之上，雨量又多于市区。雨水自南敌楼屋顶排下后灌入下部墙体外包砌体内部，冲刷墙体，雨水从南敌楼东立面下部墙体裂隙处灌入，给墙体安全稳定造成了较大威胁。2019年11月，东立面墙体鼓胀越来越明显，东侧和南侧墙体出现近水平于地面的裂隙。至2020年4月，墙体最大鼓胀位置已凸出12厘米，严重威胁墙体安全。

出现严重病害之后，嘉峪关丝路（长城）文化研究院长城保护研究所工作人员为防止病害进一步发育导致险情出现，采取了木板与木柱的临时支护保护方式，并呈报上级主管部门。

1.2 病害成因分析

南敵楼为凸出城墙体的建筑，采用内部夯土外部包砖的建筑模式，外层包砖的建筑模式可以较好地保护内部夯土免遭风、雨等因素侵蚀破坏，但也极易出现包砖与夯土层黏结不紧密导致损坏的情况。南敌楼东立面出现的墙体裂隙使汇集的雨水可以渗入内部夯土层，经过长时间的雨水侵蚀，内部的夯土含水率上升，土体稳定性降低，缓慢移动的夯土层对下层土体造成堆积作用，挤压外层包砖，从而形成墙体的鼓胀以及裂隙发育。加之嘉峪关冬春之际昼夜温度变化剧烈，冻融循环加速了病害发育速度，从而在三四年之间出现较严重的墙体破坏。

2 嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程

在上级部门的关心和支持下，嘉峪关丝路（长城）文化研究院于2021年启动了嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程，工程开工日期为2021年8月16日，竣工日期为2021年11月16日，工程施工期（包括冬季停工期）共90日历天。

因南敌楼原有外层墙砖多有碎裂，强度较低，无法继续使用，因此施工方对南敌楼外层包砖进行了全部拆除，并制作新的包砖进行更换。拆除包砖后施工方调配适度的高模数硅酸盐溶液对墙体内部夯土层进行处理。经过高模数硅酸盐溶液处理后的土体，可形成一种致密的非晶态网状胶凝体，力学性能发生巨大变化。最终施工方选用模数为3.7～3.8、按质量百分比浓度计算，配制浓度为3%～5%的高模数硅酸盐溶液进行施工。同时同步制作以生土、改性土等为原料经人工夯锤压制而成的免烧改性砖坯，改性砖坯的组分主要有本地选取与城墙颜色相近的粉土、熟石灰和无机土体加固剂等。各个组分经过充分混合和搅拌可充分提升改性土的抗渗能力，也能起到提升黏结力以及增加强度、耐酸性、耐热性等理化性能的作用。施工方经过多次实验得到混合土料的最佳含水率为15%～20%。

在确定改性砖坯的组分配比之后施工方开始制作砖坯，对成品砖坯试验后发现符合设计强度，随后施工方开始制作改性砖坯并运用于施工。为强化夯土墙体与砌补砖坯间的黏结力，施工方还采用梅花形布置的麻丝缠绕的木锚钉连接。在外包砖坯砌筑的同时，对外包砖墙与原土墙之间的缝隙采用改性土泥浆进行灌注充填，确保外包砖墙与原土体贴合接触，进一步加强夯土层与包砖层之间的黏结性。

在做好嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养的同时，也需要解决南敌楼排水问题。由于南敌楼下部墙体凸出于屋檐1.84米，大量雨水经南敌楼汇水后冲刷下部墙体造成破坏。于是沿屋檐下部设置一道排水槽，将屋顶排水引至东北角和西北角沿城墙排下，城墙下设排水暗沟，将雨水引入现有排水沟。同时为避免墙下雨水汇集浸泡墙脚，造成砖坯墙体软化，结构失稳，施工方在南敌楼墙体周围增加散水设计，散水采用三七灰土夯筑，工程完成后，在南敌楼东、南、西三面铺设10厘米厚的戈壁碎石，碎石直径为1～3厘米。

嘉峪关关城南敌楼墙体保养维护工程措施主要有土坯墙体拆除、原夯土墙体加固、外包土坯墙体重砌、屋檐排水设施安装、墙体稳定性监测等。嘉峪关关城南敌楼墙体保养维护工程在多方努力和积极配合之下很好地完成了当初预定的施工目标，推动了嘉峪关长城保护、传承工作高质量发展。

3 监测中心同步开展施工前与施工后监测

在知晓嘉峪关关城南敌楼要开展墙体维护保养工程后，嘉峪关丝路（长城）文化研究院长城保护研究所与文化遗产监测中心协同开展工程施工前的监测工作，利用无人机、全站仪、远距离裂缝观测仪、游标卡尺、花竿、三维扫描仪等设备测绘记录了南敌楼病害的各项数据。根据勘察情况，查清外包墙体厚度及结构情况、墙体鼓胀情况，使用钢丝对空鼓部位进行了探查，钢丝长度为76.3厘米。包砌体与原墙体普遍存在8～10厘米缝隙，东墙下部鼓出6～12厘米，南墙下部鼓出6～10厘米，南墙上部鼓出4～6厘米。如图1和图2所示，利用花竿记录南敌楼東立面墙体鼓胀凸出的基础数据。

南敌楼高约9米，上部裂隙病害情况无法使用手持相机进行记录，因此长城保护研究所使用大疆无人机对南敌楼东立面上部裂隙进行拍照记录。经过大疆软件处理后得到南敌楼东立面上部裂隙（图3）长度为230厘米，裂隙宽度为2～8毫米；东立面中段裂缝（图4）为卸荷裂隙，位于南敌楼中部混凝土圈梁下方，裂隙长度为138厘米，裂隙宽度为2～6毫米。部分裂隙则采用远距离裂隙观测仪（图5）来实现监测，测得南敌楼南立面上部裂隙长2206厘米，宽2～5毫米。

全站仪、远距离裂缝观测仪、花竿（图6）和游标卡尺作为监测设备能够很好地用来开展各项监测工作，但从土遗址病害记录的角度来看也仅仅局限于某一具体点位的描述，并不具备整体记录的可能，因此在实际监测工作开展时按照各类监测设备的特性设计监测方案，通过优势组合的方式来协同工作，进而达到运用监测数据数字化描绘监测本体的目的。三维激光扫描仪的特点是可以用激光扫描物体表面后记录的点云数据来宏观描绘监测本体的基本情况，用计算机处理点云数据后可构建三维数字模型，通过三维模型的对比来观察工程维修前后南敌楼整体变化情况。三维激光扫描仪的优势是能够精准、高效地开展扫描作业且优于人工测量的方式。

三维激光扫描技术分为三维点云数据采集和数据处理两大部分。文化遗产监测中心基于现有的Leica C10三维激光扫描仪制定与本次应用场景相匹配的扫描方案。为更好地展现病害区域的诸多细节，扫描方案拟采用超高精度模式对南敌楼东立面、南立面和西立面进行扫描。为找寻工作量与工作精度之间的平衡点，方案设定测站与测站之间需要有30%的扫描区域重合，为降低点云拼接误差，每个测站设置7个标靶球，共需要进行6个测站的扫描。测站与测站之间的距离确定为20米，每次换站需要确保有4个标靶球作为公共标靶球。完成方案设计并多次实地操作之后最终获得了嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程维修前的三维点云数据。后期运用Geomagic Sudio软件对点云数据进行降噪、抽析、拼接等操作，并查看点云数据拼接精度报告确定是否符合精度要求，最终制作完成维修前的三维模型。

嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程完成后，2022年5月，文化遗产监测中心组织力量对维修后的南敌楼开展维修后的三维扫描作业，第二次扫描作业遵循第一次扫描的监测方案，并在完成后构建三维扫描的数据模型。通过构建模型的点云数据对比可获得南敌楼东立面、南立面和西立面的具体变化情况。图7和图8是南敌楼2021年和2022年点云数据对比图。其中图7是南敌楼东立面点云数据对比，从图中可看到绿色部分是2022年的点云数据图，青色部分是2021年和2022年点云数据存在差异的地方，重点集中在东立面圈梁下方受到雨水侵入和浸泡的区域，经过计算机软件测算可得该区域面积为6.3745平方米。图7右边图例标识了两次点云数据变化数据差异，可见变化范围为-0.0040～-0.0010米，部分破坏较明显裂隙边缘为-0.0070米，整体维修后很好地修复了嘉峪关关城南敌楼东立面下端鼓胀区域，从点云数据来看变化区域正好是病害最严重区域。图8是南敌楼西立面点云数据对比图，与图7变化情况基本一致，排水管附近区域变化量集中为-0.0040米～-0.0010米，从结果来看，维修区域得到了很好的修复。

4 结语

多学科联合开展学术研究已经成为文物保护领域的新常态，运用其他行业成熟先进的技术手段对文物行业传统工作方式进行迭代，能够显著提升工作效率。本次针对嘉峪关关城南敌楼墙体维护保养工程开展的监测工作运用了多种便携式监测设备，成功地使用三维扫描仪、远距离裂缝观测仪、全站仪、花竿等监测设备协同开展监测作业，获得了南敌楼在维修前后的点、线、面、体监测数据，这些宝贵的数据将南敌楼历史中的某片段定格并保存，对今后文保工作数据积累意义重大。

注释

①陈国宁.中国是全球气候变化敏感区[J].生态经济，2022，38（10）：9-12.