基于有限元分析的园林假山遗产病害监测与结构性保护研究

摘要：【目的】以有限元分析寻求假山山体主要损伤的详细定位，为中国园林假山结构性保护研究提供新的视角。进一步推动假山定量研究及科学保护的发展，从而提升中国古典园林假山遗产保护手段的科学性和精确性。【方法】在三维激光扫描技术基础上，提出两种针对假山类复杂模型的建模方式。以有限元为假山遗产保护研究切入点，以整体假山作为研究对象，应用两种假山力学模型进行数值模拟。【结果】分别对四大名石及何园黄石假山作数值模拟分析，得出四大名石和黄石假山主应力、剪切应力及应变云图，明确最大值及其具体位置，进一步确定假山遗产结构受力薄弱点和重点监测区域。【结论】此方法对于假山这一复杂形体造园要素的预防性保护具有重要意义，可将尚未出现明显结构破坏的假山纳入监测保护体系中。

关键词：园林遗产保护；假山遗产；有限元；结构性保护；病害监测

中图分类号：S731；TU986""""" 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）06-0252-08

Research on the" disease monitoring and structural protection of garden rockery" heritage based on an finite element analysis

ZHANG Qingping， WANG Cencen，ZHANG Xiaodong

（College of Landscape Architecture，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

Abstract： 【Objective】 This study provides a new perspective on the research of structural protection for Chinese garden rockeries， utilizing the finite element method as a research tool. It aims to determine the primary damage locations within rockeries. This research further advances the methods and technologies for quantitative analysis and scientific preservation of rockeries， enhancing the scientific rigor and precision of rockery heritage protection methods in Chinese classical gardens.【Method】Based on a three-dimensional laser scanning technology， this study proposes two modeling methods for complex structures such as rockeries. Starting with finite elements in the rockery heritage protection research and considering the entire rockery as the research object， two types of mechanical models of rockeries are developed for numerical simulation.【result】An numerical simulation analysis is conducted on the four famous stones and the Heyuan Huangshi rockery， resulting in the main stress cloud map， shear stress cloud map， and strain cloud map for these elements. This analysis clarified the maximum values and their precise locations， further identifying the stress vulnerabilities and critical monitoring areas within the rockery heritage structure.【Conclusion】This method provides significant value for the preventive protection of rockeries， a complex gardening element. The monitoring and protection system should not exclude rockeries without apparent structural damage.

Keywords：conservation of garden heritage; rockery heritage; Ansys; structural protection; disease monitoring

中国古典园林是世界文化遗产中的瑰宝，也是中国古代灿烂文明的艺术结晶。假山作为中国古典园林中不可或缺的造景元素，是其独特的艺术标志，也是园林遗产价值的核心载体。但从苏州怡园假山山体的坍塌[1]、狮子林湖石驳岸裂缝持续扩大、环秀山庄假山不均匀沉降及开裂等案例来看，假山的结构性保护迫在眉睫。现阶段已有学者针对假山遗产保护进行研究，张青萍等[2]将假山视为石质文物，提出假山病害分类及预防性保护措施，建立一套江南私家园林假山预防性保护体系；顾凯等[3]从意境和匠师层面探讨中国园林遗产中假山维修的目标与方法。此外，部分学者从三维技术角度，对假山山体的进行动态监测或建立假山三维数据库，梁慧琳[4]运用多种三维数字化测绘技术协同采集空间信息，对环秀山庄假山进行测绘和多角度解析；程洪福等[5]对环秀山庄假山遗产开展综合性动态监测，为假山遗产保护提供了动态数据。综合来看，当前假山遗产保护研究尚不成体系，研究内容多聚焦于假山的病害监测、保护体系、艺术意境等文化价值方面，鲜少提及山石具体的结构性保护。

现阶段假山监测对象都是出现明显破坏的假山，如对假山的裂缝、沉降、风化进行动态监测，但对于尚未出现明显结构破坏的假山并没有纳入监测目标中。初步推测原因为假山内部结构复杂，体量庞大，难以明确聚焦具体监测位置，如若进行整体性规模监测将耗费大量精力。近年来，有限元在建筑遗产保护领域中已有广泛运用。主要体现在对砖石建筑等文化遗产的监测，利用有限元软件对研究模型进行仿真分析。明确结构重点监测部位后，进行针对性的监测保护工作。如运用有限元模型研究圣玛尔塔教堂产生裂缝和变形的原因[6]；应用有限元分析软件分析陕西眉县净光寺塔现状应力、受力情况以及对危险部位分析[7]。针对假山遗产监测来说，有学者利用Ansys有限元软件讨论了叠山技艺数值模拟建模研究方法，提出分析路径[8]。通过三维数字化测绘技术对研究对象形变进行可视化处理[9-10]；或通过对研究对象三维模型施加不同荷载，进行有限元数值模拟分析[11]；或利用多种结构监测系统对建筑遗产进行长期监测，从而获得多方位数据[12]。目前研究集中在通过数字化测绘建立假山三维模型数据库，从而将假山遗产可视化；或是对假山裂缝及沉降进行专项监测。

但并未将力学模型分析结果与实际假山保护相联系。笔者将有限元法引入假山遗产保护中，通过有限元分析与假山可视化模型结合，聚焦假山监测位置，提高监测假山的精确度。对于假山遗产保护与修复、完善假山遗产监测基础数据库等方面具有重要的参考意义。

1 材料与方法

1.1 基础数据的获取

1.1.1 假山三维数据获取

南京林业大学园林遗产保护团队已对包含9个世界文化遗产在内的江南地区12个著名私家园林，使用手持激光扫描仪Geo Slam" Zeb-Horizon和Trimble-TX8型三维激光扫描仪进行三维扫描，通过软件Trimble Real Works 11.2 对采集的点云数据进行配准；并使用无人机 Phantom4 Pro V2.0对园区进行拍摄，使用Pix4d进行平面处理，最终得到园子整体平面图和假山的三维点云数据。

笔者选取扬州何园黄石假山及江南四大名石进行三维激光扫描，利用Trimble RealWorks软件进行点云数据配准及合并。因本研究的研究对象为假山遗产，对已拼合好的点云数据的噪点、孤点、假山以外多余的数据进行自动过滤删除或者手动清除等工作，以此获得假山完整的三维点云数据（图1）。

1.1.2 假山建模方式研究

由于假山结构复杂，形态变化丰富，传统实体建模效果并不理想。笔者基于点云数据，提出2种针对假山模型的建模方法（表1）。第1种建模方法是在Trimble Real Works软件中选择封装工具对假山点云进行三角面拟合以此建成实体模型，但由于自动生成的三角面模型孔洞较多，需人为进行孔洞修补及封面。将生成的面模型从 Trimble Realworks导入至Geomagic Studio 软件中，对假山三角面模型中存在的孔洞使用孔洞填充工具进行逐个填补和修复。最终获取相对完整的假山面模型（图2a）。此方法建模对纹理、颜色等形态特征的分析支持稍显不足，不过该方法的建模精度较高，常用于3D打印及精细化测量等。第2种建模方式是使用 Agisoft Photoscan Professional软件处理三维点云数据，可以赋予模型纹理信息，最终获得带有真实色彩和纹理的假山模型（图2b）。方法2可较好地还原假山颜色、纹理、形态等特征，但获取的三维模型数据精度不如方法1高，常用于测量、记录和模型展示等。由于本研究重点并不在于还原假山的表面纹理形态，而更关注假山的整体复杂结构，故选择第1种建模方式。从最终模型可以看出，虽然局部因点云密度不够，在建模时与实际假山略有出入，但从整体上来说模型1可以还原实际假山的基本结构和几何形态。

1.1.3 假山基本材料属性

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，可以对结构的偏移与其应力影响的过程进行预测。操作过程是通过单元划分实际结构模型，给予边界条件和已知荷载来求得单元节点的位移、应变和应力。笔者利用Abaqus有限元软件，将受力分析引入假山遗产保护研究中。本研究内容主要集中于湖石假山、黄石假山及英石假山，查阅文献确定典型的假山石材（石灰岩、砂岩）的材料性能[13-15]，为Abaqus力学分析积累基本参数，得到材料参数见表2。可以看出石材间的基本物理性质相差不大。此外，每座假山所用石材种类及基本性能不完全一致，但各假山石材物理力学性质的探究不作为本研究的重点内容，只做研究方法的一个普遍性探讨。且在堆叠假山过程中常常对山石接缝处进行勾缝处理，以此加强假山的整体感，但此步骤不涉及假山的结构稳定。因此本研究不考虑假山内部的各类黏合剂影响。

2 结果与分析

2.1 整体假山裂缝勘查与力学分析

研究前笔者对江南园林假山进行实地勘查，发现多个园林中假山均出现明显裂缝，包括小型景观置石、假山驳岸以及大型假山山体（表3）。结果可见，湖石假山裂缝情况较为严重，且可供游人攀登的大型假山山脚处均出现明显裂缝，为考虑游人安全，管理部门已禁止游人攀登游览。以此为基础，笔者以假山功能将其分为两种类型。一类为小型景观置石，此类假山体量不大，由独立石峰或叠石组成，以观景为主要功能。此类置石仅考虑山体自身质量并不考虑其他人为受力。二是具备一定的登游、居所功能的大型山体，此类假山内部结构复杂、体量庞大，除了自身质量外往往需要额外承受大量游人或建筑荷载。

2.2 景观置石的力学分析

由于园林中赏石形状高度不规则、周围空间复杂，需要使用多种设备协同采集空间信息。本研究使用Trimble-TX8采集对象主体及周围空间的点云信息，以精度1 mm进行水平环绕扫描。使用Geo Slam" Zeb Horizon手持式扫描仪（英国）进行补充扫描，精度为1～3 cm，围绕主体进行近距离、不规则路径扫描，可采集主体细部孔洞特征，同时有效避开周围乔灌木和建筑的遮挡。后对四大名石进行点云拼合处理、建模。最终获得四大名石三维点云数据和完整模型，结果见表4。

由于假山模型体积较大且网格面极多，进入Abaqus中计算会耗费巨大的计算机资源，所以需要将模型导入前处理软件ANSA中，对其进行预处理工作，缩减网格数量。以冠云峰为例，建模后得到初级模型面网格数量为3 917 690个，模型能够精确还原石块表面空洞及纹理。网格缩减以保持石块本身几何形态为原则，缩减到合适的面网格数量。以初级模型为原型，缩减90%网格数量，得到具有378 232面网格的首次缩减模型；第1次缩减后模型仅表面纹理产生虚化，结构形态未发生明显变化，于是继续对其进行缩减。第2次缩减后网格数量为103 740；第3次缩减到37 796面网格模型（图3）。由图3可看出模型几乎丢失表面纹理特征，但仍保留初级模型的几何形态。故以第3次网格缩减为最终简化模型进行计算，既保留精度又减少了计算量。

将网格缩减后的模型导入Abaqus后，对模型进行网格质量检查，保证网格质量后设置参数。其中参数设置包括2个方面，一是输入材料参数，二是施加荷载。材料参数中选定密度、弹性和脆性裂纹3种，根据表2输入对应数值。由于本研究中对假山遗产的保护研究不涉及其他外力因素，荷载设置为山体本身的质量，对模型整体施加重力加速度9.8 m/s2，基座设置为固定约束。最后设置显示动力学分析步，对其进行求解。求解结果如表4所示。

最终结果通过应变云图和应力云图进行可视化展示，应力为单位面积上作用的力，应变为物体变形程度的量。由表4可知四大名石均出现明显的应力及应变集中区域。由于石头本身形态各异，集中点也不尽相同，具体数值及最大应力应变位置见表5。通过对假山模型进行数值模拟仿真分析，可以分别确定四大名石的重点监测位置。其中最大应力及应变位置大多集中在石体空洞较细部位，与实际中峰石产生裂隙位置相吻合。应集中人力物力在假山局部区域进行监测管理，更好地开展假山遗产的监测保护工作。

2.3 假山山洞

古典园林山洞由于内部结构复杂，难以分割，堆叠工序复杂，一直是假山研究的重点内容[16]。对江南园林假山遗产石体调研中发现多处假山山洞均出现明显裂缝，且底部具有支撑作用的石块以及山洞顶部的过梁石裂隙情况较为严重。目前，大多数假山山洞面向游客开放，具有可游、可登的功能。而大量游人攀爬、登游穿行等活动是否会导致承重石材开裂、已有裂缝扩大导致山石松动脱落等结构安全性问题，是假山保护及维修中的重点内容。

本研究选取何园西园的黄石假山作为研究对象（图2），以此增加样本的丰富度。此山全部建立在陆地之上，主体由黄石堆叠而成，伴有少许土方结构，假山中植物较为茂盛。本研究聚焦于黄石假山山洞主体，暂不考虑东侧湖石假山和过道类山洞对其影响。目前山体保存较好，未见明显山体裂隙。

对于何园西园黄石假山来说，游人登游停留活动往往围绕山前石径、山洞内部及山顶平面展开。而仅在山顶处，游人质量才会对假山产生荷载影响。故为探究大量游人登山对山体造成荷载压力影响，利用Trimble Real Works 软件对山顶平台表面积进行估算推算出山顶可容纳最大人数，并设置相应人体自重荷载。以1m2/人进行计算，得出此黄石假山山顶最大限度可容纳人数约为14人，按65 kg/人对假山山顶平面进行荷载叠加，以此来建立新的受力模型。此外建立仅受重力的假山山体受力模型与之对比。求解结果如图4显示。计算结果表明两种受力模式下，需重点关注监测的假山部位均在黄石假山东侧山脚部分，但分布位置并不相同。在仅受假山自身质量的情况下，应力最大值处于正面山洞东侧山脚处（图4）；在承载巨大人流量的荷载情况下，应力最大值位于侧面山洞靠墙山脚处（图5）。两处部位均出现细小裂缝，且黏合剂开始剥落。故此后应对这两处部位进行针对性监测与重点排查工作。

3 讨 论

近年来，中国古典园林假山遗产保护方面的问题逐渐受到高度重视。但现阶段针对假山的保护大多停留在抢救性保护阶段，主要是通过对已出现严重破坏的假山进行工程修复，对于假山的结构性保护及预防性保护研究较少。本研究以有限元分析为假山遗产保护研究的切入点，以是否承受额外游人及构筑物荷载为依据，将假山划分为2种力学模型进行数值模拟，提供假山山体主要损伤部位的详细定位，明确假山遗产重点监测部位。这对于假山这一复杂形体造园要素的预防性保护具有重要意义。

在砖石建筑文物保护中，现已有研究结合有限元技术将砖石建筑裂缝进行可视化存档工作[16-17]。后续假山研究也可结合有限元仿真模型与监控系统，判断目前假山裂缝的演变趋势以及日后可能产生裂缝的若干情况。对于某些结构不稳定的假山，结合有限元仿真模拟可对其结构体系进行科学的加固与修复。同时也可结合红外热成像、三维扫描、人工实地勘察等方式对假山裂缝进行监测，进一步清楚地观测到假山破坏和局部沉降情况，并对裂隙损伤产生的原因进行详细分析，为假山遗产的保护提出指导性建议。有限元技术虽然具有高效性和科学性，为假山结构保护注入了新的活力，但有限元模拟对假山结构的研究尚处于探索阶段，还需要继续深入、科学地进行研究与探讨，以便为有效深入地推进假山遗产保护做出贡献。

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（责任编辑 吴祝华）