朱宇華, 徐 睦, 乜小珂

(北京建筑大學 建筑與城市規(guī)劃學院， 北京 100044)

1 影響城臺及城樓建筑的病害

1.1 古建筑病害的普遍性

中國的古建筑主要以磚石和木質梁架為主要結構體系，在帶來卓越的科學價值與輝煌藝術成就的同時，材料特質和特性也決定了其保存難度大，并且往往伴隨著病害的產生[1]。木結構部分的殘損主要包括糟朽、蟲蛀、開裂、劈裂、脫榫、歪閃等，磚石的殘損主要包括風化、酥堿、空鼓、裂縫、變形等[2]。這些殘損一旦產生則會對建筑整體的結構穩(wěn)定性產生不同程度的破壞，對文化及相關研究領域的損失不可估量，因此必須貫徹落實文物建筑結構監(jiān)測工作，以便適時采用人為干預手段，將建筑本體產生結構問題的風險降至最低[3]。

1.2 城樓及城臺建筑病害的特殊性

城樓及城臺建筑結構的特殊性決定了其殘損病害的特殊性，主要表現在以下兩方面。首先，城樓及城臺建筑是木結構與磚石建筑的復合體，且磚石部分與外界環(huán)境接觸面積較大，因此自然環(huán)境會對城臺及城樓的磚石部分產生更大的影響，具體表現在風化、酥堿、空鼓等方面。其次，城樓建筑普遍占地面積大且地勢較高，自然環(huán)境以及人為因素產生的震動會對建筑本體產生較大的威脅，進而對該類建筑的結構體系造成不同程度的破壞。為有效解決城樓及城臺建筑潛在的結構安全問題，需要采用行之有效的技術手段與方法策略。

2 三維激光掃描與變形監(jiān)測

三維激光掃描在文物建筑監(jiān)測領域，更多的是將掃描成果作為數據留存，缺乏對數據本身的再利用。與此同時，儀器的多樣化以及工程需求的差異化也導致了不同項目之間的技術路線缺乏相互借鑒的意義。因此，探尋三維激光掃描技術在文物建筑監(jiān)測領域的普適化應用方法是十分必要的。

2.1 三維激光掃描技術的工作原理

三維激光掃描主要是利用激光測距的原理，通過機體內部發(fā)射脈沖至監(jiān)測目標，從而記錄監(jiān)測對象表面游離密集點的三維坐標、紋理、反射率等信息，進而記錄監(jiān)測對象的三維空間坐標[4]。

2.2 三維激光掃描技術的優(yōu)勢

相較于傳統測量方式，三維激光掃描技術可以更加高效、準確地復建出監(jiān)測目標的三維模型信息以及由點到面的各種圖件信息，克服了傳統技術手段的片面性。該技術在文物建筑結構變形監(jiān)測領域的優(yōu)勢主要可以概括以下4點：第一，高速性。三維激光掃描可以在單位時間內通過脈沖信號記錄更多監(jiān)測目標的三維空間信息，從而大幅度壓縮了測繪過程中產生的時間成本。第二，無損性。三維激光掃描利用脈沖原理獲取監(jiān)測目標外部形態(tài)信息，不會對監(jiān)測對象的現狀產生影響，能夠在最小干預的情況下保護監(jiān)測對象的真實性與完整性。第三，穿透性。文物建筑的主體結構多為木質梁架結構，三維激光可以穿透梁架的縫隙從而記錄多層次的空間維度信息，進而有效解決文物建筑梁架結構的復雜性問題。第四，準確性。三維激光掃描通過鋪設密集的點云矩陣，在可控范圍內規(guī)避了外部因素所造成的干擾，確保了監(jiān)測對象信息獲取的準確性[5]。

2.3 三維激光掃描技術運用的意義

城臺建筑地勢較高、建筑體量大，常為多層建筑且內部梁架位置較高，傳統的測量方式無法準確且快速地獲得全部空間信息。同時，城樓及城臺建筑內部梁架空間較為復雜，其結構的復雜性決定了對測量工具的測量準確性需求更高。相較于傳統的測量方式，三維激光掃描在測量分析結構問題方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。一是體現在其能夠在確保數據準確性的同時，可以輕易獲取視線可達但卻不易測量的目標的位置數據；二是體現在其可以用于分析處理2個不同高度維度的平面，實現三維模型向二維可視化圖像的轉化。三維激光掃描技術在高效、準確獲取監(jiān)測目標的外部信息的同時，又能防止對該類建筑的殘損部分進行二次破壞，既保障了城臺建筑的真實性與完整性，又為預防性保護工作提供了良好的基礎保障。

綜上所述，三維激光技術能夠滿足文物建筑結構變形監(jiān)測的基本需求，以三維激光掃描技術為主導，輔以傳統測量手段可以有效解決城樓及城臺類建筑中的結構安全監(jiān)測問題，并豐富其成果的表現形式，符合我國對文物建筑保護的客觀需求。

3 德勝門箭樓實例分析

3.1 德勝門箭樓現狀簡介

德勝門箭樓建筑群坐落在北京二環(huán)中路，存箭樓和城圈內的真武廟現為北京市古代錢幣展覽館使用。德勝門箭樓始建于明正統元年(1436年)，矗立在雄厚的墩臺上，平面呈凸字形。城臺高12.5 m，墻體有收分，東西寬約39.5 m。箭樓坐南朝北，灰筒瓦綠剪邊重檐歇山頂。前樓后廈合為一體，3座過梁式門朝南開。北側樓體面闊7間，東西寬34.0 m，南北寬12.0 m。南側廡座面闊5間，東西寬25.0 m，南北寬7.6 m，通進深為19.6 m，樓體高19.3 m。該建筑于2006被公布為第六批全國重點文物保護單位。

3.2 儀器的選擇及作業(yè)流程

本次作業(yè)步驟主要包括數據采集、點云配準2個部分。為解決德勝門箭樓建筑跨度大、地勢較高等問題，本次作業(yè)數據采集選擇的儀器是RIEGL VZ- 400[6]，其系統的主要技術參數如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀主要技術參數

點云的配準主要使用RIGEL的配套軟件RISCANPRO，使用該軟件可以高效完成點云的配準工作(圖2)。

圖2 點云數據配準成果展示

3.3 三維激光掃描技術在德勝門箭樓結構監(jiān)測系統中的運用

文物建筑結構監(jiān)測系統的發(fā)展階段現處于一種由人為主觀的巡查向自動化在線監(jiān)測轉變的階段。傳統的人工技術手段有著其固有的弊端，但自動化的監(jiān)測則無法最大效率的實現技術手段向應用成果的轉化，而三維激光掃描技術可以在二者之間起到一定的過渡連接作用，具體運用如下。

3.3.1 輔助繪制法式圖紙

通過三維激光掃描技術可以準確且高效地實現由三維數據向AutoCAD矢量工程圖的轉化，形成完整的法式圖紙。在為文物保護工作提供特定時期的二維圖像資料留存的同時，確保了初始數據的準確性與完整性。通過測量德勝門點云關鍵部位的數據，折合營造尺，計算吻合率，復原初建時的原始數據并繪制其理想狀態(tài)，隨后可將此理想狀態(tài)作為后續(xù)分析的參照(表1)。

表1 德勝門箭樓數據復原

以折合營造尺之后的數據為標準，繪制德勝門箭樓的法式圖紙(圖3)。

圖3 德勝門箭樓法式圖紙成果展示

3.3.2 分析現存結構問題

通過將點云剖切面與法式圖紙疊放處理，可以更加清晰且直觀地判斷梁架結構的變形特征。

第一，梁架變形分析。具體操作方法是將處理好的點云梁架剖切面與法式圖紙剖面圖以柱腳為基準對齊，沿點云剖切面梁架外邊線擬合矩形，隨后隱藏點云梁架剖切面，分析對比擬合得到的矩形與法式圖紙中梁架的相對位置關系，通過測量二者沿垂直方向的差值來推導梁架的形變量，并整理成表格(表2)。將梁架由西至東按A～F命名，以A榀梁架為例，將A榀梁架的點云剖切面與法式圖紙疊加，以脊檁為基本參照點對齊，提取出點云剖切面的梁架線(圖4)。二者對比分析可得：三架梁自北向南偏移16.3 mm，五架梁自北向南偏移26.6 mm，七架梁自北向南偏移35.5 mm。

表2 A- F榀梁架的形變分析

圖4 A榀梁架結構變形分析

第二，立柱變形分析。立柱變形分析是通過截取拼合、去冗過后的三維點云模型，提取目標范圍內的立柱截面，自上而下觀察，通過畫圓的方式擬合出目標立柱柱頭及柱腳的中心點坐標，進而通過測量分析二者中心點坐標的相對位置，推導得出立柱的傾斜量及傾斜方向[7]，并整理成表格(表3)。以A、B榀梁架為例，提取目標范圍內的點云截面后，擬合出柱頭及柱腳的圓心，柱頭用藍色圓圈表示，柱腳用紅色圓圈表示。進而通過測量圓心間距可知，A榀梁架自北向南偏移6.0 mm，B榀梁架自北向南偏移60.1 mm(圖5)。

表3 A- F榀梁架柱子的形變分析

圖5 A、B榀梁架立柱結構變形分析

3.3.3 建立有限元模型確定預警閾值

結構的預警閾值是該結構所承受力的相對極限值，是反映該結構穩(wěn)定性的重要指標，要做到及時預警就需要設定合理的預警閾值。本次預警閾值的確定主要依托于有限元分析法，即將目標分解成有限的單元，通過模擬材質、載荷等因素分析目標的力學性質。以德勝門箭樓為例，具體分析方式分為以下步驟：

第一，以三維激光掃描技術獲取的點云數據為基準，通過Solidworks軟件進行建模。在建模過程中需要對斗拱及屋面進行簡化處理，并剔除外層維護結構，保留主體結構部分。

第二，將結構模型導入ABAQUS軟件，以網格形式將其分為有限的單元(圖6)，之后賦予各構件材質以及各部位的荷載與約束(圖7)。第三，模擬該結構模型在自重荷載下的變形，即該結構模型在自重荷載的影響下結構位移的整體趨勢(圖8)。根據計算結果顯示，該模型最大位移值(SMK)為14.883 3 mm，而此數值及該數值對應的極限結構荷載值均可以作為監(jiān)測的預警閾值參考。

圖6 德勝門箭樓結構有限元模型

圖7 德勝門箭樓結構有限元荷載與約束

圖8 德勝門箭樓有限元模型靜載變形

4 結論

綜上所述，本文嘗試以德勝門箭樓為例，提出三維激光掃描技術在城臺及城樓類建筑結構監(jiān)測中的應用方式，旨在為文物建筑的結構變形監(jiān)測提供研究技術路線的參考。

1)三維激光掃描技術可以有效解決古建筑結構的復雜性所導致的測量難度大、效率低等問題，克服了傳統測量手段的局限性，并且所獲取的數據相較于傳統測繪方法所得更加準確。

2)通過測量三維激光掃描技術所獲取的剖切面數據，可以以此作為德勝門箭樓法式復原的數據基礎，繪制出完整的法式圖紙。通過對比法式圖紙與點云剖切面，可以清晰地測量出德勝門箭樓結構的形變量。

3)以三維點云模型為基礎，可以復建出德勝門箭樓的有限元模型，并通過相關計算分析判斷該建筑的結構薄弱點及極限承載力，用作監(jiān)測預警閾值的參考。