浅析如何应用现代科技进行古建筑保护

顿明

摘要：近年来，国家对古建筑文化的保护越来越重视，诸多办法也应用到了古建筑保护中。随着科技的发展，在古建筑的保护中，现代科技的应用也逐渐多了起来。基于此，本文从科技角度出发，对古建筑保护中现代科技的应用进行了具体分析。

关键词：现代科技；古建筑；建筑保护

1 古建筑保护体系与科技技术体系框架概述

价值评估是古建筑保护的基础和主线，通过对保护对象的研究，确定保护对象所具有的主要价值，分析确定这些价值各个层面的特征，确定反映这些价值特征的物质载体，如特定时期的构件、独特的结构做法、特殊的构造处理、典型的风格、相关的附属文物等，然后根據对这些价值载体的现状评估，采取相应的保护措施，通过改善这些价值载体的保存状况，达到对古建筑价值和文化遗产物质遗存的有效保护和合理利用。由此当代古建筑保护学科构建出三个层面或领域的基本体系。依据此体系，当代保护科技可分为：即第一个层面是围绕价值发现、发掘领域的新技术；第二个层面是围绕价值保存、保护领域的新技术；第三个层面是围绕价值传播、利用领域的新技术。它们共同构成了新的保护技术体系框架。

2 利用现代科技保护文物建筑

在古建筑保护中，有石质文物、彩画、内装修的不同工艺等等的保护。所遵循的程序是：首先，分别保护对象的门类，研究提出现状记录标准。作为现状记录有一个总的要求，按照要求，把要调查记录的对象用实测图和照片完整地表现出来。然后把勘察所得文物的各类病害进行分类，逐类设计图标，标注在图纸上。最终文件是图文并茂的，有几类病害、到什么程度、占多大面积、一目了然。其次，根据勘察结果，进行病害机理研究。必要时进行取样，分析其材料成分、病害物质成分及其侵入文物的状况。再次，针对保护要求，试验、筛选保护材料，制定保护实施工艺。最后，小范围试验，验证试验结果，完成保护方案。

3 现代科技技术在古建筑保护中的应用

3.1 三维激光扫描技术的应用

3.1.1 三维激光扫描技术

作为20世纪90年代中期开始出现的一项高新技术，具有速度快、效益高、实时性强等特点，有效解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶。因此，它很快成为空间数据获取的一种重要技术手段。国内21世纪初，三维激光开始被应用于古建筑测绘领域，如用于故宫修复测绘，配合数码相机相结合对古建筑物进行快速三维重建等，实现古建的数字化存档，为研究中国古建筑史和建筑理论提供重要资料，也对发扬古建筑文化具有重要的社会意义。从研究成果中可以看出，与其它技术手段集成使用，三维激光在古建筑保护中相对于传统测绘手段而言更显示出其独特的、无法取代的优越性。

3.1.2 三维激光扫描原理与数据获取

（1） 三维激光扫描数学原理测量时，按激光脉冲所测的空间距离；再根据水平向和垂直向的步进角距值，计算出扫描点的三维坐标。

（2） 扫描数据处理采用徕卡三维激光扫描仪获取点云数据，利用其配套的后处理软件Cyclone，采用边界曲面自动拟合技术进行规则物体的自动建模，不规则曲面将其导入到不规则曲面建模软件中，不规则曲面建模软件运用逆向工程技术对曲面进行建模。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。

3.2 全站仪和GPS技术的应用

全站仪全名为全站型电子速测仪，是当前技术工作中的常用仪器。是一种集光学、机电为一体的高技术测量仪器，能够观测建筑物的水平角、距离、垂直角、高度差等，通过全站仪观测的数据，我们能够计算出任意观测点的坐标。全站仪在古建筑保护中的利用，能够测量古建筑的形状、大小和空间位置，还能绘制出古建筑的平面、立体面和剖面图。先进的全站仪中配置有马达自动照准目标，免棱镜全站仪还能够实现不瞄准测点，测距光束经过自然表面的反射后能够直接测量距离和坐标。立面测绘是古建筑测绘过程中的一大难题，免棱镜全站仪能够实现任意安置点，将棱镜的高设置为零后，瞄准古建筑的特征进行高度测量，得到各位置的高度标注在草图上。

GPS是全球定位系统的简称，GPS由终端用户设备、空间卫星和地面控系统三部分组成，并且具有全天候、高精度、全球性的特点，导航、定位也及时准确，通过GPS的动态和静态等定位方法，将GPS仪器与摄影仪比如RC30相互连接，再安装惯性导航系统，能够实现在航空摄影的瞬间，摄影中心的空间位置和摄影仪状态由GPS和惯性导航系统得到。GPS在古建筑保护中的应用，极大地简化了摄影测量户外控制工作，同时保证数据能够及时处理。

3.3 电脑软件CAD和Photoshop

当今世界上图像编辑最优秀的工具之一是Photoshop，是图像处理和平面设计的首选软件，于设计、广告、出版等领域已经广泛运用。随着普及数码相机，Photoshop也大量的被人们运用。

“电脑辅助设计”的简称是AutoCAD，当今最流行的软件之一是CAD即建筑工程设计绘图，它可以通过人机很方便的交流，进行图形绘制在计算机上，在计算机上表达出来我们心中所要绘制的图形图像。

一般彩绘和艺术大样在古建筑测绘过程中，常常是采集古建筑历史信息的重点，但是常常不能满足信息获取的全部要求的手工绘制草图，往往只能表达艺术彩绘和构件的形式，但是往往不能完全准确的表现出来他们的色彩和工艺信息，人们获取该信息常常通过数码相机拍照的方式，但是往往会有变形和倾斜的问题在拍到的照片上，恰恰Photoshop就是对该种问题处理的软件，它可以通过变换和斜切转动等方式，我们所想要的近乎实际情况的效果通过对照片处理来实现。通过Photoshop处理过的图像近乎不变形，在通过CAD时我们将“插入-光栅图像”导入CAD中，然后通过描图的方式，勾绘出来那些艺术彩绘和构件。

3.4 病害无损/微损检测技术应用

文化遗产的无损/微损检测技术是文保科学研究中重要的一个研究方向，也是保护过程中不可或缺的前期工作。快速、非/微接触、大面积扫描、多通道、自动化是无损/微损检测技术的优势。在文化遗产保护的严峻形势下，利用无损/微损检测分析病害问题，不仅提高了效率，还可以最大程度的避免人为因素的干扰和影响。以古建筑木构件的内部病害检测技术为例。以往多采用人工目测、敲击表面听声判断的方法，受制于操作者的经验，其结果偏差较大。运用X射线摄影虽能快速检测内部病害状况，但设备笨重、辐射强，现场应用困难。非金属超声波仪采用表面接触式检测，但超声波探头与物体间需使用耦合剂，不适用于检测表面附着壁画、彩绘的情况。而应力波仪和微钻阻力仪的配合使用不仅可以对木构件内部病害状况进行准确判断，其数据还可用于预测木构件弹性模量、抗压抗弯强度等力学性能，为木结构的安全性评价提供依据。

对于古建筑的磚石构件则采用断层超声成像仪、地质雷达、Tersis仪等，可定性及定量检测其表面及内部的病害残损状况。

3.5 无损监测技术应用

病害监测技术是预防性的保护模式，是认识文化遗产褪变过程及时发现其安全隐患的基本方法。通过整合计算机技术、信息传输技术、传感技术、数据库技术、GIS技术、多媒体技术等手段，建立能够完整、持续的采集传输相关信息数据的物联网系统。该系统通过多种方法监测古建筑各主要结点的空间存在状态、属性变化，以及周边环境的变化，如古建筑的基础稳定性、承重结构受力、梁架结构变形、屋面外观完整性、彩绘壁画，包括：裂隙、沉降、石基风化、受力、开裂、虫蛀、变形、倾斜、断裂，彩绘或壁画的龟裂、褪色、风化、人为损坏等。继而应用动态有限元模型分析技术、结构损伤识别理论、智能化传感系统和信号处理技术等。实现了监测数据（线上）诊断预警和（线下）专家处理，同时揭示出变化规律（趋势）及形成因素，做为古建筑进一步保护措施的依据。

具体来说：监测裂隙采用光纤光栅裂隙传感器；监测沉降采用定点式剖面沉降压力计；监测受力采用光纤光栅应变传感器；监测梁架变形采用光纤光栅位移传感器；监测柱墙倾斜采用光纤光栅倾角传感器；监测石基风化、屋面外观和表面变化痕迹采用工业照相机；监测白蚁等虫害采用微波雷达仪等。另外针对古建筑整体或局部沉降、位移以及材料表面残损程度等的监测，配合三维激光扫描，依具体情况，以数月至数年一次为宜。对于古建筑材料内部病害方面的监测则配合无损/微损检测，亦以数月至数年一次为宜。

3.6 现代消防技术在古建筑保护中的应用

在火灾发生时，作为火灾自动报警装置系统的组成部分之一的火灾探测器通过将火灾产生的高热量、烟雾以及火焰等物理量转变成电信号，然后传输到火灾报警控制器，同时还能够显示出火灾发生的地点、时间等要素，便于消防人员及时发现火灾、及时展开灭火、抢救工作。火灾自动报警装置系统由火灾报警装置、触发装置、火灾警报装置以及其他辅助性装置所组成，能够实现第一时间发现火灾、第一时间进行扑救工作。火焰探测器和触发器以及感温器的组合能够有效提高火灾自动报警装置系统的可靠性，减少漏报现象的发生，有利于及时控制火灾，在古建筑消防保护中发挥着重要的作用。也因此，火灾自动报警装置系统被广泛运用于国家各大重点文物保护场所，事实证明，其可靠性高。在进行安装火灾自动报警装置系统时，要注意将探测器水平安装，如果因建筑物特点需要倾斜安装，则必须借助木台，将探测器设置在木台上进行安装。同时，探测器不宜安装太高，因为探测器超过一定的安装高度就失去了探测性能，无法准确探测火灾，在安装时要确保合理的安装高度。如果是比较高大的建筑物，则可以使用具有高灵敏度的探测器，防止火灾漏报或者误报现象的发生。在进行火灾自动报警装置系统的安装工作时，要将建筑物中每一个重要的场所划分为独立的防火分区，设置手动火灾报警按钮和火灾探测器，以便于及时报警。区域警报控制器要设置在值班室，便于值班人员及时发现火灾情况。自动报警装置系统应该设置备用电源和主电源，同时要注意建筑内部的传输线路要按照规定进行合理布线，避免影响建筑外观。在使用现代消防技术时要保证古建筑结构的整体形象以及完整性，要以保护为前提进行合理保护。

4 现代科技新型材料对古建筑的保护

4.1 纳米材料

纳米材料是一种比较火的新型材料，运用于多个领域，而在古建筑保护领域中纳米材料也有很好的发挥之地。由于纳米材料每个颗粒很小因此其表面的孔洞较多，而且表面积相应的比较大，吸附能力就强，能够对古建筑起到保护作用，例如在华严寺的一些光照较强或者腐蚀性较重的地方，使用纳米材料加入到油漆中，能够很好的抵抗紫外线的照射及大气的腐蚀。不仅如此，纳米材料有广泛的光学性能，其能够从紫外波段延伸到红外波段的光学透射频率也是很有利用价值的，因此可以让木材具有抗腐蚀抗菌的特效。例如利用改性的二氧化硅在华严寺中的木材结构中，能够有效的使木材具有抗菌性，或者在防虫剂、防腐材料以及涂料中添加纳米二氧化钛、纳米硅酸铝等运用到华严寺中的建筑材料中，能够有效保护华严寺的建筑，而且还能够将古建筑中的氨、苯、甲醛等有害气体除去，能够达到清新空气的效果，使华严寺的游客能够有很好的保护。

4.2 负离子材料

负氧离子是空气是否清新的一个标准，对于古建筑来说有一个清新的空气有助于古建筑的保护，因此利用一种较特玛粒的负离子的材料，其由于自身的特点能够在周边形成电场，当材料与水接触时，就能在空气中形成负氧离子，而各类水性涂料加上这种负离子材料在古建筑上涂刷后，就能增加空气中负离子的含量，能够消毒、防臭、抗菌等功效，还能清新空气，对于游客量较大的华严寺一些热门区域可以使用这种材料，对游客和建筑都是很好的保护。

5 保护古建筑中存在的问题

5.1 大众的保护意识有待加强

古建筑的保护要从多方面出发不但要注重对于损坏的建筑的修复上，对高新科技的运用上，最主要的还是公众的保护意识是否强，如果大众能够将保护古建筑作为一个责任，那么由于人为破坏等原因造成的损毁就能大大减少。[1]如华严寺作为一个4A级景区，接待的游客数量较多，由于很大一部分人的保护古建筑的意识不强，导致每年都会出现这样那样的损坏。虽然宣传没有停止，人们的保护意识也有所增长，但是还是有一部分人不能做到，导致对于古建筑的保护工作受到阻碍。

5.2 对历史街区保护的欠缺

对于古建筑的保护不但要从古建筑本身出发，其周边的历史文化遗产也要相应的进行保护，例如周边的历史街区，在华严寺的周边也有相应的历史街区-鼓楼西街历史文化街区就是一个华严寺周边的历史文化遗产，需要对此进行相应的保护，也是对华严寺古建筑的一个重要保护。由于某些地方的历史街区缺乏保护导致史文化的流失，虽然做到了对古建筑的保护，但是古建筑的文化内涵丢失，使其历史意义大大降低。

6 结语

最后，现代科技是与时俱进的，它帮助我们在文物保护事业中更好地承上启下。《中华人民共和国文物保护法》对文物保护单位管理的一条基本要求是制定“四有档案”。维修工程为我们补充和丰富四有档案的内容提供了可能。我的一位同事说，我们通过档案，知道1000年前古人做了什么，我们应该通过记录，尤其是现代记录手段让百年千年后的人知道我们做了什么。现在很多古建筑维修都已经建立了数据库，运用现代科技手段完善“四有档案”。

参考文献：

[1]杨星宇；元上都遗存科技应用研究[D]；内蒙古师范大学，2014.

[2]虞利强，邹丽，丛北华；细水雾灭火系统在文物古建筑保护中的应用探讨[J]；给水排水，2016.

[3]袁建力；现代测试技术在古建筑保护中的应用[J]；古建园林技术，2017.

（作者单位：北京环安工程检测有限责任公司）