布达拉宫精细化测绘与预防性保护

查群

摘要：在精细化测绘前，针对布达拉官建筑的特殊性，根据文物保护的具体需求，发现了布达拉宫所有的未知空间，解决了布达拉宫建筑形态长期认识不完整的THAI，获取了具有文物保护特点的精细化测绘成果。通过精细化测绘建立的布达拉宫三维模型，可应用于布达拉宫文物保护综合管理平台，不仅可以实现布达拉宫保护管理工作的可视化，而且精细化的数据为文物建筑的保存状态评估、结构分析和监测工作的自动化统计分析创造可能，同时可提供建筑结构监测等相对独立专业系统平台的真实有效的数据支撑和可视化环境，为布达拉官文物预防性保护及保护管理工作提供了坚实的基础数据。

关键词：布达拉宫;精细化测绘;地垄建筑形态;预防性保护

引言

世界遗产布达拉宫坐落在拉萨河谷中心海拔3700米的红山之上，是集行政、宗教、宫殿于一体的综合性建筑，由白宫、红宫及其附属建筑组成。该建筑群始建于7世纪吐蕃王朝时期，现存主体建筑为17世纪由五世达赖喇嘛及其摄政王第司·桑结嘉措主持修建，之后经多次改扩建，至1935年十三世达赖喇嘛灵塔殿落成后，形成了今日的格局和规模。。

布达拉宫是典型的汉藏结合的山地宫堡建筑形式，通过砌筑在山体之上纵横交错的地垄作为建筑基础，在其上修建庞大而稳固的主体建筑。地垄是藏式山地建筑一种独特的建筑基础形式，由纵横交错、高度依山势变化的墙体构成“井”字形基础结构体系。地垄一方面增加了山地建筑基础的底面积，更是将上部荷载传递给山体基岩，并有效防止上部建筑滑移。由于布达拉宫现存建筑系经过不同时期多次改、扩建而成，部分地壟被后期建造活动所占压，因此结构错综复杂，至今仍有相当部分地垄的分布情况未知。

经过1989-1994年的第一次大修和2001-2009年的第二次大修之后，布达拉宫大多数暴露在外的重大险情已经得到了很好的控制，文物建筑总体保存状态良好。但在布达拉宫保护工作中，一直存在未知空间不停被发现，以及墙体裂缝缺乏整体分布清况的三维定位的问题，为了彻底解岁乙之些影响布达拉宫保护工作的不确定因素，全面、真实、精确的测绘是最直接无损的力式。

一、布达拉宫精细化测绘的开展

（一）布达拉官精细化测绘工作缘起

对布j彭立宫保护中的信息摧r区包括几个关键问题：

一是迄今为止，因尚有未发现的“地垄”，始终没有完成对布达拉宫完整建筑形态的整体认识（图1）。

二是对这些未知地垄空间保存状态的勘察工作无法进行，因而无从全面了解布达拉宫建筑的保存状态。

三是缺乏支撑建筑结构稳定性评估的分析数据。对于结构体系是墙砌体的布达拉宫建筑来说，完整的建筑形态和墙体保存状态是支撑建筑结构稳定性的核心要素。2012年布达拉宫的结构监测系统开始采集数据，至今已持续8年，获得大量有效的结构分析数据，但由于无法获取未知空间保存状态资料;因此未能系统掌握布达拉宫所有墙体的裂缝整体分布情况。

四是尚未获得红山上山洞对建筑稳定性是否存在威胁的可靠分析数据。 1960年代在红山上挖凿的三处山洞，有两处位于红山两侧山脚，进深较小，对山体和建筑危害不大，但另一处位于布达拉宫雪城西侧、“雪堆白”后的2号山洞，进深100余米，内部走向曲折，形态不规则，之前的测绘方式都无法获得其准确三维坐标，不能确定2号山洞对布达拉宫建筑是否存在危害。

解决上述几个问题的方法，在持续的保护工作中一直在探索，总结起来，主要有两种方式：

第一种是在实施保护工程中，出于保护措施需要，在揭露屋顶或地面时发现未知地垄。这种方式简单直接，但只有必须揭露的部位才能实施，存在较大的偶然性，不可能做到全覆盖。

第二种是通过测绘手段摸清山体和建筑之间的关系，通过已知的山体和建筑的留白部分，顺藤摸瓜找到未知地垄。尤其是通过测绘确定已知目标的三维坐标，再去寻找未知地垄的空间定位，是一种准确、无接触、不损坏文物，有计划且不会遗漏的方式，并具有很强的主动性。

由此可见，测绘是解决上述问题的主动而无损的方法。在以往对布达拉宫的保护工作中，测绘技术和手段分为以下几个阶段：

（1）1989-1994年，对布达拉宫第一次大修过程中，采取当时先进的近景摄影方式获得布达拉宫精确的外立面二维图，采用经纬仪、小平板及皮尺、钢尺等传统方式获得布达拉宫完整的外立面和内部空间的准确测绘图纸。

（2）2000-2009年第二次大修时，采用大地测量网、布置控制点以及全站仪、激光测距仪等测绘工具，配合传统方式进行测绘。彼时业界已普遍使用计算机辅助绘图软件（AUTOCAD）绘制建筑图纸，但测绘方式依然是传统方式，因此虽然能获得CAD电子版建筑测绘及维修设计图纸，形成的测绘成果基本是分建筑组群及分层绘制，没有解决建筑空间准确的相互关系问题。

（3）2006-2013年编制布达拉宫保护规划期间，精细化测绘已经在布达拉宫展开，采用全站仪和三维激光扫描相结合的方式，通过全站仪对建筑外轮廓进行三维定位并建模，采用测光测距仪、激光水平仪通过联系测量、三角测绘等方法，获取建筑内部空间的三维数据，并运用AUTOCAD.Sketchup等软件建立了布达拉宫建筑的三维电子模型，以此认识布达拉宫复杂空间的相互关系。考虑到布达拉宫的复杂性，当时还计划将3D模型纳入GIS系统进行数据管理，但限于客观条件尚未成熟并未实现。

上述几个阶段的保护及测绘工作，已经发现了布达拉宫建筑内部大部分隐藏空间和暴露出来的病害分布情况，针对布达拉宫建筑整体认识及保存状态评估做了大量基础工作，但由于尚有未知地垄，以上几个亟待解决的关键性问题依然存在。

那么需要什么样的测绘数据才能发现那些“隐藏很深”的地垄，又用什么方法获得这些测绘数据呢？

首先，要分析布达拉宫的建造特点及其复杂性：

（1）布达拉宫建造在红山之上，属于典型的山地建筑，同时也是一组庞大的、空间错综复杂、建筑形态组织完全不规则的“非标”建筑群。为保持建筑的稳定，建筑外部墙体收分大，建筑内部空间依山势变化而设计得百转千回，没有一面墙是直的，没有一块地面是平的，没有标高相同的室内空间地坪（图2）。

（2）布达拉宫的建造非一次性完成，主体建筑从7世纪始建（仅存法王洞）、17世纪中期重建（白宫及基本建筑格局）、17世纪后半期改扩建（拆改部分白宫建成红宫）、18至19世纪各世达赖喇嘛不断拆改加扩建、直至1935年拆除部分扎夏建筑利用其基础建成十三世达赖喇嘛灵塔殿为止，方完成了整个建筑群的建设工作，形成现在的布达拉宫整体格局，各期建造痕迹互相叠压、犬牙交错。

（3）为了在山体上建造庞大的宫殿，砌筑依山而建、纵横交错的地垄，以增加上部建筑的面积，更重要的是将上部荷载传递给山体基岩，并有效防止上部建筑滑移。地垄是布达拉宫建筑结构支撑体系的关键部位，是布达拉宫建筑结构体系的基石。由于布达拉宫现存建筑系经过不同时期多次改、扩建而成，部分地垄被后期建造活动所占压、掩盖、隐藏，因此结构更为错综复杂。

对于这样的一座“非标”建筑群，目前获取准确测绘数据的办法就是建立建筑外轮廓、内部空间及其载体

（红山）真实准确的三维坐标体系。

而之前的测绘技术和方法很难达到这一要求，直至2015年，在无人机倾斜摄影、三维激光扫描等技术日渐成熟并已经广泛应用于测绘和文物保护领域的背景下，布达拉宫精细化测绘项目适時启动。

（二）布达拉官精细化测绘

明确了要通过精细化测绘解决的关键性问题，布达拉宫的精细化测绘，从一开始就有了针对性。

归纳以上需要解决的四个关键问题：（1）建筑形态的整体认识;（2）建筑保存状态的全面了解;（3）建筑结构稳定性分析及评估的支撑数据;（4）2号山洞是否存在对建筑的威胁，可以总结出以下应对措施：

1.发现隐藏地垄，获取完整建筑形态，解决问题一和问题二。

2.发现和定位裂缝，获取（以砌体结构体系为主体结构的）布达拉宫建筑结构分析的基础支撑数据，解决问题二和三。

3.定位2号山洞，评估其对布达拉宫建筑的危害，解决问题二和四。

那么，如何发现隐藏的地垄呢？通过清晰了解红山山体的轮廓，可以反推建筑的底部形态，从而获得完整的建筑形态。因此，如何推拟出被建筑占压的山体轮廓是获得完整建筑形态的关键，也是发现隐藏地垄的契机。

2015年，北京帝测科技股份有限公司（以下简称

“帝测”）作为中国文化遗产研究院的合作单位承担了布达拉宫精细测绘项目，负责通过专业的测绘技术，解决布达拉宫的测绘技术难题。

我们提出的测绘成果目标是：建立布达拉宫（包括雪城、宗角禄康）、红山、药王山航摄正射影像图及外轮廓模型;获取布达拉宫及雪城所有建筑的三维模型;以及由模型生成的八UTDCAD工程图件。

除此之外，根据以上布达拉宫存在的一些需要在测绘中解决的问题，我们重点强调了需要在测绘过程中完成的任务：（1）标注所有建筑内部的基岩;（2）标注所有墙体裂缝，并对裂缝进行更细化的目标测绘;

（3）获取2号山洞的三维模型和坐标。

针对这些要求，帝测团队提出“采用控制测量和联系测量、无人机倾斜摄影、三维激光扫描、以及多视角高清影像纹理采集等技术”的测绘方案。现场工作自2016年11月至2018年2月，转站8000多个点位，帝测自主研发内外空间导引设备，对建筑群及其周边环境进行了高精度三维信息采集和高清纹理信息采集工作，获得2016-2018年布达拉宫建筑真实而准确的原始数据。

同时帝测团队也非常认真地完成了前述三项特别要求，由此解决了长期困扰布达拉宫保护的几个关键性问题。

1.标注所有建筑内部的基岩。

对地垄里露出的所有基岩部分进行标识（图3），并根据三维坐标建立已知基岩的三维空间分布模型，根据这些标识的基岩碎片去推拟整个山体的轮廓。当所有测绘完成后，将推拟的山体轮廓模型与建筑模型进行套合（图4），留白部分就可能是未被发现的地垄。

由此，通过精细化测绘过程中对片段基岩的分布情况，廓清红山山体轮廓，进而摸清红山山体和布达拉宫建筑之间的交接面，从而发现隐藏地垄，完整认识布达拉宫建筑形态。

通过以上方式，2019年底，在完成了布达拉宫整体三维模型建模工作后，又成功发现了6处疑似隐藏地垄（图5），并将准确的位置提交给布达拉宫管理处。

2.标注所有墙体裂缝。

墙体是布达拉宫的主体结构，其保存状态直接决定布达拉宫的结构稳定性。因此在测绘过程中首先要标注墙体裂缝，并建立所有裂缝的三维分布模型;其次对裂缝进行毫米级的精细测绘，然后请专业的结构团队去分析裂缝的类型，由此获得为布达拉宫建筑结构稳定性分析和监测服务的可靠、有效支撑数据。

3.获取2号山洞的三维模型和坐标。

经过三维激光扫描及三维坐标定位，确定了2号山洞与红山山体及布达拉宫建筑之间的空间关系：2号山洞与山脊相距45米、距布达拉宫最近的建筑本体95米，经结构专家根据此组精确数据分析测算，推断2号山洞不会对山体及建筑形成较大危害。由此解决了一直困扰布达拉宫保护的一个安全隐患。

除了常规的精细化测绘，通过上述三项工作（廓清红山山体轮廓、摸清裂缝分布情况、明确山洞与建筑之间的关系），从而发现隐藏空间，获得布达拉宫完整的建筑形态及其保存状态资料;由结构专业团队建立布达拉宫结构裂缝整体分布情况模型，为分析和测算建筑结构安全稳定性以及结构监测工作提供了有效数据;排除了2号山洞危害布达拉宫建筑及载体（红山山体）的可能性。

至此，基本完成布达拉宫精细化测绘的预期目标，为之后的布达拉宫文物保护、展示、管理、研究工作提供了基础数据和条件。

需要说明的是，专业测绘技术进入文物保护领域是文物保护的客观需要，但也需要文物保护专业指导，才能更好发挥其在文物保护工作中的作用。

二、布达拉宫精细化测绘与预防性保护的关系

从2006年对布达拉宫实施三维激光扫描进行精细化测绘开始，到2015年精细化测绘项目正式启动，项目团队并未明确测绘工作与预防性保护的关系。但在整个项目实施过程中，所有测绘要求和预期获得的测绘成果，都围绕保护这个大方向，不论是获得建筑的整体形态，还是裂缝分布情况，都是希望通过线索发现问题和风险，防患于未然、最终达到保护文物安全的目的。所以回头来看，布达拉宫精细化测绘及测绘目标，都与预防性保护的目标不谋而合。

说到底，不论是保护还是预防性保护，其目标是一致的，都是为更好地保护文物。在这个目标驱使下，我们主动去发现隐藏的地垄，否则未知地垄一旦出现问题，可能就需要进行抢救性保护;如果我们不主动去发现裂缝，并提早建立结构模型，分析裂缝形成原因，那么裂缝出现一点突变，后果都不堪设想。所有这些工作计划，是基于对布达拉宫文物保护工作的了解而制定，基于对布达拉宫建筑的安全有准确、科学的认识。客观上，这些工作符合预防性保护的核心思想。

首先，获得在某一个时间节点的原始数据，是预防性保护的一个重要方面。阶段性的、以同样的方式获取的数据，就可以与历史上某一时间节点的数据进行比对，发现变化，分析原因，防患于未然。

其次，建立数据管理和分析系统，不仅可以对原始数据进行管理，而且有了原始数据做基础，后期获取的数据可以累计和叠压，从而积累各阶段分析统计数据，为保护工作源源不断地提供有效的依据。

第三，通过精细化测绘建立起来的三维模型，可以作为布达拉宫综合管理平台的基础模型，在此基础上拓展、链接更多的专业系统平台，比如结构监测、世界遗产监测、电力、安防、消防、票務、办公等，还可以通过移动客户端，实现移动巡查、移动监测、移动办公等等。

这些都是预防性保护所涉及的内容，也是文物保护的最终目标。而精细化测绘及测绘成果是实现这些功能和目标的基础。通过精细化测绘，获取布达拉宫建筑的完整形态、全面了解危害布达拉宫建筑安全稳定性的病害分布情况，可为制定有针对性的文物建筑保护策略和保护措施提供有效的科学依据，将潜在的危害消灭于萌芽阶段。

三、结语

不可移动文物涵盖极其复杂的类型和环境，因此，不同的文物对象所需要的测绘数据和关键节点都是不同的。

在做精细化测绘之前，对文物本身的认识越深刻，越能在测绘实施之前提出具有可操作性的具体目标和要求，不在测绘过程中丢掉可能忽视的细节数据，从而获得更理想的成果，才能为预防性文物保护及提供真实有效的数据支撑。

“专业事情由专业人员去做”，只有不同的专业做好自己分内的事情，跨学科的合作更能有针对性地解决问题。无论精细化测绘，还是预防性保护，在文物保护行业，这些手段和概念最终的目的都指向文物保护。因此，时刻记住“保护”两个字，才不会偏离文物保护这个终极目标。