浅议利用自动化结构安全监测技术保护南京明城墙

叶杨

摘要：地质环境不断发展变化，对南京明城墙一类的古建筑也造成了损坏威胁，如何加强明城墙等历史遗迹的保护工作，也被纳入文物保护工作的重点。本文重点研究南京明城墙当前所受到的损坏威胁，针对自动化结构安全监测技术应用进行探讨，帮助明确利用自动化监测技术完成南京明城墙保护工作的重点方向，为我国历史建筑物保护工作开展提供技术的理论支持。

关键词：自动化结构;安全监测技术;明城墙保护

一、南京明城墙基本情况概述

南京明城墙是我国历史悠久的古建筑，距今已有600余年历史，南京明城墙是目前世界上最长，并且建筑规模最大的古代城垣，目前完整保存的长度达到25.1公里。在我国历史时期南京明城墙曾经过一系列改革，最初城墙建筑均是以方形或矩形存在的。明城墙建筑设计中，却根据山脉水系走向，将山川、天空、湖泊融合在明城墙设计中。所形成的明城墙建筑东有钟山依靠，北有湖泊为屏障，西部将山丘内城相连。所形成的明城墙具有防御功能，同时更是占据了天时地利人和的军事要素。南京明城墙的建筑打破了我国传统城墙建设理念，更凸显出我国历史建筑的文化特色。南京明城墙具有历史价值观赏价值以及考古价值，在国际上的地位仅次于长城。更是为数不多可以代表中国历史文化的传统建筑。早在1956年南京明城墙便被列为江苏省重点文物保护单位，到2012年明城墙作为“中国明清城墙”项目，被列为中国世界文化遗产的预备名单，这也使得南京明城墙保护进入到全新阶段。南京明城墙维护工作内容较多，而且南京明城墙的长度相对较长，使得部分城墙段一直没有维修过，存在着历史遗留问题。而明城墙发生局部坍塌，则会造成一定的损失，比如城墙砖损坏或者整体形状变形等。就定淮门-小桃园段城墙坍塌情况来看，里墙与表墙存在明显分层，而且没有交错咬接，加之自然环境的长期作用，比如雨水渗透的长期作用，使得城墙发生坍塌问题，尤其是雨季城墙局部坍塌情况。城墙维护工作面临着一定的难度，部分城墙维修工作，若其表面完好，则不可以拆除城墙，而且南京明城墙大部分已经完成修复了，发生局部坍塌的是少部分，因此难以按照规律处理，只能采取加固抢险措施，对发生坍塌情况的城墙进行处理，避免坍塌范围扩大，制定修缮方法。除此之外，还需要做好城墙检测工作，除了做好定期检测外，还需要做好安全分析，从南京明城墙建设研究入手，利用历史资料数据，深入的研究城墙结构，对周围环境与气候进行分析，做好风险预测，以制定维护方案。

二、南京明城墙结构损坏的隐患类型

1、墙体变形

历史城墙建筑保存年限较长，其中难以避免的便是墙体变形问题，虽然经过漫长的时间熏陶，南京明城墙已经出现墙体变形。但经过監测以及维修人员的努力，可以将这种墙体变形控制在不影响整体建筑物质量的范围内。造成墙体变形的因素与南京明城墙自身结构离不开关系，在古代建筑技术并不能达到当今的发达程度。受建筑材料以及运输等多方面因素影响，明城墙的建筑整体很难实现承载力统一，且城墙不同路段所处的地理环境有很大差异性。例如部分城墙是直接与湖水相接处的，长期在湖水浸泡下，城墙自身结构更容易损坏。一旦承载力方面出现明显差异，墙体变容易出现结构变形。从明城墙的整体形势上来分析是十分危险的，任何微小的变形都可能造成整体呈强损坏或者坍塌的严重后果。墙体变形还容易引发其他隐患，墙体变形达到一定严重程度时，会引发裂缝或者局部坍塌的情况，墙体裂缝变形控制，也是南京明城墙结构保护建设的重点内容。

2、墙体裂缝

墙体裂缝造成因素比较复杂，可能是来源于地上墙体结构变形，也可能是由于地基土壤沉降所导致。南京明城墙建成至今已有六百余年历史，在这六百多年间地壳变化所造成的土壤层沉降是不可忽略的。日积月累的基层沉降，最终会作用在明城墙墙体结构上，进而引发墙体结构中的裂缝。建筑材料长期经过日晒以及风雨侵蚀，建筑结构表面也会出现细小的裂缝，产生裂缝后风沙等垃圾会进入到裂缝中，继续对墙体造成更深的侵蚀。因此明城墙保护中墙体裂缝控制也是重点监测的内容，墙体裂缝是明城墙所有损坏现象中发生几率最大的，需要经过日常监测来对其进行修补，避免明城墙进一步损坏。墙体裂缝可以作为单一损坏问题来监测弥补，同时也可以与墙体变形结合分析。深入研究造成前提裂缝的原因，这样在对古建筑进行保护时才能制定出合理的方案。古建筑尤其是城墙内建筑物，细微裂缝是不可避免的，也更能显示出建筑物悠久的历史。对于墙体裂缝的修补也需要根据裂缝类型判断，是否需要采取进一步控制方法，以免影响到建筑物整体美感。

3、墙体沉降

墙体沉降便是由于基层因素所造成，在这其中很大一部分原因是自然发展中不可控制的因素，墙体建筑长期对基层产生压力，基层土壤自身便会出现沉降，这种沉降现象会随着时间增长而愈发明显。古代城墙所发生的沉降会导致地面以上城墙高度逐渐缩减大部分城墙建筑结构沉降到地表以下被封杀土壤掩埋后城墙建筑也会受到一定侵蚀。除此之外，不规则沉降还会造成城墙墙体发生破损，墙体沉降是古代建筑多种损坏问题的产生根源，对于墙体沉降的监测，需要分阶段性来进行。在短时间内墙体沉降情况可能并不明显，但随着时间延长这种问题也会逐渐凸显出来，具体的自动化监测中。可以预先对墙体沉降的监测时间段进行划分，也可以采取动态监控没模式，并对阶段性的监控数据结果进行分析，这样最终便可以合理判断出墙体的沉降情况是否在安全范围内。

三、基于自动化安全结构的监测方式

建议对于南京城墙的安全结构监测分为两类，一是自动监测：采用物联网传感器的进行组网，通过数据的自动采集实现本体的自动化监测。通过传感器将采集数据上报管理平台，对上报数据进行实时分析，以便于得到对城墙管理有利的数据，尽量降低各种危险事件发生。二是固定时间监测：采用人工采集本体变化的细微数据，通过对比，比对两个采集周期间的变化情况。固定监测主要针对本体难以通过传感器进行实时监测而设计。由于人工采集数据的偶然性和成本都比较大，下文就目前城墙主要的表观病害简单提出几种自动化监测方式作为参考。

1、裂缝监测

基于自动化结构开展南京明城墙监测保护，首先是针对常见的裂缝问题进行全面检测。在南京明城墙墙体结构中布置传感设备，传感设备的具体安装量，要根据监控区域长度来确定。为节省资源发挥最有效的监控功能，传感器布置安装会根据墙体磨损程度来选择，在常见的磨损严重区域内，适当增多传感器安装数量。这样使用过程中，便能够对墙体的裂缝情况进行实时传输。裂缝自动监测，包括裂缝的具体位置裂缝走向、裂缝长度、裂缝深度以及裂缝的宽度。由于南京明城墙的总长度比较长，因此传感器安装也会采用无线形式来进行。传感器采集得到的数据可以根据具体需求时间设定更新频率，可以将其设定在1分钟至24小时之内，传统有线传感器安装布线过程比较复杂，会导致墙体表面出现复杂的导线，并不利于保护工作深入进行。这种新型的无线传感器应用后，会利用特定的超声波模式，来探测墙体内的裂缝深度情况，并将所得到的数据通过无线网络传输至控制系统内。控制系统会同时监控所有传感器，数据统一更新后在任何部分产生裂缝，都可以显示在最终的控制中心。南京明城墙建筑总长度较长，采用人工监测控制方法，难达到保护工作需求，也会造成人力资源的损耗。通过这种自动化结构监测技术应用，可帮助构建出动态监测保护系统。

无线传感器用在裂缝监测中，其明显特征是可以避免对墙体造成二次伤害，这种自动监测技术是应用物联网传感器，来实现信息采集与上报。网络信息传输受信号干扰，可能会出现延迟情况，在具体系统应用中技术人员也需要定期观察，是否网络接入点选择中存在问题，以免影响到无线传感器探测结果的正常传输更新。

2、位移监测

相比于裂缝监测，位移建设的难度要有所增大。位移监测主要是针对本体的横向以及纵向移动来进行监测，掌握墙体本体的变化情况后，位移传感器能够对城墙的根基部分进行实时测量，墙体位移情况的监测，对于根基部分实时探测所得到的结果最为明显。应用自动化结构安全监测技术，对于南京明城墙的保护系统构建中，最重要的是应该与人工监测相匹配，实现自动化结构模拟人工作业，这样在对检测结果进行分析时可以避免时间浪费。位移监测采用传感器分点布置方法来实现，将传感器的顶杆部分固定在城墙根基的砖上。当城墙根基部分的城砖出现位置移动，传感器顶杆也会随之产生滑动，这种位移变化会直接反馈到传感器内部，并产生电流波动变化，将这种电流变化转变为数字信号传输到控制系统内，并经过系统内部的计算转变，从而得出城墙具体位置移动数据。位移监测还可以应用另一种技术方法来实现，便是将传感器的拉线部分固定在城墙底部的城砖上，拉线相比于顶杆对于位移的感应灵敏程度更高。拉绳位移传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起，感应器可以是增量编码器，绝对编码器，混合或导电塑料旋转电位计，同步器或解析器。操作上，拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出城墙的位移、方向或速率。发生任何细微的位置移动变化，拉线固定一端均能够通过钢丝来将其反馈到传感器中。这种传感变化是通过机械原理来完成的，机械记录的数值经过传感器转变为电流信号，从而实现一系列监测任务。安装这种拉线传感器监测系统时，应该选择不锈钢材质的拉线，这样可以有效延长安全使用年限。技术人员在常规检修中也需要对拉线的紧绷程度进行调解。如果拉线过松，那么对于城墙的位置，移动变化感应也将会失去灵敏度，拉线过于紧绷又会容易损坏。

3、沉降监测

沉降监测通常布置在已经存在危险的城墙范围中，沉降监测技术是应用震弦式传感器来完成的，将传感器通过钻孔安装在所布置孔洞内，再通过回填土来使其与墙体相互连接。墙体本体发生沉降变化时，传感器也能随之沉降，城墙在竖直方向所产生的变形沉降，通过静力水准仪能够有效检测出。一旦静力水准仪出现变化后，连带传感器所受到的压迫因此改变，墙体沉降的深度增大后，传感器也随之进入到更深层的土壤中，因此所受到的土壤压力也会有所增大。传感器是通过检测这一压力结果，来判断是否出现墙体本体沉降问题。在探测检测过程中，需要对传感器进行回填，并对传感器作出充分保护。不同土壤深度所受到的地下水渗透压力会有明显变化，目前的技术已经能够实现对土壤压力以及水分渗透压力综合分析，从而计算出传感器所处的土壤层深度，连带计算出墙体沉降后的位置移动变化。自动化结构安全监测技术应用中，需要技术人员对明城墙不同危险区域的地质水文情况作出全面勘测，并将勘测结果生成数据库，分别计算出处于不同土壤深度的压力情况。这样传感器在地下探测得到的结果反馈时间才可以有明显节约，技术人员在得到传感器探测，结果后可以直接与额定的数据库进行对比，进而了解到南京明城墙的沉降情况。

4、膨胀监测

膨胀监测需要结合气候环境来进行，南京明城墙古代建筑长期受气候环境影响，墙体本体的建筑材料很容易出現性质改变。这种性质变化分为物理变化与化学变化两部分，化学变化则是由自然风雨侵蚀所造成的腐蚀问题，需要定期清洗避免腐蚀物质继续存留在墙体表面造成更严重的问题。另一种物理变化则是由于材料内部填充物质的膨胀，而导致墙体失去平衡，进而造成其他问题。对于墙体膨胀的监控主要使用电平梁来进行，电平梁是安装在明城墙墙体表面的使用螺丝安装在螺旋杆上螺旋栓又通过钻孔来将其固定在表面结构上，钻孔后会采用最小的固定材料来将其填充，这样便能够形成墙体内部与表面相连接的一体化监测模式。对于表面滴监测结构安装布置并不会对墙体整体结构造成影响，安装后一旦墙体材料产生膨胀变化，这样电平梁也会出现细微的平衡波动。反馈结果同样是通过数字信号与模拟信号之间的转变，以电流形式传输盗走控制中心内。墙体表面的膨胀绝对不容忽视。膨胀变化产生后需要对具体的数据做出详细分析，进而判断是否在膨胀区域周边也已经产生影响，应用自动化结构安全监测技术来对南京明城墙加以保护，参数变化监测是必不可少的基础环节。将参数变化监测与常规的数据控制相结合进行，可以得出更为有效的城墙安全维护方案，已经出现的细微裂缝或者膨胀变化，采取有效维护方法也可以在短时间内将其恢复正常。

5、过境交通监测

南京明城墙周边境内过完交通车辆通行情况，直接关系到南京明城墙的完整保存情况。车辆通行会对地表产生压力，这种压力负荷不仅表现在车辆通行区内，对其周边环境也会进而造成影响。实现过境交通监测，便需要调动大数据加以分析，检测主要是针对公共交通、轨道交通以及私家车辆行人通行情况的具体检测。南京明城墙附近一定距离内，建设地下轨道交通会对原有的地下结构造成改变，这种改变会迅速影响到明城墙的基层沉降。虽然并不会直接造成南京明城墙坍塌，地下轨道中的车辆通行所引发的震动，也会通过土壤传播来作用在明城墙墙体中。通过地下基层的振动传感。明城墙墙体长期受到这种震动干扰，会产生裂缝乃至变形。对于过境交通的检测，不仅要对交通类型通行频率进行数据反馈，还需要对交通通行过程中所产生的振动情况进行探测反馈，这样在进行明城墙保护时，才可以判断出具体的损害类型以及来源。对于过境交通在开展振动监测时，需要设置出预警机制，一旦振动频率与强度对明城墙主体造成破坏干扰。预警机制则会发出警报，根据所反馈的监测结果对过境交通情况进行宏观调整，预警机制是由光纤振动系统来构建完成的。构建这一保护模式，所以应用的技术方法相对比较复杂，但保护效果却是显而易见的。

6、渗水监测

明城墙自动化结构，安全监测技术应用中的渗水检测部分，是由墙体主体检测进而向周边环境引发过渡的一种保护行为。明城墙总长度所跨越的地理结构十分复杂，包括山体结构就自然湖泊，受气候变化所形成的恶劣天气影响，靠近山体的城墙墙体部分所积攒的水分更多。水分不能及时排出，在城墙周边以及墙体内继续积累，会造成墙体结构的承载能力下降。水分清水浸泡一定时间后，也会造成墙体坍塌，因此在开展水文压力监测时，主要是针对明城墙靠近山体的结构部分来进行。需要将探测器经过打孔直接安装在山体上安装后同样需要回填掩埋来将其固定在孔洞内部，形成完全模拟山体内部的监测感应环境。回填掩埋后还应该对探测器安装周围的生态环境进行恢复，使之能够最大程度的模拟自然生态环境。所监测得到的水压结果才更能反映实际情况，对于结构性的水压监测，应当采用钻孔方法来对水压进行判断。也可以采用注水方法来监测周边地质材料对水分的渗透能力，地质材料对水分的渗透能力增强，便可以减少向明城墙主体内部的渗透，根据所得到的监测结果来自动探寻岩石中的水分渗透路径，这样在制定靠山部分明城墙墙体保护方案时，才能够有效通过地下水反渗透排除来避免对墙体造成影响。在山体打孔时，安装探测器还需要判断打孔的位置是否会对明城墙带来影响，选择最具有安全性的位置，对明城墙靠近山体部分进行实时动态监测，必要时也可以根据所得到的监测数据来对山体部分进行施工改造。加快积水排出的速度，以免对明城墙墙体造成浸泡。

四、自动化结构安全监测技术体系构建

1、监测框架设计

明城墙自动化结构安全监测技术应用，实现安全监测功能，首先需要根据明城墙具体的监测区域进行初步框架设计。在框架设计中明确标记出不同探测器的具体安装位置，这样在自动化结构安全监测系统构建中，便可以参照设计方案来进行现场的探测器布置。基本框架构件设计可以利用计算机软件来进行，将明城墙所需要检测以及保护的部分全部模拟在计算机软件中，对其周边生态环境进行初步评估。基本框架构建形成后，根据实地现场探测结果来判断框架是否存在不合理的部分，再通过软件的内部框架调整，来提升保护设计方案可行性。其次是监控框架设计中的数据库建立，根据当前已知的数据参数，构建出接下来监测任务的对比数据模型。这样产生任何结构安全监测问题，都能够通过数据库对比分析来快速判断。监控框架设计需要体现出自动化结构监测技术应用的高效性，对网络接入点具体对接模式进一步判断，初步框架构建越详细，接下来的具体方案运行，也可以达到理想的安全控制效果。在明城墙安全保护工作进行期间受环境因素影响可能会出现一些突发情况，监测框架设计中需要体现出可变动性，一旦遇到突发情况原有监测方案不能继续运行，则能够快速启动第二套应急方案，实现对明城墙的全面安全控制。所选择的监控框架设计能够体现出高效性与运行可靠性，是设计期间始终应该达到的标准。

2、反馈装置布线

虽然自动化结构安全检测技术应用中，对于明城墙现场所布置安装的传感器，是以无线形式存在的。但具体墙体表面所探测到的数据参数向总控制中心传输时，仍然需要在光纤网络线路基础上来完成。开展进行反馈装置布线，应该以安全为首要前提。观察明城墙布线区域是否存在安全隐患，避免出现使用过程中受外界因素影响造成布线中断损坏的问题，布线过程中要最大程度对线路进行简化。线路得到简化后，运行使用过程中受到危险损壞的几率也能因此减小。对于线路的保护最好方法便是通过简化布线形式，来提升线路系统自身安全防御能力。装置连接的布线模式，还应该重点提升探测数据传输效率，科学合理的布线模式可以帮助减少信号数据传输过程中所出现的时间延误，整体自动化监控系统的运行也得到强化。以上自动化结构安全监测技术应用中的设计以及施工，实际执行中不仅要考虑安全防护项目的具体运行，更应该结合周边的环境因素来以强化，南京明城墙保护中所遇到的最大阻碍便是环境的变化。这一特征同样需要体现在自动化结构安全监测技术应用方面，安全监测系统具有自适应性，这样在构建安装中，才能够达到预期的安装控制效果，安全防护任务进行同样需要将环境变化特征引入到其中。反馈装置进行布线连接，可以形成一个整体，快速完成数据参数采集、整合、传输、分析任务。当明城墙保护计划发生改变时，通过布线连接模式局部调整，便可以在短时间内完成控制方案调整。

结语：南京城墙的“衰老”已经是不可避免的了，通过科学的自动化结构监测手段，定期采集数据，分析变化状况，为墙体本身安全拿出“健康体检表”，为制定维修保护方案提供科学依据，建立安全登记预警系统，使南京城墙逐步走向科学保护的轨道。结合南京城墙的主要破坏因素分析和实际管理工作的现状，设计以自动监测为主、固定时间监测为辅的本体监测办法，能更好的对存在的问题和障碍进行监测和预警。此项必将大大提高保护城墙工作的效率，为城墙申遗工作打下坚实的基础。

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