为布达拉宫“体检”

崔玥

2020年盛夏，树上的知了不停地叫，沥青马路被太阳烤得软绵绵的。等待博士开学的7月某天上午，我忽然收到导师杨娜教授发来的微信：需要你去布达拉宫工作一段时间，有没有问题？“啊！真的吗！老师我非常愿意去。”要知道有机会去布达拉宫调研和工作，是我们古建筑结构研究课题组每个同门梦寐以求的事，我可真是太幸运了。

300岁的“老者”不好查

我的导师杨娜是北京交通大学布达拉宫结构与监测研究中心教授，她带领团队为布达拉宫建设的长期健康监测系统已成功运行了近十年。

监测系统对于古建筑的维修和修补到底有什么作用呢？杨老师告诉我们：“监测系统回答了三个问题。第一个问题是，这个建筑还好吗？需不需要修？状态怎么样？第二个问题是，哪儿不合适？需要修哪里？第三个问题呢，怎么修？什么时机修？”

通过对监测系统产生的数据的分析，我们可以了解到古建筑结构的变形。成员们不仅要分析数据，还要知道变形对于结构来说意味着什么。团队的常鹏教授举了一个例子：“有一些结构的变形是周期性的。通过对数据的分析，我们发现柱子会倾斜，1月份，2月份、3月份、4月份到5月份倾斜、6月份它又缓缓变直了。这个现象是与当地的湿度有关系，因为拉萨的干湿季节特别明显，冬季特别干燥。到了七八月份雨季的时候，像江南一样，天天下雨。经过对数据的长期处理分析，才能发现结构周期性变形的最根本规律。在面对突发性的数据变化的时候，我们就可以通过分析监测系统得到的数据来做出最合适的判断。

这次进藏，我们的主要任务是进行布达拉宫二期墙体监测传感器的安装和红宫门厅动力特性测试。按照预定计划，2020年8月5日，杨老师领队带领我们5名师生，自北京乘机飞赴拉萨。

项目组在“布宫”下的合影

機窗外山峦逐渐拔起，沟壑之间依稀可以看见湛蓝色清澈的湖水，直到看到一条宽广的江河——雅鲁藏布江，我们终于到达拉萨。穿过广场，从后山缓慢攀登布达拉宫。我感受到空气变稀薄，呼吸鼻子会痛，心脏怦怦跳动。老师不时提醒我们，一切动作慢下来，注意身体，以防不适。潜心登山抛却杂念，当走到德央夏广场，蓝天白云下，红、白、黄错落的布达拉宫主体建筑近在咫尺，壮美得令人震撼，我深深感到布达拉宫的魅力。

进入现场工作后，我才真正理解了课题的历史重任和使命：布达拉宫作为一位300多岁（注：1694年以白、红宫为主的建筑群建成，基本形成布达拉宫建筑群规模）端坐在红山上的“老者”，我们要保障其不因岁月而衰败，对其进行及时的科学“身体检查”，急迫且不能出任何差错。

把脉

布达拉宫经年累月的服役工作后，内部承重墙体不可避免地产生了开裂、倾斜和空鼓变形。传统的检查方式是进行定期人工巡检，这是通过肉眼观察结构可见损伤并记录的方法，这种方式不仅无法及时定性分析结构的损伤，而且人工耗费巨大。

我们进行的布达拉宫结构监测的意义就是利用现代技术手段建立一套完善的结构健康监测系统，及时通过监测到的数据，分析结构健康状态，为灾害预防保护提供科学理论支撑。落实到实际的过程，就是在前期勘察出来的残损位置进行传感器安装，包括位移计、倾角计、柔性测斜仪等传感器，用以监测墙体的损伤与变形。

但实际实施中，还是存在很多困难。例如实际残损与前期勘探图纸上的残损有出入。传感器的安装需要钻孔固定，珍贵壁画上的裂缝可以开孔吗？一些残损位置特殊，传感器安装条件带有危险性。土体温湿度计应该在墙体上，还是地面的土壤里安装？布达拉宫地垄构造复杂，节点传不回来信号怎么弄？很多残损位于殿堂内部、仓库、办公室等需要协调各方人员拿钥匙开门，每天遇到的问题各不相同。杨老师带领我们挨处走点，看现场情况，足迹踏遍布宫每一个角落。在老师协调下，布宫管理处的同事都知无不言、言无不尽地向我们介绍他们对布宫的了解，为我们工作提供极大的便利和支持，北交大古建研究所的工服就成了我们在布宫的通行证。

听诊

站在布达拉宫广场，仰视布达拉宫建筑群，明显可以看到中部位置藏红色墙面的宫殿就是红宫。在不为人知的壮阔建筑内部，其实门厅内部四根支撑木柱都发生了一定程度的倾斜，柱顶的雀替构造也存在明显的歪闪。由于历史建造资料的缺失，木柱和雀替的变形是初始残损，还是后来遭受外力导致的？我们不得而知。

“红宫”动测现场

杨娜教授团队建立的监测系统

为了监测红宫门厅结构的短期变化，我们使用了动力特性测试的手段。其原理是在感兴趣的位置科学地布设加速度传感器，记录环境激励，也就是大地脉动或自然风荷载下结构的自然响应，由测得的加速度信号数据进行模态识别，识别出结构的模态参数（固有频率、模态阻尼比和振型）。结构模态参数的变化间接反映出结构物理特性的变化，是我们听诊的依据。

我们在红宫门厅布设传感器，进行动力特性测试。爬梯子安放传感器，布设通道线，电脑软件控制采集系统等这一套流程下来，被红宫藏红色染料染了一身，都变成了“小红人”，却获得满满的成就感。老师开玩笑地鼓励我们：“衣服脏了不可怕，布宫红，是幸运红！”

解码

在布达拉宫做的两项测试最终目的，就是将结构信息进行解析来研判结构状态。自2012年布达拉宫一期木结构监测系统建成以来，一期监测的数据主要靠解调仪对波长数据解码后由工控机统一采集，通过布达拉宫监测中心同事将数据传回北京给我们来进行分析。每三个月我们都会对监测的木结构应变-温度数据和倾角-温度数据进行分析，并根据数据处理结果对宫殿内多个变形较大的柱进行了干预。

伴随着布达拉宫二期结构监测安装实施过程，软件平台也在积极地建设，将传感器节点和网关传回服务器的信号接入软件平台，实现何时何地只要登陸软件平台就可远程查看结构变形数据。这个平台也可以利用我们提供的算法进行统一参数分析，经过人工核验后及时对异常数据进行分析反馈。智能化的手段，大大提高了工作效率，更及时地保护了布达拉宫受损构件。

在处理红宫门厅动力特性测试数据的时候，遇到了一个问题：红宫门厅属于布达拉宫建筑群中红宫的一部分，且红宫也不是独立存在的宫殿，与白宫和十三世灵塔殿毗邻搭接。这么一个局部结构动测分析的模态参数并不能代表整体结构的模态参数，那它的物理意义是什么？如果只代表自己这个局部，其实整体结构对它也有影响。如果不明确目的，埋头苦干搞科研是不行的。这时杨老师指引说可以将红宫门厅认为是一个子结构，想办法从整体结构中隔离出来。从这个点出发，我查阅了相关文献，确实有这种简化研究方法，一切都贯通了起来。

据史书记载公元7世纪，布达拉宫始建。1300多年来，它历经风雨，承载着人类文明，为守护文明之光，减少它因岁月所导致的毁损，我们会继续收集布达拉宫强有力的震颤，探索高原土壤强劲的脉动，用科技感知它的“心跳”。

责任编辑：刁雅琴