文物保护建筑检测技术研究

暴智浩 BAO Zhihao

0 概述

随着城市化进程的快速发展以及城市的升级改造，现存历史建筑保护面临严峻挑战，历史建筑不可避免地会受到新建工程的影响。对于影响较小的建筑，可以用施工期间监测和结构加固的方法进行保护，而对于受影响较大的古建筑，甚至需要进行落架重建[1]。

落架重建工程，是具有中国特色的木结构古建筑保护维修做法之一。它是指当古建筑面临严重的安全问题或有特殊原因必须拆卸重建时所采取的措施。为了保持原建筑本身的艺术特点，其维修工程中所采用的材料均应与原建筑相同，其装饰装修如抹灰、彩画油漆、墙纸等也需重现原貌。

由于落架重建工程量大、施工难度高、施工管理要求严格，采用此方法对古建筑进行修复时，必须做好充分的前期准备工作。同时，在重建过程中，应做到该修补的修补、该换的换、该加固补强的加固补强。

对于需要落架重建的建筑，根据《中华人民共和国文物保护法》《中华人民共和国文物保护法实施条例》《文物保护工程管理办法》等有关法律法规，需在建筑拆除前进行全面勘察，为其保护和重建提供依据[2]。本文以上海某文物保护建筑为例，研究文物保护建筑落架重建的检测方法，为相似工程检测提供借鉴。该建筑检测中主要采用三维激光扫描技术、倾斜测量技术、完损检测技术对建筑外观和细节构造进行勘察，并根据相关规范对该建筑主体结构和重点构件进行承载力计算。

1 项目概况

该文物保护建筑为3 层（东侧4 层）砖木混合结构，建筑面积约1 788 m2，房屋建于1941 年，由华泰建筑师事务所设计，为新式里弄住宅。新式里弄住宅在后期石库门里弄的基础上，以铜铁栅栏门代替“石库门”，为降低围墙高度或用低矮栅栏代替，并用开敞式的小花园代替封闭的天井以达到更好的通风和采光。建筑空间形态由封闭转向开放，建筑形式以西洋装饰为主，很少采用中国传统形式。新式里弄住宅大多为3 层，少数为2 层，也有假3 层、假4 层。开间有单开间、间半式及两开间。新式里弄住宅着眼于体现新的生活时尚，反映新的价值观念，对居住环境的舒适性有了更高的要求[3]。

该建筑是有6 个独立门洞的多层公寓，为典型的现代主义装饰艺术风格，东侧及西侧开间与中间4 个门洞平面布局及立面风格均不同。房屋立面结构形式规则，立面外墙主要采用白色粉刷，配有釉面砖装饰细部，中部房屋北立面采用拉毛处理。屋面形式主要为红瓦坡屋面，局部采用平屋面形式作为露台使用，建筑外观如图1 所示。

图1 建筑外观

该建筑属于上海市黄浦区文物保护点，由于其位于新建项目基坑内，拟对其实施落架重建，在新建工程基坑开挖前拆除，新建工程施工结束后原址重新建造。

2 重点保护部位

根据《文物保护法》第21 条和《文物保护工程管理办法》第3 条的规定及现场勘察结果，保护原则为：不改变建筑外立面、结构体系、基本平面布局和有特色的内部装饰。为明确重点保护部位的具体分布，对该房屋进行了详细的勘察，进一步明确和细化了重点保护部位情况。

该房屋主要外立面、红瓦屋面、木屋架样式、特色拱样式、拉毛处理墙面、特色墙及门窗阳台样式、镂空样式、特色墙板样式、楼梯特色装饰线条样式等应重点保护。典型部位见图2～4。

图2 特色门

3 三维激光扫描技术应用

图3 特色天花装饰

三维激光扫描技术又称“高清晰测量”（High Definition Surveying，简称HDS），该技术采用激光进行测量，非接触、高速度、高精度、大量地获取目标物的三维坐标数据[4]，将数据存于电脑中，通过相关软件进行处理，能完整高精度地重建实体[5]。

本次采用徕卡RTC360 激光扫描仪对该保护建筑进行全方位扫描。完整记录该建筑的真实空间三维信息和细节样式。

3.1 点云数据预处理

外业工作获得点云数据后，需要一系列数据处理过程，包括点云配准、点云去噪、点云分割、拟合、三维建模等。

3.2 三维点云模型及保护部位线画图

本次采用徕卡专业拼接软件register 360 进行初步拼接，完成后倒入cyclone 软件进行最终调整，完成拼接，拼接最大误差≤0.001 m。之后在cyclone 软件中进行数据处理，完成三维点云模型，该模型真实还原了该建筑的空间尺寸，而且真彩云已经具有良好的三维视觉效果。建筑点云模型见图5。

图4 特色木屋架

图5 建筑点云模型

在三维点云的基础上，将重点保护部位点云分割出来，导入AutoCAD 的Cloudworks 插件中，对相关花饰图形进行绘制，以便在建筑物重建时进行复原。图6～11 为典型部位三维点云图和CAD 线画图。

图6 特色窗点云图

4 建筑物倾斜测量

为了解房屋目前倾斜情况，现场采用Topcon OS-602G 全站仪、300 mm 钢直尺、JZC-D 建筑工程质量检测器等相关设备，根据《建筑变形测量规范》（JGJ8—2016），采用投点测量法，选择适合测量的外墙棱线进行了现场垂直度测量。倾斜点位布置见图12，测量结果见表1。

表1 房屋倾斜测量结果

图12 倾斜点位布置图

测量结果表明：房屋整体向东、北方向倾斜，其中向东最大倾斜率为0.8‰，向北最大倾斜率为3.0‰。测点的最大倾斜率均未超过《优秀历史建筑保护修缮技术规程》（DGTJ08-108—2014）规定的限值10‰。

5 建筑完损检测

为明确房屋完损状况，对房屋建筑风貌、建筑装饰、结构体系及构件、设备设施及生物等进行现场完损检测。结果表明，该建筑装饰损坏主要存在外立面及室内窗角裂缝、墙面及平顶渗水生霉、粉刷酥松脱落等情况；结构体系及构件主要存在外立面及室内窗周墙体裂缝、粉刷脱落露砖等损坏；生物损坏主要存在墙体植物生长、开裂等现象。

6 建筑承载能力鉴定

6.1 材料、荷载及参数

采用ZC-4 型砖回弹仪对砌筑砖强度进行检测，房屋墙体砌筑砖抗压强度推定等级为MU7.5；采用SJY800B 型贯入式砂浆强度检测仪对砌筑砂浆强度进行检测，房屋墙体砌筑砂浆抗压强度推定值为0.9MPa。

图7 特色楼梯点云图

图9 天花装饰

图10 南立面西侧特色窗样式

图11 阳台吊灯

房屋恒载：现浇板楼面4.1 kN/m2，木搁栅楼面1.0 kN/m2；木屋架屋面2.0 kN/m2。房屋活载：室内2.0 kN/m2；楼梯间2.0 kN/m2；不上人屋面0.5 kN/m2；上人屋面2.0 kN/m2。基本风 压0.55 kN/m2，地 面粗糙度C类；雪荷载为0.2 kN/m2。

抗震设防类别：丙类（标准设防类）；抗震设防烈度：7 度；基本地震加速度：0.10 g；地震分组：第一组；场地：IV 类；抗震鉴定分类：A类建筑，后续使用年限30 年。

6.2 承载能力计算

按照《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）、《砌体结构设计规范》（GB50003—2011）等现行国家和地方标准，采用中国建筑科学研究院结构研究所PKPM2010 V5.1 系列计算软件，对被检测房屋上部结构承载力进行验算。计算时，分别进行考虑地震作用和不考虑地震作用的承载力计算。计算模型见图13。

图13 房屋计算模型

计算结果表明：在正常使用荷载作用下，房屋主要墙体抗压承载力基本不满足要求；房屋4 层（Ⓔ～Ⓚ，㉒～㉔轴）墙体高厚比不满足要求，其余墙体高厚比满足要求 。

抗震承载力验算结果表明，房屋墙体抗震承载力基本不满足要求。

6.3 构造措施

经排查，该房屋砌体砌筑方式基本正确，与木构件连接方式基本正确，砌筑砖与砌筑砂浆黏结基本完好，同时，墙体高厚比基本不符合现行相关规范的规定，构造存在局部缺陷，导致构件开裂，影响正常工作。

根据《现有建筑抗震鉴定与加固规程》（DGJ 08-81—2015）的相关条文，对该房屋的抗震构造措施进行排查，结果表明，该建筑房屋材料强度中砌体块材强度、整体性连接构造中楼屋盖均未布置圈梁，易引起局部倒塌的部件连接中局部砌体墙段尺寸及楼梯间大梁搁置长度不符合相关要求，其余如房屋高度、层数等各项措施均符合或基本符合相关要求。

7 木构件计算

经现场勘查可知，房屋木构件主要采用杉木，其材料强度可按TC11A并考虑0.8 的折减系数取用，材料抗弯强度为8.8 MPa、材料顺纹抗压强度为8.0 MPa、材料顺纹抗拉强度为6.0 MPa、材料顺纹抗剪强度为1.12 MPa。

按照《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)、《木结构设计规范》（GB50005—2017）等现行国家和地方标准，对房屋楼面木搁栅进行承载力及变形验算，并对木屋架进行承载力验算。验算公式如下：

式中，fm为木构件材料的抗弯强度设计值（N/mm）；fc为木构件材料的顺纹抗压强度设计值；ft为木构件材料的顺纹抗拉强度设计值；fv为构件材料的顺纹抗剪强度设计值。

计算结果表明，在荷载效应基本组合作用下，该房屋主要承重的木搁栅承载力及挠度基本满足要求，主要承重的木屋架承载力不满足要求。

8 结语

本文采用三维激光扫描技术对某落架重建文物保护建筑进行扫描，完成该建筑的三维模型重建，及重点保护部位的CAD 图纸绘制，并对该建筑进行倾斜、完损检测，对其结构进行安全性鉴定和抗震承载力鉴定。得到以下结论：①采用三维激光扫描技术可以完整地采集文物保护建筑的空间信息和细节构造，在修缮重建时有较大的作用；②该建筑木格栅承载力和挠度满足要求，在重建过程中可以直接使用，木屋架承载力不满足要求，建筑重建时应对其进行加固或更换后使用；③该建筑部分构造不满足现行规范要求，在重建时应在保证外观的前提下完善构造措施。