現代技術在保國寺大殿保護中的應用

符映紅

摘 要 保國寺大殿是長江以南保存最完整的古建筑之一，具有很高的歷史、藝術和科學價值，自上世紀五十年代至今的60余年來，建筑史學、文化遺產保護的大批專家學者對保國寺北宋大殿進行了縝密的研究與審慎的保護。進入21世紀以來，保國寺古建筑博物館與清華大學、東南大學、同濟大學、浙江大學、中國林業科學研究院等專業機構開展了一系列課題項目的合作。為了能夠更有效和有預見性地做好文物保護工作，采用現代信息技術對大殿及其環境進行信息采集、信息管理、分析與展示。近幾年大殿保護中采用了大量的現代技術，包括三維激光掃描、有限元分析、熱紅外成像、阻力儀、超聲波等。

關鍵詞 保國寺 現代技術 保護監測

中圖分類號：TU-87 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.077

0概述

在1954年第一次全國文物大普查時，南京工學院（現東南大學建筑學院）師從著名建筑學家、建筑史學家劉敦楨教授的竇學智、戚德耀、方長源三位先生在偶然中發現了寧波保國寺大殿的文物價值，并在1957年的《文物參考資料》第8期發表了《余姚保國寺大雄寶殿》一文，從此結束了我國江南地區已無宋代木構遺存的臆斷，引起政府部門和社會各界人士的高度重視和關注。后經劉敦楨、陳從周兩位教授的大力舉薦，現存建于北宋大中祥符六年（1013）的保國寺大殿在1961年被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位。

自上世紀五十年代至今的60余年來，建筑史學、文化遺產保護的大批專家學者對保國寺北宋大殿進行了縝密的研究與審慎的保護。早在1981年，國家文物局文物保護科學技術研究所、清華大學建筑學院就開展對大殿的價值研究，委托華南林學院對大殿材質予以鑒定，以及運用C14測定、樹輪校正等技術手段進行判證。進入21世紀以來，保國寺古建筑博物館與清華大學、東南大學、同濟大學、浙江大學、中國林業科學研究院等專業機構開展了一系列課題項目的合作。

保國寺大殿具有很高的歷史、藝術和科學價值，然歷經千年滄桑，不可避免地存在一些減低了建筑質量、影響了建筑壽命的殘損。為了能夠更有效和有預見性地做好文物保護工作，自2007年保國寺古建筑博物館開始構建文物建筑的保護監測系統，采用現代信息技術對大殿及其環境進行信息采集、信息管理、分析與展示。經過7年多的監測，積累了不少數據，同時也發現了不足，現對設備等進行升級。近幾年大殿保護中采用了大量的現代技術，包括三維激光掃描、有限元分析、熱紅外成像、阻力儀、超聲波等?，F對這些技術介紹如下。

1三維激光掃描

三維激光掃描測量系統是建立在長度精密測量和角度精密測量基礎上的極坐標測量系統，具有快速、動態、精度高等優點，在機械制造、模具加工、工業測量等領域得到廣泛應用，自本世紀初開始逐步應用于文化遺產保護工作。三維掃描可以比較完整記錄文化遺產的現狀，相較于傳統測繪圖紙，其記錄的信息更加全面和精確，特別是現狀中一些不規則變化和重復構件的個體差異都會被記錄下來。

經過多年的實際應用，目前三維激光掃描已經被大量應用于歷史建筑保護的前期文物本體信息采集中。比較三維激光掃描和手工測量，前者具有更高的精度。尤其對于柱頭平面而言，手工數據在測量難度、精度和數據量上都明顯處于劣勢。

處理三維激光掃描成果得到柱網平面數據的方法主要有兩個：一是通過多站拼合等方式將目標范圍內的立柱截面點云提取出來，進而擬合出各個立柱的中心點坐標，最終通過測量這些立柱中心的相對關系得出柱網平面；一是延續手工測量方法，通過直接測量關鍵點的相對距離間接導出柱網平面。兩者各有優缺點。針對不同的需求，采取不同的測量方法，前者更適合針對古建筑木結構的整體變形勘察，后者則具有更高的單數據精度，更利于古建筑設計規律的研究。測繪圖如圖1、2：

2有限元分析

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限分析（FEA）軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數計算機輔助設計（CAD，computerAideddesign）軟件接口，實現數據的共享和交換，如Creo，NASTRAN，Alogor，I—DEAS，AutoCAD等。是融結構、流體、電場、磁場、聲音分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業、鐵道、石油化工、航天航空、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用。

鑒于保國寺大殿的長期安全性，考慮安裝更為系統的結構監測系統，采用有限元分析軟件并建立保國寺有限元模型，通過在極端環境及其結構響應修正有限元模型，獲取精確的保國寺有限元模型，并利用該模型對保國寺大殿進行仿真分析，計算模型利用有限元分析軟件ANSYS15.0建立，模型如圖3所示：

大殿的整體結構可視為梁柱結構體系。盡管木材質順紋與橫紋的力學性能不同，但由于建造時為順紋建造，因此建模過程中可以把木材視為各向同性材料，斗拱可簡化為壓桿，故而梁、柱及斗拱的單元均選擇為BEAM188單元，屋面單元為SHELL181，密度 = 4.8？03Kg/m3，彈性模量E = 6.75？03MPa，泊松比%n = 0.3。由于木結構的榫卯鏈接是介于剛接與鉸接的半剛性連接，但考慮到該模型的復雜性，以及為了能將結構偏于安全計算，故而將模型中的主要節點設置成了鉸接，次要節點則按剛接考慮。等效后的計算模型見圖4。

保國寺大殿所受荷載與作用按照結構荷載的作用形式來劃分，主要可分為三類，分別為永久荷載、風荷載、溫度作用。

由風荷載作用下的結構變形圖可知，大殿內部四根通長的柱子變形較大，與柱子直接相連的橫梁變形也較為顯著，因此，選擇上述位置作為長期健康監測的重點區域，該有限元模型可為傳感器安裝部位的選擇提供參考。通過數據積累、分析，修改有限元模型。

3熱紅外成像

電磁波的波長為2.0～1000微米的部分稱為熱紅外線。多有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體，都會不停地發出熱紅外線。所以熱紅外線是自然界中存在最為廣泛的輻射。物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關。

熱紅外測試原理：含水率高的材料，其溫度低，熱輻射低，與低溫度有明顯區別，所以可根據溫度而判斷潮濕程度。由于環氧樹脂與木材屬于兩類不同種類的材料，對水分的吸濕性有差異，通過測定不同柱子的熱紅外差異，找出木柱內樹脂分布情況。

對三根木柱整體進行熱紅外檢測，并未發現溫度出現明顯差異，對其中一個柱子不同高度進行熱紅外測試，數據僅在小范圍進行波動，并無明顯差異。如圖6。

4德國微鉆阻力儀（IML-RESIPD400）

木材微鉆阻力儀的原理是采用一個直徑1mm或稍大一點的小鉆針，在通電的情況下使用均勻速度加力使小鉆針穿入木材內部，阻力儀就采用攜帶的計算機磁盤記錄小鉆針根據木材密度分布不同而產生的阻力曲線，其中阻力大小和進入深度直接相關。根據阻抗曲線可以判斷木材內部具體部位的空洞、腐朽情況，為判斷木材內部腐朽、蟲蛀程度提供有效可靠的依據。

由于木柱存在多瓣的形式，檢測時以每瓣都在檢測范圍為原則，以水平直線式進行測試。對于木柱直徑大于儀器檢測范圍（60cm）的木柱，采用木柱兩側對穿的方式進行測試。用PD-ToolsPro.軟件對現場測試結果進行阻抗曲線整理，用AutoCAD軟件繪制不同高度不同程度腐朽空洞截面圖，檢測結果根據木柱類型八段包鑲柱、四段合柱、整木柱分為三類。

5超聲波測試

5.1超聲波檢測原理

超聲波是一種機械振動，大部分采用的超聲波檢測頻率在0.1到25兆赫茲（MHz）之間這樣一個遠超過人類聽覺的頻率范圍。

采用超聲波對穿的方法檢測木材，傳感器一端為發射極（T）另一端為接收端（R）。在已知木材直徑的情況下，通過接收端測得的時間可以得出超聲波在此木材中的傳播速度。密實的木材超聲波可以直接的穿過，所用時間為t1；有空洞和裂隙的部分，超聲波需要繞過這些部位發生折射從而延長傳播路徑或是因為在空氣為介質的縫隙中傳播速度較慢而延長到達時間t2，t2大于t1，所以帶有空隙的波速小于密實木材的波速，所以可以根據波傳播速度的快慢來判斷木材內部是否受損。如圖7所示。

5.2測試方向選取

T=發射端，R=接收端，a）直接測量，b）半直接測量，c）間接測量

參考超聲波檢測混凝土與石材的方法，根據木柱的形狀特點本次檢測選用（a）直接測量法，也就是超聲波橫向穿過木柱。如圖8所示。

5.3超聲波頻率及傳感器的選擇

對于一般的超聲波速測試，超聲波的頻率選用54kHz的探測器。超聲波測量的距離應滿足大等于一個波長，v=%df以每秒3000米的速度計算，54kHz的一個波長大約為60mm，而此次大殿內待檢木柱的直徑約為500mm，所以需要通過降低超聲波的頻率來增加可測距離。高頻率的波能量損失過大，在木材的內部經過多次折射與反射的過程后，波的機械能轉化成了木材的內能被消耗殆盡。本次實驗儀器為瑞士產Proceq超聲波檢測儀，可供選用的最低頻率傳感器為24kHz。

一般來說，超聲波傳感器與被測物體對接的表面是水平的，這樣更利于貼合緊密。但是由于木柱表面是弧形，檢測中首先考慮了錐形傳感器，如圖9。

錐形傳感器可以定位更準確，在凹凸不平的表面上進行測量，由于直徑較大（約為500mm），難以接收到有效信號，于是改用24kHz低頻率的傳感器，從而實現遠距離探測。

檢測發現，同一木柱，超聲波速隨著其含水率的增大而降低。對于不同木柱，波速大的內部密實度高。

6傳感器

原先結構檢測中使用的傳感器、光纖光柵等在其他文章中有所描述，在此不再敘述。

因單純的溫濕度、含水率，沒有同木材腐蝕、霉變結構在一起，對分析數據沒用，故在此不再敘述。

風速風向傳感器是一種利用超聲波在空氣中傳播時間差來測量風速以及風向的測量儀器，采用超聲波相位補償技術、隨機誤差識別技術，可以精度更高，并在大風情況下也保證測量的低離散誤差；針對細雨、濃霧天氣的測量補償技術，具有更強的環境適應能力；由于沒有機械運動部件，因此性能可靠，無需過多的設備維護工作量。由于保國寺需要對屋面的風速風向進行長期連續測量，故超聲波風速風向更適用。

水位傳感器是一種測量液壓的壓力傳感器。靜壓投入式液壓變送器（液壓計）是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號（一般為4～20Ma/1～5VDC）。

7展望與總結

隨著保國寺大殿科技監測系統的升級，會有越來越多的現代技術應用在文物保護中，特別是對搜集的數據進行分析。隨著互聯網技術的發展，基于互聯網的分布式的數據存儲、計算和發布被形象地稱為“云技術”。應用云技術不僅可以發布監測數據還可以通過云計算將監測數據的分析研究工作的互聯網上實時完成，當然監測數據本身也可以直接存儲或備份在云端。

通過數據的分析，找出數據的地關鍵值，進一步推進材料受損與環境變化之間的關系，找出大殿最適宜的保存環境以及環境數據的預警值。

總之，通過現代技術的運用，力爭更完善更全面地開展文物敬愛念珠保護監測工作，并努力加強基礎研究，嘗試將監測工作與文物管理工作更為精密地聯系起來，更及時科學有效地掌握文物狀。

參考文獻

[1] 湯眾.空間信息采集中的三維激光掃描技術應用[A].2006年全國高等院校建筑數字技術教育探討會論文集[C].華南理工大學出版社：159-162.

[2] 劉暢.浙江寧波保國寺大殿大木結構測量數據解讀.中國建筑史論匯刊（第壹輯）.清華大學出版社，2010.

[3] 林業科學研究所木材工業研究所2009年寧波保國寺大殿木結構材質狀況勘查報告.

[4] 上海同濟大學歷史建筑保護實驗中心.寧波保國寺大殿宋柱現狀堪查評估報告.寧波保國寺大宋柱環氧樹脂修復效果評估研究報告.