面向預防性保護的上海音樂廳觀眾廳大頂安全監測技術

谷志旺 張 銘 孫沈鵬 王偉茂 張 波

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

文物建筑是不可再生的歷史文化遺產，是城市歷史文脈的延續。由于建造年代久遠，歷經多年使用加之內外空間環境改變以及材料自然老化，文物建筑各項性能都隨時間逐漸退化，存在一定程度的安全隱患。由于文物保護與傳承需要，文物建筑尤其是特色保護部位的特征價值不容改變，常規的更新替換方法無法實施，潛在的安全隱患無法根本性消除。文物建筑長期可持續性的安全使用性能難以得到有效保障[1-7]。

現代監測技術可為文物建筑安全使用提供預警，通過對文物建筑相關部件的各項性能及動態變化進行全方位持續性監測，可以掌握其服役狀態下的整體狀態及其損傷后的性能退化規律，便于及時發現、處理和消除潛在的安全隱患，確保文物建筑安全使用。

本文以上海音樂廳文物建筑觀眾廳大頂預防性保護為例，探索文物建筑特色保護部位安全監測技術，為文物建筑保護和利用提供技術支撐。

1 項目背景

1.1 工程概況

上海音樂廳，原名南京大戲院，建成于1930年3月，1950年11月更名為北京電影院，1959年9月改名為上海音樂廳，為上海市第一批優秀歷史建筑、上海市文物保護單位。2003年，因市政高架建設，對上海音樂廳進行整體性移位保護和擴建改造，移位后的上海音樂廳由文物保護區和非文物保護區兩部分組成，總建筑面積12 986.7 m2，其中文物保護建筑面積2 557.58 m2。主要涉及的文物保護區域有觀眾廳大禮堂、北門廳大堂、東休息廳等部分（圖1）。

圖1 上海音樂廳

1.2 觀眾廳大頂概況

上海音樂廳觀眾廳大頂，距今也已有90年的歷史，為文物重點特色保護部件。大頂南北長約28 m，東西寬約21.7 m，建筑面積約600 m2，距地面高度約13 m。大頂中心為圓形穹窿，四周飾以淺雕的裝飾線腳并貼金紋飾，精巧美觀，復雜而不零亂，變化富有層次，與廳內墻面壁柱裝飾和舞臺臺口花飾融為一體（圖2）。

圖2 上海音樂廳觀眾廳大頂

1.2.1 大頂結構構造

觀眾廳大頂由上部木屋架、下部裝飾層以及吊筋連接件三部分組成。木屋架共7榀，為雙坡型，擱置在東西兩側墻柱上；單榀木屋架寬約23 m，高約5 m，由上弦桿（250 mm×250 mm）、下弦桿（300 mm×300 mm）、斜桿（150 mm×150 mm、200 mm×200 mm）、豎桿（φ19～φ51 mm鋼桿）組成；擱置在木屋架下弦梁的木擱柵為50 mm×250 mm@900 mm。下部裝飾層基層為鋼板沖切張拉而成的鋼板網，上面綁扎著25 mm×5 mm的鋼條以及直徑6.5 mm分布筋，作為鋼板網龍骨。穹頂表面精美花飾是在鋼板網下面批紙筋灰制作而成，厚度20～50 mm。整個穹頂裝飾層通過φ6 mm吊筋一端懸吊鋼板網龍骨，另一端通過穿孔夾板固定在木擱柵上，吊筋間距約900 mm（圖3、圖4）。

圖3 觀眾廳大頂三維示意

圖4 觀眾廳大頂構造組成

1.2.2 大頂歷次修繕情況

2003年對上海音樂廳進行移位修繕時，對大頂進行整體移位保護，使其得以完整保留。移位后，對木屋架木構件采用碳纖維布封閉式粘貼、鐵件抱箍方式加固，并在各屋架頂部間設置75 mm×200 mm的方木系桿，屋面木桁條改為125 mm×260 mm@845 mm，吊頂木擱柵改為50 mm×250 mm@500 mm；同時在原木屋蓋上方新增鋼結構屋蓋，作為房屋新屋面，拆除原屋面瓦片，改用20 mm厚屋面企口板+擠塑保溫板，減輕原木屋架的荷載。

此外，對大頂裝飾層及吊筋連接件進行專項修繕，采用下列加固措施：新增木擱柵與鋼龍骨間吊筋，分散連接荷載；吊頂紙筋灰層增加托吊不銹鋼片，加強面層與鋼絲網連接；鋼絲網表層涂結構膠，減緩銹蝕過程；對鋼龍骨進行除銹后涂防銹漆；在鋼絲網與鋼龍骨間綁扎銅絲以提高牢固程度。通過上述措施提升觀眾廳大頂安全使用性能。

1.3 問題及需求

2019年3月，上海音樂廳再次啟動文物建筑保護修繕。修繕前，對觀眾廳大頂進行詳細的專項查勘，發現大頂裝飾層存在百余條裂縫、鋼板網銹蝕等損傷情況，其中部分裂縫深而長，貫穿整個裝飾層。

考慮到大頂已有90年歷史，各項性能有所衰退，并且歷次修繕過程中雖采取不同程度的修繕措施，但并未進行完整性修繕。因此在本次修繕時，要求在對大頂現狀損傷進行保護修繕的同時，做好大頂預防性保護；提出加強后續大頂使用過程中的安全監測，全面了解大頂安全狀態，為及時處理、消除大頂潛在安全隱患提供技術支撐，確保觀眾廳安全使用。

2 特點難點和技術路線

2.1 特點難點

1）非結構類的老舊組合裝飾大頂，全生命周期監測難度大。不同于傳統結構構件監測，觀眾廳大頂由結構和非結構裝飾構件組合而成，構造形式多樣；構件材料存在損傷；再加上大頂的破壞類型比較復雜，通過監測來反映大頂全生命周期服役狀態，難度比較大。

2）大頂安全重要等級高，監測、分析和評估應及時、系統和高效。通過監測手段全面了解大頂各項性能，及時處理和消除潛在安全隱患，確保大頂安全服役，對觀眾廳正常運營至關重要。因此，應建立一套高效、智能安全監測系統，實時反饋監測信息，對大頂服役狀態進行分析和評估。

3）大頂監測不得破壞文物建筑，不得干擾觀眾廳正常演出。觀眾廳大頂作為文物重點特色保護部件，對大頂安裝監測傳感設備，應遵循文物建筑保護原則，不得損壞文物保護構件，不得影響文物空間整體風貌。此外，觀眾廳作為上海音樂廳觀演場館，對大頂進行全過程監測不得干擾音樂廳正常演出。

2.2 技術路線

考慮文物建筑保護要求與特色部位安全，在觀眾廳大頂的關鍵部位無損安裝遠程智能監測設備，對觀眾廳大頂運營環境、構件受力性能實施全生命周期的監測，全面掌控大頂服役狀態；同時，構建觀眾廳大頂遠程監測管理平臺，所有監測數據通過遠程傳輸到云端數據庫，并將監測圖表數據與大頂模型進行聯動，通過平臺實現監測數據的可視化展示，對大頂變形進行智能監控和預警。

3 監測方案設計

3.1 大頂安全性能數值分析

考慮文物大頂構造形式多樣、傳力體系錯綜復雜，采用數字技術建立大頂三維模型，結合材料性能檢測，開展基于材料損傷模型的大頂安全性能分析。考慮木屋架結構與裝飾面層的抹灰自重荷載以及馬道活荷載。通過計算分析發現：木屋架結構中的下弦桿桿件所受彎矩較大，尤其是靠近端部位置、上弦桿端部彎矩較大，腹桿應力水平較高；木屋架下弦桿中點左右1/3處豎向位移較大。此外，裝飾面層部分豎向位移主要集中在2榀木屋架的中央區域，最大豎向位移值為13 mm。

3.2 大頂監測方案設計

3.2.1 監測內容

為充分反映大頂裝飾層及上部木屋架安全狀況，結合大頂各部分性能理論分析，從以下2個方面對大頂進行整體監測。

1）觀眾廳大頂運營環境監測。由于大頂為鋼、木結構組合體系，木結構為大頂主要部件，白蟻、溫濕度變化、火災等環境因素對大頂的安全運營影響甚大，因此，對上述環境因素進行全過程監測。

2）觀眾廳大頂變形監測。對大頂上部木屋架應力、變形，下部裝飾層沉降、剝離進行監測，來監控大頂結構性坍塌、裝飾面層層間剝離等可能性。

3.2.2 監測設備布設和安裝

1）溫濕度監測。考慮到大頂木構件、紙筋灰材性與溫濕度的相關性，監測木屋架及大頂周邊溫濕度情況。在木屋架內、木屋架與鋼屋架間內各放置2個溫濕度監測設備。

2）白蟻監測。在木屋架內部選取5榀木桁架，每榀木桁架上布置1臺白蟻監測設備，同時在木屋架周邊布置2臺白蟻監測設備，對白蟻進行監測。

3）消防火災監測。在木屋架室內四周及中間位置均布安裝煙霧監測報警裝置、紅外光束感煙探測器、視頻監測系統，并結合溫度監測設備對木屋架內消防火災隱患進行監測。

4）木屋架位移變形與應力監測（圖5）。選擇⑤軸和⑦軸木屋架桁架作為典型構件對木屋架應力變形進行監測。在木屋架下弦桿左右各1/3處及跨中位置處布置靜力水準儀監測豎向位移；在上弦桿和下弦桿上設置傾角儀，監測木屋架平面內外傾斜情況；同時在木屋架近馬道內側受拉腹桿、下弦桿中部和端部受拉區，以及上弦桿端部受壓區等應力水平較大區域布置振弦式應變計，監測木屋架主要構件的應力水平。此外，布設振動傳感器，獲取正常使用下木屋架振動響應，判斷木屋架是否處于安全狀態。上述監測傳感器通過U形鋼抱箍安裝固定在屋架木構件上，方便安裝和拆卸，也避免對木構件造成損傷。

圖5 木屋架監測點位布置

5）大頂裝飾面層位移變形監測（圖6）。大頂裝飾層變形包括裝飾整體變形、面層與基層鋼板網間脫落剝離和裝飾面層開裂3種類型。在大頂下方觀眾廳內布置激光測距儀監測裝飾面層整體變形，監測設備測量精度不低于1 mm，共布置25臺測距設備；采用拉線式位移傳感器與激光測距儀設備兩者組合監測裝飾層脫落，在裝飾層上表面（木屋架內）布置25臺拉線式位移傳感設備，一端固定在木屋架，另一端固定在鋼板網上，與觀眾廳內激光測距儀布設點位豎向對齊，通過兩者監測差值來反映面層脫落情況。此外，采用三維掃描、圖像采集對觀眾廳大頂裂縫進行定期巡查，并對裂縫長度和寬度進行識別診斷。

圖6 大頂裝飾層監測設備布置示意

考慮到激光測距儀器安裝不得影響觀眾廳整體美觀和正常使用，同時又能實現對觀眾廳大頂的監測，現通過優化安裝位置，選取座椅椅角靠背墊處大理石地面位置進行安裝，利用座墊回轉后椅背與椅座間的空隙為監測提供空間。

3.2.3 監測頻率設置

以監測系統全面反映監測對象所測項目重要變化過程，不遺漏其變化時刻為原則，在不影響正常演出的條件下，初步確定各監測頻率：環境溫濕度、白蟻蟲害、消防火災24 h持續監測；木屋架變形與應力監測1次/h，裝飾面層變形監測1次/d，此外面層開裂每2個月監測1次。后期結合監測數據分析，如有調整需求，可通過遠程重新設置監測頻率。

3.2.4 監測預警值設定

基于損傷結構的大頂數值模擬分析，結合構件的損傷程度和安全重要性，參考相關規范標準，制定大頂變形初始預警值。后期基于大頂監測變形增量數據的迭代分析，并結合穹頂現狀，對預警值進行優化調整，以便與穹頂實際服役情況相符合。

4 監測管理平臺構建與設計

4.1 監測管理平臺構建

監測管理平臺包括數據采集與傳輸端、數據管理與存儲端、數據分析與展示端以及預警端等部分。基于物聯網與5G技術，將采集后的監測數據遠程傳輸至云端數據庫，并按照設定好的算法自動完成數據的篩選、過濾、分析與評估；通過三維激光掃描、無人機航拍、近景測量等手段，結合BIM技術對大頂進行實景逆向建模，構建大頂三維數字化模型，以BIM數字化三維模型為載體，將監測數據和模型進行聯動，監測結果通過云圖在平臺模型上進行可視化展示。

此外，基于大頂變形增量數據的迭代分析，結合構件的損傷程度和安全重要性，建立分級預警制度，一旦監測數據超過預警值，將自動提示使用者提前介入與判別風險，以保障大頂的正常使用。

4.2 監測管理平臺功能設計

4.2.1 監測場景及傳感器狀態查看

通過平臺可查看帶紋理貼圖和光照等真實感效果的三維監測模型，體驗大頂監測場景，支持通過視角變換、漫游等方式從不同角度查看大頂構造層各構件狀況，以及構件監測設備點位、性能和工作狀態，幫助用戶更直觀地了解大頂監測情況。

4.2.2 監測數據實時分析

通過平臺可以查看大頂實時監測數據，直接知曉大頂工作狀態下各項性能參數；同時將監測數據與模型進行聯動后，監測結果直接通過平臺上的模型云圖顯示，直觀獲取大頂服役狀態和各項部件的變化。此外，在平臺上可以隨意選擇某個歷史時間點，結合模型查詢大頂各構造層構件的歷史監測工況和數據，為大頂進行事中監控和事后分析提供數據支撐（圖7）。

圖7 觀眾廳大頂安全監測結果展示平臺界面

4.3 綜合評估與預警

平臺可以自動實現監測數據與預警值間的實時對比分析，一旦監測值超出正常范圍，平臺將自動生成報警消息，并根據預警等級將其推送到相關管理人員手機移動端或電腦端，提示管理人員提前判別與介入風險，以保障大頂的正常使用。

5 結語

針對上海音樂廳觀眾廳文物保護大頂安全監測問題，結合大頂安全性能理論分析，合理選擇監測方法和設備，實時、高效、連續性獲取大頂服役狀態，構建智能監測管理平臺，對大頂的使用狀態進行評估、分析與可視化展示，并進行相關預警，輔助觀眾廳運營管理，確保上海音樂廳文物建筑的安全使用。

此外，通過監測獲取相關數據，對文物保護部位構件使用安全狀態進行評估，既可以實時掌握文物建筑使用狀態，又能保護和延續文物建筑的原始特征與價值，為歷史文物建筑的預防性保護提供有力的技術支撐。