淺議利用自動化結構安全監測技術保護南京明城墻

葉楊

摘要：地質環境不斷發展變化，對南京明城墻一類的古建筑也造成了損壞威脅，如何加強明城墻等歷史遺跡的保護工作，也被納入文物保護工作的重點。本文重點研究南京明城墻當前所受到的損壞威脅，針對自動化結構安全監測技術應用進行探討，幫助明確利用自動化監測技術完成南京明城墻保護工作的重點方向，為我國歷史建筑物保護工作開展提供技術的理論支持。

關鍵詞：自動化結構;安全監測技術;明城墻保護

一、南京明城墻基本情況概述

南京明城墻是我國歷史悠久的古建筑，距今已有600余年歷史，南京明城墻是目前世界上最長，并且建筑規模最大的古代城垣，目前完整保存的長度達到25.1公里。在我國歷史時期南京明城墻曾經過一系列改革，最初城墻建筑均是以方形或矩形存在的。明城墻建筑設計中，卻根據山脈水系走向，將山川、天空、湖泊融合在明城墻設計中。所形成的明城墻建筑東有鐘山依靠，北有湖泊為屏障，西部將山丘內城相連。所形成的明城墻具有防御功能，同時更是占據了天時地利人和的軍事要素。南京明城墻的建筑打破了我國傳統城墻建設理念，更凸顯出我國歷史建筑的文化特色。南京明城墻具有歷史價值觀賞價值以及考古價值，在國際上的地位僅次于長城。更是為數不多可以代表中國歷史文化的傳統建筑。早在1956年南京明城墻便被列為江蘇省重點文物保護單位，到2012年明城墻作為“中國明清城墻”項目，被列為中國世界文化遺產的預備名單，這也使得南京明城墻保護進入到全新階段。南京明城墻維護工作內容較多，而且南京明城墻的長度相對較長，使得部分城墻段一直沒有維修過，存在著歷史遺留問題。而明城墻發生局部坍塌，則會造成一定的損失，比如城墻磚損壞或者整體形狀變形等。就定淮門-小桃園段城墻坍塌情況來看，里墻與表墻存在明顯分層，而且沒有交錯咬接，加之自然環境的長期作用，比如雨水滲透的長期作用，使得城墻發生坍塌問題，尤其是雨季城墻局部坍塌情況。城墻維護工作面臨著一定的難度，部分城墻維修工作，若其表面完好，則不可以拆除城墻，而且南京明城墻大部分已經完成修復了，發生局部坍塌的是少部分，因此難以按照規律處理，只能采取加固搶險措施，對發生坍塌情況的城墻進行處理，避免坍塌范圍擴大，制定修繕方法。除此之外，還需要做好城墻檢測工作，除了做好定期檢測外，還需要做好安全分析，從南京明城墻建設研究入手，利用歷史資料數據，深入的研究城墻結構，對周圍環境與氣候進行分析，做好風險預測，以制定維護方案。

二、南京明城墻結構損壞的隱患類型

1、墻體變形

歷史城墻建筑保存年限較長，其中難以避免的便是墻體變形問題，雖然經過漫長的時間熏陶，南京明城墻已經出現墻體變形。但經過監測以及維修人員的努力，可以將這種墻體變形控制在不影響整體建筑物質量的范圍內。造成墻體變形的因素與南京明城墻自身結構離不開關系，在古代建筑技術并不能達到當今的發達程度。受建筑材料以及運輸等多方面因素影響，明城墻的建筑整體很難實現承載力統一，且城墻不同路段所處的地理環境有很大差異性。例如部分城墻是直接與湖水相接處的，長期在湖水浸泡下，城墻自身結構更容易損壞。一旦承載力方面出現明顯差異，墻體變容易出現結構變形。從明城墻的整體形勢上來分析是十分危險的，任何微小的變形都可能造成整體呈強損壞或者坍塌的嚴重后果。墻體變形還容易引發其他隱患，墻體變形達到一定嚴重程度時，會引發裂縫或者局部坍塌的情況，墻體裂縫變形控制，也是南京明城墻結構保護建設的重點內容。

2、墻體裂縫

墻體裂縫造成因素比較復雜，可能是來源于地上墻體結構變形，也可能是由于地基土壤沉降所導致。南京明城墻建成至今已有六百余年歷史，在這六百多年間地殼變化所造成的土壤層沉降是不可忽略的。日積月累的基層沉降，最終會作用在明城墻墻體結構上，進而引發墻體結構中的裂縫。建筑材料長期經過日曬以及風雨侵蝕，建筑結構表面也會出現細小的裂縫，產生裂縫后風沙等垃圾會進入到裂縫中，繼續對墻體造成更深的侵蝕。因此明城墻保護中墻體裂縫控制也是重點監測的內容，墻體裂縫是明城墻所有損壞現象中發生幾率最大的，需要經過日常監測來對其進行修補，避免明城墻進一步損壞。墻體裂縫可以作為單一損壞問題來監測彌補，同時也可以與墻體變形結合分析。深入研究造成前提裂縫的原因，這樣在對古建筑進行保護時才能制定出合理的方案。古建筑尤其是城墻內建筑物，細微裂縫是不可避免的，也更能顯示出建筑物悠久的歷史。對于墻體裂縫的修補也需要根據裂縫類型判斷，是否需要采取進一步控制方法，以免影響到建筑物整體美感。

3、墻體沉降

墻體沉降便是由于基層因素所造成，在這其中很大一部分原因是自然發展中不可控制的因素，墻體建筑長期對基層產生壓力，基層土壤自身便會出現沉降，這種沉降現象會隨著時間增長而愈發明顯。古代城墻所發生的沉降會導致地面以上城墻高度逐漸縮減大部分城墻建筑結構沉降到地表以下被封殺土壤掩埋后城墻建筑也會受到一定侵蝕。除此之外，不規則沉降還會造成城墻墻體發生破損，墻體沉降是古代建筑多種損壞問題的產生根源，對于墻體沉降的監測，需要分階段性來進行。在短時間內墻體沉降情況可能并不明顯，但隨著時間延長這種問題也會逐漸凸顯出來，具體的自動化監測中。可以預先對墻體沉降的監測時間段進行劃分，也可以采取動態監控沒模式，并對階段性的監控數據結果進行分析，這樣最終便可以合理判斷出墻體的沉降情況是否在安全范圍內。

三、基于自動化安全結構的監測方式

建議對于南京城墻的安全結構監測分為兩類，一是自動監測：采用物聯網傳感器的進行組網，通過數據的自動采集實現本體的自動化監測。通過傳感器將采集數據上報管理平臺，對上報數據進行實時分析，以便于得到對城墻管理有利的數據，盡量降低各種危險事件發生。二是固定時間監測：采用人工采集本體變化的細微數據，通過對比，比對兩個采集周期間的變化情況。固定監測主要針對本體難以通過傳感器進行實時監測而設計。由于人工采集數據的偶然性和成本都比較大，下文就目前城墻主要的表觀病害簡單提出幾種自動化監測方式作為參考。

1、裂縫監測

基于自動化結構開展南京明城墻監測保護，首先是針對常見的裂縫問題進行全面檢測。在南京明城墻墻體結構中布置傳感設備，傳感設備的具體安裝量，要根據監控區域長度來確定。為節省資源發揮最有效的監控功能，傳感器布置安裝會根據墻體磨損程度來選擇，在常見的磨損嚴重區域內，適當增多傳感器安裝數量。這樣使用過程中，便能夠對墻體的裂縫情況進行實時傳輸。裂縫自動監測，包括裂縫的具體位置裂縫走向、裂縫長度、裂縫深度以及裂縫的寬度。由于南京明城墻的總長度比較長，因此傳感器安裝也會采用無線形式來進行。傳感器采集得到的數據可以根據具體需求時間設定更新頻率，可以將其設定在1分鐘至24小時之內，傳統有線傳感器安裝布線過程比較復雜，會導致墻體表面出現復雜的導線，并不利于保護工作深入進行。這種新型的無線傳感器應用后，會利用特定的超聲波模式，來探測墻體內的裂縫深度情況，并將所得到的數據通過無線網絡傳輸至控制系統內。控制系統會同時監控所有傳感器，數據統一更新后在任何部分產生裂縫，都可以顯示在最終的控制中心。南京明城墻建筑總長度較長，采用人工監測控制方法，難達到保護工作需求，也會造成人力資源的損耗。通過這種自動化結構監測技術應用，可幫助構建出動態監測保護系統。

無線傳感器用在裂縫監測中，其明顯特征是可以避免對墻體造成二次傷害，這種自動監測技術是應用物聯網傳感器，來實現信息采集與上報。網絡信息傳輸受信號干擾，可能會出現延遲情況，在具體系統應用中技術人員也需要定期觀察，是否網絡接入點選擇中存在問題，以免影響到無線傳感器探測結果的正常傳輸更新。

2、位移監測

相比于裂縫監測，位移建設的難度要有所增大。位移監測主要是針對本體的橫向以及縱向移動來進行監測，掌握墻體本體的變化情況后，位移傳感器能夠對城墻的根基部分進行實時測量，墻體位移情況的監測，對于根基部分實時探測所得到的結果最為明顯。應用自動化結構安全監測技術，對于南京明城墻的保護系統構建中，最重要的是應該與人工監測相匹配，實現自動化結構模擬人工作業，這樣在對檢測結果進行分析時可以避免時間浪費。位移監測采用傳感器分點布置方法來實現，將傳感器的頂桿部分固定在城墻根基的磚上。當城墻根基部分的城磚出現位置移動，傳感器頂桿也會隨之產生滑動，這種位移變化會直接反饋到傳感器內部，并產生電流波動變化，將這種電流變化轉變為數字信號傳輸到控制系統內，并經過系統內部的計算轉變，從而得出城墻具體位置移動數據。位移監測還可以應用另一種技術方法來實現，便是將傳感器的拉線部分固定在城墻底部的城磚上，拉線相比于頂桿對于位移的感應靈敏程度更高。拉繩位移傳感器由可拉伸的不銹鋼繩繞在一個有螺紋的輪轂上，此輪轂與一個精密旋轉感應器連接在一起，感應器可以是增量編碼器，絕對編碼器，混合或導電塑料旋轉電位計，同步器或解析器。操作上，拉繩式位移傳感器安裝在固定位置上，拉繩縛在移動物體上。拉繩直線運動和移動物體運動軸線對準。運動發生時，拉繩伸展和收縮。一個內部彈簧保證拉繩的張緊度不變。帶螺紋的輪轂帶動精密旋轉感應器旋轉，輸出一個與拉繩移動距離成比例的電信號。測量輸出信號可以得出城墻的位移、方向或速率。發生任何細微的位置移動變化，拉線固定一端均能夠通過鋼絲來將其反饋到傳感器中。這種傳感變化是通過機械原理來完成的，機械記錄的數值經過傳感器轉變為電流信號，從而實現一系列監測任務。安裝這種拉線傳感器監測系統時，應該選擇不銹鋼材質的拉線，這樣可以有效延長安全使用年限。技術人員在常規檢修中也需要對拉線的緊繃程度進行調解。如果拉線過松，那么對于城墻的位置，移動變化感應也將會失去靈敏度，拉線過于緊繃又會容易損壞。

3、沉降監測

沉降監測通常布置在已經存在危險的城墻范圍中，沉降監測技術是應用震弦式傳感器來完成的，將傳感器通過鉆孔安裝在所布置孔洞內，再通過回填土來使其與墻體相互連接。墻體本體發生沉降變化時，傳感器也能隨之沉降，城墻在豎直方向所產生的變形沉降，通過靜力水準儀能夠有效檢測出。一旦靜力水準儀出現變化后，連帶傳感器所受到的壓迫因此改變，墻體沉降的深度增大后，傳感器也隨之進入到更深層的土壤中，因此所受到的土壤壓力也會有所增大。傳感器是通過檢測這一壓力結果，來判斷是否出現墻體本體沉降問題。在探測檢測過程中，需要對傳感器進行回填，并對傳感器作出充分保護。不同土壤深度所受到的地下水滲透壓力會有明顯變化，目前的技術已經能夠實現對土壤壓力以及水分滲透壓力綜合分析，從而計算出傳感器所處的土壤層深度，連帶計算出墻體沉降后的位置移動變化。自動化結構安全監測技術應用中，需要技術人員對明城墻不同危險區域的地質水文情況作出全面勘測，并將勘測結果生成數據庫，分別計算出處于不同土壤深度的壓力情況。這樣傳感器在地下探測得到的結果反饋時間才可以有明顯節約，技術人員在得到傳感器探測，結果后可以直接與額定的數據庫進行對比，進而了解到南京明城墻的沉降情況。

4、膨脹監測

膨脹監測需要結合氣候環境來進行，南京明城墻古代建筑長期受氣候環境影響，墻體本體的建筑材料很容易出現性質改變。這種性質變化分為物理變化與化學變化兩部分，化學變化則是由自然風雨侵蝕所造成的腐蝕問題，需要定期清洗避免腐蝕物質繼續存留在墻體表面造成更嚴重的問題。另一種物理變化則是由于材料內部填充物質的膨脹，而導致墻體失去平衡，進而造成其他問題。對于墻體膨脹的監控主要使用電平梁來進行，電平梁是安裝在明城墻墻體表面的使用螺絲安裝在螺旋桿上螺旋栓又通過鉆孔來將其固定在表面結構上，鉆孔后會采用最小的固定材料來將其填充，這樣便能夠形成墻體內部與表面相連接的一體化監測模式。對于表面滴監測結構安裝布置并不會對墻體整體結構造成影響，安裝后一旦墻體材料產生膨脹變化，這樣電平梁也會出現細微的平衡波動。反饋結果同樣是通過數字信號與模擬信號之間的轉變，以電流形式傳輸盜走控制中心內。墻體表面的膨脹絕對不容忽視。膨脹變化產生后需要對具體的數據做出詳細分析，進而判斷是否在膨脹區域周邊也已經產生影響，應用自動化結構安全監測技術來對南京明城墻加以保護，參數變化監測是必不可少的基礎環節。將參數變化監測與常規的數據控制相結合進行，可以得出更為有效的城墻安全維護方案，已經出現的細微裂縫或者膨脹變化，采取有效維護方法也可以在短時間內將其恢復正常。

5、過境交通監測

南京明城墻周邊境內過完交通車輛通行情況，直接關系到南京明城墻的完整保存情況。車輛通行會對地表產生壓力，這種壓力負荷不僅表現在車輛通行區內，對其周邊環境也會進而造成影響。實現過境交通監測，便需要調動大數據加以分析，檢測主要是針對公共交通、軌道交通以及私家車輛行人通行情況的具體檢測。南京明城墻附近一定距離內，建設地下軌道交通會對原有的地下結構造成改變，這種改變會迅速影響到明城墻的基層沉降。雖然并不會直接造成南京明城墻坍塌，地下軌道中的車輛通行所引發的震動，也會通過土壤傳播來作用在明城墻墻體中。通過地下基層的振動傳感。明城墻墻體長期受到這種震動干擾，會產生裂縫乃至變形。對于過境交通的檢測，不僅要對交通類型通行頻率進行數據反饋，還需要對交通通行過程中所產生的振動情況進行探測反饋，這樣在進行明城墻保護時，才可以判斷出具體的損害類型以及來源。對于過境交通在開展振動監測時，需要設置出預警機制，一旦振動頻率與強度對明城墻主體造成破壞干擾。預警機制則會發出警報，根據所反饋的監測結果對過境交通情況進行宏觀調整，預警機制是由光纖振動系統來構建完成的。構建這一保護模式，所以應用的技術方法相對比較復雜，但保護效果卻是顯而易見的。

6、滲水監測

明城墻自動化結構，安全監測技術應用中的滲水檢測部分，是由墻體主體檢測進而向周邊環境引發過渡的一種保護行為。明城墻總長度所跨越的地理結構十分復雜，包括山體結構就自然湖泊，受氣候變化所形成的惡劣天氣影響，靠近山體的城墻墻體部分所積攢的水分更多。水分不能及時排出，在城墻周邊以及墻體內繼續積累，會造成墻體結構的承載能力下降。水分清水浸泡一定時間后，也會造成墻體坍塌，因此在開展水文壓力監測時，主要是針對明城墻靠近山體的結構部分來進行。需要將探測器經過打孔直接安裝在山體上安裝后同樣需要回填掩埋來將其固定在孔洞內部，形成完全模擬山體內部的監測感應環境。回填掩埋后還應該對探測器安裝周圍的生態環境進行恢復，使之能夠最大程度的模擬自然生態環境。所監測得到的水壓結果才更能反映實際情況，對于結構性的水壓監測，應當采用鉆孔方法來對水壓進行判斷。也可以采用注水方法來監測周邊地質材料對水分的滲透能力，地質材料對水分的滲透能力增強，便可以減少向明城墻主體內部的滲透，根據所得到的監測結果來自動探尋巖石中的水分滲透路徑，這樣在制定靠山部分明城墻墻體保護方案時，才能夠有效通過地下水反滲透排除來避免對墻體造成影響。在山體打孔時，安裝探測器還需要判斷打孔的位置是否會對明城墻帶來影響，選擇最具有安全性的位置，對明城墻靠近山體部分進行實時動態監測，必要時也可以根據所得到的監測數據來對山體部分進行施工改造。加快積水排出的速度，以免對明城墻墻體造成浸泡。

四、自動化結構安全監測技術體系構建

1、監測框架設計

明城墻自動化結構安全監測技術應用，實現安全監測功能，首先需要根據明城墻具體的監測區域進行初步框架設計。在框架設計中明確標記出不同探測器的具體安裝位置，這樣在自動化結構安全監測系統構建中，便可以參照設計方案來進行現場的探測器布置。基本框架構件設計可以利用計算機軟件來進行，將明城墻所需要檢測以及保護的部分全部模擬在計算機軟件中，對其周邊生態環境進行初步評估。基本框架構建形成后，根據實地現場探測結果來判斷框架是否存在不合理的部分，再通過軟件的內部框架調整，來提升保護設計方案可行性。其次是監控框架設計中的數據庫建立，根據當前已知的數據參數，構建出接下來監測任務的對比數據模型。這樣產生任何結構安全監測問題，都能夠通過數據庫對比分析來快速判斷。監控框架設計需要體現出自動化結構監測技術應用的高效性，對網絡接入點具體對接模式進一步判斷，初步框架構建越詳細，接下來的具體方案運行，也可以達到理想的安全控制效果。在明城墻安全保護工作進行期間受環境因素影響可能會出現一些突發情況，監測框架設計中需要體現出可變動性，一旦遇到突發情況原有監測方案不能繼續運行，則能夠快速啟動第二套應急方案，實現對明城墻的全面安全控制。所選擇的監控框架設計能夠體現出高效性與運行可靠性，是設計期間始終應該達到的標準。

2、反饋裝置布線

雖然自動化結構安全檢測技術應用中，對于明城墻現場所布置安裝的傳感器，是以無線形式存在的。但具體墻體表面所探測到的數據參數向總控制中心傳輸時，仍然需要在光纖網絡線路基礎上來完成。開展進行反饋裝置布線，應該以安全為首要前提。觀察明城墻布線區域是否存在安全隱患，避免出現使用過程中受外界因素影響造成布線中斷損壞的問題，布線過程中要最大程度對線路進行簡化。線路得到簡化后，運行使用過程中受到危險損壞的幾率也能因此減小。對于線路的保護最好方法便是通過簡化布線形式，來提升線路系統自身安全防御能力。裝置連接的布線模式，還應該重點提升探測數據傳輸效率，科學合理的布線模式可以幫助減少信號數據傳輸過程中所出現的時間延誤，整體自動化監控系統的運行也得到強化。以上自動化結構安全監測技術應用中的設計以及施工，實際執行中不僅要考慮安全防護項目的具體運行，更應該結合周邊的環境因素來以強化，南京明城墻保護中所遇到的最大阻礙便是環境的變化。這一特征同樣需要體現在自動化結構安全監測技術應用方面，安全監測系統具有自適應性，這樣在構建安裝中，才能夠達到預期的安裝控制效果，安全防護任務進行同樣需要將環境變化特征引入到其中。反饋裝置進行布線連接，可以形成一個整體，快速完成數據參數采集、整合、傳輸、分析任務。當明城墻保護計劃發生改變時，通過布線連接模式局部調整，便可以在短時間內完成控制方案調整。

結語：南京城墻的“衰老”已經是不可避免的了，通過科學的自動化結構監測手段，定期采集數據，分析變化狀況，為墻體本身安全拿出“健康體檢表”，為制定維修保護方案提供科學依據，建立安全登記預警系統，使南京城墻逐步走向科學保護的軌道。結合南京城墻的主要破壞因素分析和實際管理工作的現狀，設計以自動監測為主、固定時間監測為輔的本體監測辦法，能更好的對存在的問題和障礙進行監測和預警。此項必將大大提高保護城墻工作的效率，為城墻申遺工作打下堅實的基礎。

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