為布達拉宮“體檢”

崔玥

2020年盛夏，樹上的知了不停地叫，瀝青馬路被太陽烤得軟綿綿的。等待博士開學的7月某天上午，我忽然收到導師楊娜教授發來的微信：需要你去布達拉宮工作一段時間，有沒有問題？“啊！真的嗎！老師我非常愿意去。”要知道有機會去布達拉宮調研和工作，是我們古建筑結構研究課題組每個同門夢寐以求的事，我可真是太幸運了。

300歲的“老者”不好查

我的導師楊娜是北京交通大學布達拉宮結構與監測研究中心教授，她帶領團隊為布達拉宮建設的長期健康監測系統已成功運行了近十年。

監測系統對于古建筑的維修和修補到底有什么作用呢？楊老師告訴我們：“監測系統回答了三個問題。第一個問題是，這個建筑還好嗎？需不需要修？狀態怎么樣？第二個問題是，哪兒不合適？需要修哪里？第三個問題呢，怎么修？什么時機修？”

通過對監測系統產生的數據的分析，我們可以了解到古建筑結構的變形。成員們不僅要分析數據，還要知道變形對于結構來說意味著什么。團隊的常鵬教授舉了一個例子：“有一些結構的變形是周期性的。通過對數據的分析，我們發現柱子會傾斜，1月份，2月份、3月份、4月份到5月份傾斜、6月份它又緩緩變直了。這個現象是與當地的濕度有關系，因為拉薩的干濕季節特別明顯，冬季特別干燥。到了七八月份雨季的時候，像江南一樣，天天下雨。經過對數據的長期處理分析，才能發現結構周期性變形的最根本規律。在面對突發性的數據變化的時候，我們就可以通過分析監測系統得到的數據來做出最合適的判斷。

這次進藏，我們的主要任務是進行布達拉宮二期墻體監測傳感器的安裝和紅宮門廳動力特性測試。按照預定計劃，2020年8月5日，楊老師領隊帶領我們5名師生，自北京乘機飛赴拉薩。

項目組在“布宮”下的合影

機窗外山巒逐漸拔起，溝壑之間依稀可以看見湛藍色清澈的湖水，直到看到一條寬廣的江河——雅魯藏布江，我們終于到達拉薩。穿過廣場，從后山緩慢攀登布達拉宮。我感受到空氣變稀薄，呼吸鼻子會痛，心臟怦怦跳動。老師不時提醒我們，一切動作慢下來，注意身體，以防不適。潛心登山拋卻雜念，當走到德央夏廣場，藍天白云下，紅、白、黃錯落的布達拉宮主體建筑近在咫尺，壯美得令人震撼，我深深感到布達拉宮的魅力。

進入現場工作后，我才真正理解了課題的歷史重任和使命：布達拉宮作為一位300多歲（注：1694年以白、紅宮為主的建筑群建成，基本形成布達拉宮建筑群規模）端坐在紅山上的“老者”，我們要保障其不因歲月而衰敗，對其進行及時的科學“身體檢查”，急迫且不能出任何差錯。

把脈

布達拉宮經年累月的服役工作后，內部承重墻體不可避免地產生了開裂、傾斜和空鼓變形。傳統的檢查方式是進行定期人工巡檢，這是通過肉眼觀察結構可見損傷并記錄的方法，這種方式不僅無法及時定性分析結構的損傷，而且人工耗費巨大。

我們進行的布達拉宮結構監測的意義就是利用現代技術手段建立一套完善的結構健康監測系統，及時通過監測到的數據，分析結構健康狀態，為災害預防保護提供科學理論支撐。落實到實際的過程，就是在前期勘察出來的殘損位置進行傳感器安裝，包括位移計、傾角計、柔性測斜儀等傳感器，用以監測墻體的損傷與變形。

但實際實施中，還是存在很多困難。例如實際殘損與前期勘探圖紙上的殘損有出入。傳感器的安裝需要鉆孔固定，珍貴壁畫上的裂縫可以開孔嗎？一些殘損位置特殊，傳感器安裝條件帶有危險性。土體溫濕度計應該在墻體上，還是地面的土壤里安裝？布達拉宮地壟構造復雜，節點傳不回來信號怎么弄？很多殘損位于殿堂內部、倉庫、辦公室等需要協調各方人員拿鑰匙開門，每天遇到的問題各不相同。楊老師帶領我們挨處走點，看現場情況，足跡踏遍布宮每一個角落。在老師協調下，布宮管理處的同事都知無不言、言無不盡地向我們介紹他們對布宮的了解，為我們工作提供極大的便利和支持，北交大古建研究所的工服就成了我們在布宮的通行證。

聽診

站在布達拉宮廣場，仰視布達拉宮建筑群，明顯可以看到中部位置藏紅色墻面的宮殿就是紅宮。在不為人知的壯闊建筑內部，其實門廳內部四根支撐木柱都發生了一定程度的傾斜，柱頂的雀替構造也存在明顯的歪閃。由于歷史建造資料的缺失，木柱和雀替的變形是初始殘損，還是后來遭受外力導致的？我們不得而知。

“紅宮”動測現場

楊娜教授團隊建立的監測系統

為了監測紅宮門廳結構的短期變化，我們使用了動力特性測試的手段。其原理是在感興趣的位置科學地布設加速度傳感器，記錄環境激勵，也就是大地脈動或自然風荷載下結構的自然響應，由測得的加速度信號數據進行模態識別，識別出結構的模態參數（固有頻率、模態阻尼比和振型）。結構模態參數的變化間接反映出結構物理特性的變化，是我們聽診的依據。

我們在紅宮門廳布設傳感器，進行動力特性測試。爬梯子安放傳感器，布設通道線，電腦軟件控制采集系統等這一套流程下來，被紅宮藏紅色染料染了一身，都變成了“小紅人”，卻獲得滿滿的成就感。老師開玩笑地鼓勵我們：“衣服臟了不可怕，布宮紅，是幸運紅！”

解碼

在布達拉宮做的兩項測試最終目的，就是將結構信息進行解析來研判結構狀態。自2012年布達拉宮一期木結構監測系統建成以來，一期監測的數據主要靠解調儀對波長數據解碼后由工控機統一采集，通過布達拉宮監測中心同事將數據傳回北京給我們來進行分析。每三個月我們都會對監測的木結構應變-溫度數據和傾角-溫度數據進行分析，并根據數據處理結果對宮殿內多個變形較大的柱進行了干預。

伴隨著布達拉宮二期結構監測安裝實施過程，軟件平臺也在積極地建設，將傳感器節點和網關傳回服務器的信號接入軟件平臺，實現何時何地只要登陸軟件平臺就可遠程查看結構變形數據。這個平臺也可以利用我們提供的算法進行統一參數分析，經過人工核驗后及時對異常數據進行分析反饋。智能化的手段，大大提高了工作效率，更及時地保護了布達拉宮受損構件。

在處理紅宮門廳動力特性測試數據的時候，遇到了一個問題：紅宮門廳屬于布達拉宮建筑群中紅宮的一部分，且紅宮也不是獨立存在的宮殿，與白宮和十三世靈塔殿毗鄰搭接。這么一個局部結構動測分析的模態參數并不能代表整體結構的模態參數，那它的物理意義是什么？如果只代表自己這個局部，其實整體結構對它也有影響。如果不明確目的，埋頭苦干搞科研是不行的。這時楊老師指引說可以將紅宮門廳認為是一個子結構，想辦法從整體結構中隔離出來。從這個點出發，我查閱了相關文獻，確實有這種簡化研究方法，一切都貫通了起來。

據史書記載公元7世紀，布達拉宮始建。1300多年來，它歷經風雨，承載著人類文明，為守護文明之光，減少它因歲月所導致的毀損，我們會繼續收集布達拉宮強有力的震顫，探索高原土壤強勁的脈動，用科技感知它的“心跳”。

責任編輯：刁雅琴