基于數字化模型的外立面不停業保護修繕技術研究

楊鍥的（上海市建筑裝飾工程集團有限公司， 上海 200072）

我國具有悠久的歷史，在漫長的歲月中，歷史建筑是一個地區歷史發展的見證，也是人類智慧與汗水的結晶，其蘊藏著濃厚的歷史文化氣息，是重要的不可再生文化資源，具有重要的藝術、科學和歷史研究價值，對歷史建筑進行保護是社會發展和城鄉規劃的重要內容。對歷史保護建筑進行修繕、再利用，可以保存一個地方發展的脈絡，可以記錄過去的歷史，為社會發展提供思考，能夠增強該地區視覺連續性，使不同年代、風格的建筑可以和諧共存，豐富城市風貌，增加城市內涵，也可以作為本地發展的見證。

根據住房和城鄉建設部 2021年統計，全國歷史保護建筑已達 4.27 萬處，建筑形式多種多樣。其中大型歷史保護建筑場館外立面不停業保護性修繕工程因其具有外立面露天施工、工程量大且分散、全過程不停業等特點，對此類工程的現場勘察、前期策劃、方案編制、現場施工、安全管理方面都提出了更高的要求。使用數字化技術、無人機技術、BIM 技術、實時監測技術等現代化科技，對項目實施的初期構思、方案優化和施工過程輔助等方面都發揮巨大的作用。

1 項目背景

項目為上海市延安中路 1000 號上海展覽中心優秀歷史保護建筑外立面修繕工程。該工程位于上海市中心靜安區，北鄰南京西路、南面延安高架路、東起威海路、西到銅仁路。地處繁華地段，人流密集，是上海市最為重要和核心的城市公共空間節點之一。

工程總建筑面積 90000 m2，建筑單體包括：序館、中央大廳、友誼會堂、東一館、西一館、東二館、西二館、東角亭、西角亭、小黃樓、商務樓、鍋爐房、機電所、冷氣機房、南北門房、圍墻以及上海展覽中心用地范圍內的所有其他建筑、構筑物。

工程的外立面修繕范圍：外墻飾面、外門窗、外立面裝飾及檐口線腳等立面特色裝飾、室外立柱、局部平屋面的滲漏修補、建筑落水管修繕，序館鋼塔金飾面的保護修繕。建筑結構、室內空間、建筑外部環境的修繕不在本次工程范圍內。

2 研究意義

歷史保護建筑的數量一直都在增長，根據住房和城鄉建設部統計，2021年與 2015年比，歷史街區的數量翻了 1 倍，歷史建筑的數量增加了 4 倍。歷史保護建筑保護性修繕項目的市場總量也將一并增長。通過對大型歷史保護建筑場館外立面不停業保護性修繕關鍵技術的研究與應用，總結并傳遞經驗，對今后大量同類工程的順利實施有著寶貴的參考價值和重要的幫助作用。

3 研究過程

3.1 基于數字化模型的外立面不停業保護修繕技術研究

上海展覽中心于 2001年的大修中對塔身紫銅基層板進行過除舊，重新電鍍金的方法進行修繕。但是 20 a 后的現在，紫銅基層銹蝕，污染外墻飾面；鋼塔表面變黑，影響建筑風貌。可見當時的修繕方案雖能在外觀效果上達到修繕要求，但耐久性欠佳，而此次修繕工作急需一種能兼顧外觀效果及耐久性能的新方案。

優秀歷史保護建筑修繕工作要求采用原工藝、原材料、原形制進行。經查閱 1954年的歷史圖紙與相關文獻記錄發現，鋼塔塔身使用 1300 張 0.7～0.8 mm 厚的紫銅皮，壓制出花紋后包裹；紫銅皮表面采用鎏金工藝，對于鋼塔轉角處不能采取鎏金工藝的節點，則采取鍍金處理。

鎏金是一種中國傳統工藝，將金子壓成薄片后制成金粉，再溶解在水銀中；用刷子蘸取溶解了金粉的水銀，均勻涂在潔凈的銅皮表面，再用炭火烤，使水銀受熱蒸發，將金粉餾在銅皮表面；然后用鋼料對鎏金后的銅皮進行磨光處理，最后涂上一層香蕉水，使其增加光彩。但是汞蒸氣有劇毒，使用鎏金工藝顯然不滿足目前日趨嚴格的環保要求，只得放棄該方案。于是設計單位提出參照北京展覽館鋼塔金飾面做法，采用不銹鋼鍍鈦合金板方案。但是，在接下來的分析討論中發現此方案并不適合于本次的鋼塔金飾面修繕，因為該方案需要在原鋼結構基層上加建鋼架，將增加建筑載荷，并且會使鋼塔直徑增加，直接改變原飾面效果和歷史風貌，違背了真實性、最低限度干預的修繕工作原則，故該方案也被否決。

3.2 基于數字化技術對序館鋼塔構件進行分析研究

根據 1954年的歷史圖紙及無人機特寫照片可以看出，序館鋼塔外包鍍金紫銅皮，形成獨特的金色外觀，固定方式為上板壓下板，以壓條、鉚釘及側邊對穿螺栓固定（圖 1）。

圖1 銅板及裝飾構件安裝形式分析

項目部對這些構件進行建模，分析構件之間的安裝關系及順序，對今后的拆除及安裝進行數字模擬，確認整座鋼塔的所有構件確實是能夠逐一拆除再逐一恢復安裝的。圖 2 為銅板及裝飾構件分解圖。

圖2 銅板及裝飾構件分解圖

在確定了拆裝方式之后，面對整座鋼塔的上千個不同構件，又一個問題接踵而至，如何對所有構件進行逐一追蹤，保證每一個構件都能在修整完畢后準確無誤地安裝回原本的位置，不發生任何錯位及不丟失。解決辦法是使用數字化技術，根據無人機影像成果以及原始藍圖建立的 BIM 模型，對構件進行編號，拆分和數量提取。塔身有 1336 塊銅板、 888 個泡釘、448 根壓條和 23320 個鉚釘。通過模型對每個板塊及構件進行編號統計、信息錄入、二維碼標簽綁定。

引入基于二維碼的構配件物流跟蹤管控技術。將板塊、泡釘、壓條放在專用存儲箱中。在存放的時候，板塊間做隔離保護，避免磕碰損傷及化學電解反應。各板塊及存儲箱通過粘貼的二維碼擁有唯一編號信息。通過集團獨立開發的物流跟蹤管控平臺，可以快速識別存儲箱中的板塊信息，構件的尺寸幾何信息及所屬安裝位置信息。

除了能夠跟蹤構件位置信息、編號等，此系統還能反映出每個構件的加工工序進度，加工的質量情況，并進行推送，確保不遺漏任何一個板塊或者構件。

3.3 序館鋼塔的金飾面修繕加工流程研究

（1）利用序館內部空間作為整個施工區域。所有拆下來的構件，都進入到 8 層除銹加工區及待修繕庫存區。

（2）除銹加工完成后，對于板塊有破損、彎折甚至要替換的，是進入到 9 層鈑金加工區。

（3）對于飾面比較平整保存比較好的，就直接進 10 層油漆加工區進行油漆作業。

（4）11 層為貼金加工區，在這里完成貼金工序。

（5）所有的構件在 12 層的成品庫存區進行堆放，等待上塔安裝。

首先是保護性的構件拆除。拆除下來的銅板及構件到 8 樓進入除銹加工區進行除銹并將銅板除銹到銅的本色，為下一道工序做好基礎。除銹完成后，構件進入 9 層進行鈑金整形，完成整形的構件板塊進入 10 層進行油漆作業。首先做的是刷環氧富鋅底漆。在內部晾曬區等待底漆干透之后，再刷氟碳面漆，待面漆干透后，進入 11 層的貼金加工區。常規修繕中一般使用 0.12 μm 的金箔進行貼金，但本次項目為了實現 10 a 甚至 15 a 飾面不損壞不褪色，選擇使用 0.24 μm 金箔進行貼金。整個鋼塔使用金箔 3200 g，總面積 460 m2。在整體安裝完成后，再對所有的抽芯鉚釘，對穿螺栓，進行了補金的處理，避免鋼塔最后整體看起來有非金色的斑點出現。

3.4 無繩機具在序館鋼塔修繕工作中的應用與研究

3.4.1 充電式電動起子機的應用

在序館鋼塔超高腳手架搭設期間，由于腳手架高度較高且平臺面積較小，電纜電線的存在對于施工人員通行產生不便，鋼塔修繕的電源接駁點為序館 11 層的二級電箱，至鋼塔最低點（麥穗）距離為 7.1 m，離最高點（塔尖）距離為 44.0 m，電纜電線長度較長，產生人工接線、電箱、電纜等費用問題。根據施工現場供用電安全規范，二級電箱與三級電箱的距離≤30 m。現場使用盤旋式腳手架爬梯，實際所需電纜長度需 60 m，鋼塔有一半高度以上的區域不適宜使用三級電箱。綜上原因，項目部采用無繩電動機具配合鋼塔修繕，目的為省去線纜問題從而方便施工人員通行順暢、降低施工風險、控制電纜及電箱所產生的成本費用。

續航情況實際測試數據：空轉模式持續工作下搭配電池（BL1860B）續航測試數據為低、中、高、強的強度模式的續航時間分別是 45、40、35、30 min； 實際操作（拆裝銅板）且持續工作下搭配電池（BL1860B）續航測試數據為低、中、高、強的強度模式的續航時間分別是 30、24、18、12 min；實際操作（拆裝銅板）間斷工作下搭配電池（BL1860B）續航測試數據為低、中、高、強的強度模式的續航時間分別是 35、30、25、20 min。

塔身銅板螺栓年代久遠，存在不同程度銹蝕難以拆卸，故在使用電動起子機時需要以最高強度模式使用，續航時間為 20 min，拆裝螺栓平均時間約為 5 s，則一次充電可拆裝螺栓 20×60/5=240 個，遠少于產品介紹頁宣稱的 960 個。可見序館鋼塔因基層堅硬對電動工具的要求相當高。機身尺寸和質量對比見表 1。

表1 機身尺寸和質量對比

（1）充電式電動起子機。序館鋼塔螺絲總計 23320 個，拆裝數量為 46640 次，3 名工人每人配備1臺機具，每臺 3 塊電池。每人每天工作 8 h，上午 720 次拆裝消耗 3 塊電池，中午進行充電后再支持下午的 720 次拆裝，每人每天完成 1440 個拆裝，3 人 11 d 完成全部所有 46640 次拆裝。

（2）傳統有線電動起子機。安裝效率不變，但每人每天上午和下午都需收納和安置三級電箱 2 次，共花費約 40 min。使用三級電箱，電纜長度達到 60 m，根據施工現場供用電安全規范，二級電箱與三級電箱的距離不宜超過 30 m。這里僅用作為計算數據，實際不建議如此施工。人員設備成本計算見表 2。

表2 人員設備成本計算

3.4.2 充電式電動角向磨光機的應用

序館鋼塔塔身銅構件在涂刷環氧富鋅底漆前，需通過角磨機打磨，去除舊的金面層和銹跡，露出原本的銅面層，打磨工作在 8 層的除銹加工區完成，均以持續打磨無間斷操作方式進行。由于銅板和鎏金層厚度非常薄，故在打磨時需要選擇適中的磨片，在保證打磨效率的同時避免損傷銅板基層。

（1）磨片的選擇。選擇適合于有色金屬的 Ce 陶瓷氧化鋁 125 mm 直徑平行千葉片。該類型按粒度由粗到細供4種型號。粒度越粗打磨痕跡越深，會在銅皮表面留下一道道劃痕；粒度越細打磨痕跡越淺，除銹和去除舊金層的效率會變低。磨光機轉速固定 8500 r/min 不可調。項目部使用 4 種千葉片對銅皮進行打磨實驗，找出合適的千葉片型號。最終項目部發現 D-28503 粒度 60 的千葉片在打磨效果和效率之間能達到最好的平衡。

（2）千葉片的選擇如圖 3 所示。

圖3 千葉片的選擇

（3）充電式電動角向磨光機的優缺點。銅皮打磨工作在序館 8 層室內進行，因為在室內工作，無繩機具攜帶方便的優勢完全沒有發揮的余地。而目前無繩機具又普遍存在續航差的問題，相比有線機具，在室內工作時其劣勢更是被凸顯了出來。所以實際在 8 層的打磨除銹車間里還是傳統有線機具使用得更多。充電式電動角向磨光機則主要被用來處理各種異形構件。因為沒有尾部電線的干擾，方便邊移動邊持握，對于固定在工作臺上的各種異形構件，充電式角磨機能跟隨其形狀以各種方向和路徑移動，能夠發揮一些優勢。

4 結語

上海展覽中心優秀歷史保護建筑修繕工程作為集歷史保護建筑修繕、超大工程體量、全程不停業施工的特點為一身的標桿項目，過程中采用了數字化、信息化的技術手段，積累了相當多的應用經驗，培養了一批數字化、BIM 工程師，形成了一套全過程的歷史保護建筑數字化修繕技術。相信通過此項目在企業內的推廣應用，將這些數字化技術融入到了歷史保護建筑的保護性修繕工程中，能促進保護修繕類工程的跨越發展。同時為后續類似項目提供經驗借鑒，用現代科技來幫助歷史建筑重新煥發往日的輝煌。