为预防性保护工作提供强大“后盾”—云跻数文围绕古迹的监测与模拟试验
  • 时间:2022.12.15
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云跻数文文物保护团队依据专业的工作流程为初祖庵和会善寺开展多项监测与模拟试验,科学分析了部分病害的产生原因,探究了建筑构架的抗震性能。为这两处重要文物的预防性保护设计提供了重要依据...

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(图:初祖庵大殿)

 

       初祖庵为第四批全国重点文物保护单位、世界文化遗产,始建于宋代,位于登封市少林寺常住院西北约2千米的龟背形山丘上,宋宣和七年(1125)为纪念初祖达摩而建。

       初祖庵大殿是河南省现存最早的木构建筑之一,有重要的历史价值和艺术价值。其建造年代与中国古代建筑科学巨著《营造法式》的成书年代相近,其斗栱、梁架、雕饰多与《营造法式》相符合,是宋代木构建筑技术的重要例证。

 

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(图:会善寺大雄宝殿)

 

      会善寺为第五批全国重点文物保护单位,世界文化遗产。 位于登封市区西6千米太室山南麓积翠峰下,前身是北魏孝文帝元宏的一所离宫,魏亡后舍宫为寺。

     会善寺大殿建筑出檐深远,斗栱硕大,是嵩山地区现存唯一的元代木结构建筑。其典型做法虽经后世重修,更具历史价值。

 

       云跻数文对初祖庵、会善寺等古建筑开展了针对文物本体和周边环境的监测研究,并进行多项关于古建筑安全性和建筑材料性能的试验和分析,为两处珍贵不可移动文物进行科学精准保护提供了依据。

 

环境监测与模拟试验

 

       古建筑所在地区的大环境、周边的小气候,会对古建筑保护工作产生多种影响。四季的风向、周围的风速以及建筑的壁体含湿量,目前已有研究与屋顶植被的遍布生长情况存在关联。

 

风环境监测分析

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(图:根据倾斜摄影高程点建立山脉分析模型)

 

       云跻数文文物保护团队利用3S技术对整体环境进行勘察测绘,根据倾斜摄影高程点建立山脉分析模型,然后用计算机对场地和院落风环境进行分析。

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             (图:四季不同风向下的场地风环境分析)                                   (图:四季不同风向下的院落风环境分析)

 

 

       风在四处不断游走,随之携带的植物种子会在古建筑构件缝隙中生长。除了当地季风,地形样貌会使风环境复杂化。研究从环境实测分析、风环境模拟分析等方面开展,使用Phoenics软件根据郑州标准气象年数据设置风速、植物等参数。通过分析模型,对场地和院落风环境进行分析,为多个古建筑杂草生长情况不同做出科学解释。

       通过实测和模拟分析发现:在相同的风环境条件下,会善寺大殿屋顶的平均风速值比初祖庵大殿高;二者有树和无树的情况下,屋顶平均风速差别不大。地形地势的不同使得会善寺所处的位置风速较大,在这种较大风速的影响下,会善寺屋顶的平均风速较初祖庵大。由于会善寺在相同的气象风条件下,屋顶平均风速较大,所以种子不易在屋顶停留。而初祖庵屋顶平均风速较小,同时所处位置植被较为茂盛,而且初祖庵屋顶修缮前苫背层有裸露情况出现,因此种子更易在屋顶停留,也较容易出现屋顶长草的情况。

 

温湿度监测分析

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图:夏季温度与相对湿度结果对比分析)

 

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(图:初祖庵、会善寺屋顶苫背层含湿量晴天、雨天对比分析图)

 

       工作人员将温湿度传感器在古建内外部关键点进行布设,对温湿度进行长期监测和数据收集,通过数据和参数引入来量化壁体含湿量与屋顶植被生长之间存在的关系。

       对比初祖庵和会善寺的分析结果可知:相比较晴天苫背层的含湿量差值相对较小,初祖庵在雨天的苫背层含湿量与会善寺的差值相对较大。从这个角度分析,苫背层含湿量较大,水分较多也更有利于种子的发芽生长。

 

结构分析与试验

 

       我国土木结构的古建筑数量庞大,木材在建材中扮演着重要角色。辽阔的疆域、多样的气候,生长树木品类众多。古建筑木材中常见树种有杉木、松木、粟木、榉木、柏木、楠木等。木材是否出现老化、糟朽,结构是否牢固,关系着该处古建筑能否安然长存。

       针对木结构材料的试验通常除了对树种和物理性质进行分析之外,更重要的是对力学性质进行鉴定分析,分析抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度等,通过一系列试验来分析古建筑的材料性能、节点力学、结构力学性能。

 

1:1复原初祖庵斗栱构件试验

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(图:初祖庵大殿斗栱三维设计图)

(视频:初祖庵大殿斗栱力学性能试验)

 

        该试验在河南工业大学结构实验室进行。以初祖庵大殿斗拱为原型,采用 1∶ 1 足尺模型,试件整体尺寸为1080mm(高)×2250mm(长)×1500mm(宽),共设计6个斗拱试件,各试件制作均采用国产硬木松。其中,2个为竖向加载使用,其余4个为水平加载使用。水平加载考虑2个方向,与试件的拱、枋平行的方向,称为横向,与试件的拱、枋垂直的方向,称为纵向。各构件在工厂预制,在实验室现场拼装,在试验期间,试件的含水率在12%~14%之间。

       试验按照预先设定的装置及加载制度进行。竖向加载采用伺服液压加载机(500kN级)施加外部荷载。水平加载布置3个位移计测量相对位移变化,枋上铺设310kN配重,斗栱两端用锚固固定防止滑移。使用单调加载和低周反复加载的加载制度。

       作为古木建筑结构的重要组成部分,斗栱的力学性能直接影响着整体结构的竖向承载和抗震性能。按照1:1比例形成6朵原尺寸的斗栱,试验中在纵、横、竖向进行荷载试验。获得的成果使得研究人员能够认识屋盖、石木构架的位移原因,并发现结构上存在的薄弱点。

 

整体结构分析实验

 

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(图:BEAM189单元几何模型)                   (图:SHELL181单元几何模型)

 

 

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                        (图:初祖庵大殿三维模型示意图)                                                                                       (图:屋盖总位移云图 单位mm)

 

       试验使大殿的整体结构分析成为可能。有限元模拟方法开展的结构计算,探讨了石木构架受力变形特征,找出了其中的薄弱部位,这项研究成果为后期初祖庵大殿的结构安全动态监测点的布置提供理论支持和科学指导,并对薄弱部位提出了加固维修建议。 

       研究分析表明:应适当加大角梁的截面尺寸,并加强角梁和周围斗拱、椽子等构件的相互联系,提高其抗弯刚度,达到减小翼角竖向变形的目的;同时,应适当加大后平槫和下部蜀柱的截面尺寸,并在后平槫和上部椽子连接处,可设置斜撑,加强后平槫和椽子间的相互联系。相对柱类构件而言,梁类构件轴力均较小,其中轴力最大,通过蜀柱和斗拱逐渐向下传播,容易造成斗拱劈裂和歪闪现象。在后期结构监测中,应着重注意柱头斗拱是否出现上述病害,必要时进行维修和更换构件。 

 

抗震性能分析

 

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      (图:罕遇地震作用下模型各梁架层位移响应峰值曲线)                                                               (图:石木构架振型图示例) 

 

        分块兰索斯法对初祖庵大殿石木构架进行模态分析。完全瞬态动力分析法进行时程分析整个石木构架的抗震性能。

        分析表明:大殿石木构架在地震过程中,其中柱架体系并不能起到很好的耗能减震作用,大殿石木构架在地震中主要通过上部梁架层达到其耗能减震效果。 

 

       随着社会发展进步的步伐加快,每一处遗产的重要性都在与日俱增,遗产场所的保护无法孤立,不像博物馆藏品可以免遭自然灾害的破坏。因此世界遗产委员会建议遗产监测机构加强自然环境监测数据积累与分析;对自然灾害风险进行精细化评估,编制应急管理规划和通用处置方案,并加强遗产应急管理能力。

     古建筑历经各代风霜,穿越时空屹立在世人面前,为我们带来了历史的光华与色彩,弥足珍贵。云跻数文文物保护团队依据专业的工作流程为初祖庵和会善寺开展多项监测与模拟试验,科学分析了部分病害的产生原因,探究了建筑构架的抗震性能。为这两处重要文物的预防性保护设计提供了重要依据。

 

 

 

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