如何利用科技感知布達拉宮“心跳”？

　　坐落在拉薩紅山之上的布達拉宮，已有1300多年歷史，是世界最為獨特的藏式宮殿群。但在青藏高原特殊的地理氣候環(huán)境下，布達拉宮本體建筑隨著溫濕度、墻體含水率及凍融循環(huán)等微環(huán)境的改變出現(xiàn)了傾斜、錯動等不同程度的損傷，古建筑安全健康狀態(tài)的保持與維護面臨重大挑戰(zhàn)。依托文保科技對布達拉宮“問診”，開展預防性保護的措施應運而生。

　　從粉筆書寫“健康信息”到科學感知“心跳”

　　如今在布達拉宮還能看到，上世紀八九十年代起，在一些重點關(guān)注部位用紙條做成的原始“裂縫卡”，以及粉筆書寫的“健康信息”。這種原始的管養(yǎng)維護模式，為現(xiàn)今的健康監(jiān)測管理提供了寶貴的科學信息。

　　隨著時代的進步及科學的發(fā)展，布達拉宮的管理者們也與時俱進地思考如何利用現(xiàn)代科學技術(shù)保護布達拉宮古建筑，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的預防性保護。

圖為布達拉宮 趙朗 攝

　　開放布達拉宮到底能進多少人，參觀和朝拜人多了會不會對結(jié)構(gòu)有影響……面對客流量大幅增長的可能性，2007年5月，帶著一連串疑問，布達拉宮管理處與北京交通大學正式開展了基于力學性能分析的客流控制問題。

　　北京交通大學布達拉宮結(jié)構(gòu)與監(jiān)測研究中心教授楊娜表示，對布達拉宮這樣的石木結(jié)構(gòu)建筑，游客數(shù)量的突增會造成木結(jié)構(gòu)的變形突增。當突變變形累積到一定程度，自身的恢復就會變慢，甚至成為永久損傷。此外，游客數(shù)量增多衍生的人群結(jié)構(gòu)耦合振動效應、文物安防、參觀質(zhì)量等問題，都對布達拉宮的客流量控制提出疑問。

　　為感知布達拉宮的“心跳”，管理處委托北京交通大學聯(lián)合開展了人群荷載測試。科研人員避開游人平日的干擾，利用夜晚時間，組織燈香師、工作人員充當游人、朝拜者。他們的行走習慣，如步頻、駐留時間，被監(jiān)測團隊一一記錄，制成圖譜，形成了布達拉宮流量控制的第一個智庫成果。

圖為布達拉宮監(jiān)測平臺截圖 白凡博士供圖

　　歷屆布達拉宮管理處一直認為，對古建筑結(jié)構(gòu)進行長期甚至全壽命的實時監(jiān)測，以獲得結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)，預測結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷程度，并在必要時對其進行有效維修加固，是保障重大古建工程始終處于良好工作狀態(tài)的重要且必要手段。布達拉宮結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)不僅是有效保護建筑本體的重要內(nèi)容，亦是合理開放布達拉宮的必要前提。

　　布達拉宮管理處監(jiān)測中心主任土登次仁介紹，2008年9月，在對布達拉宮紅白宮實地勘察測繪、替代結(jié)構(gòu)人群試驗、新舊木材試驗、整體與局部結(jié)構(gòu)數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，當時的北京交通大學布達拉宮項目組提出了布達拉宮結(jié)構(gòu)監(jiān)測體系規(guī)劃，包括：布達拉宮上部木結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的監(jiān)測、布達拉宮墻體穩(wěn)定性監(jiān)測以及地壟穩(wěn)定性監(jiān)測。

　　在國家文物局和西藏自治區(qū)文物局支持下，管理處最終確定，布達拉宮第一期結(jié)構(gòu)監(jiān)測對象為上部木結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，第二期結(jié)構(gòu)監(jiān)測對象為墻體和地壟穩(wěn)定性。

　　經(jīng)過4年籌備，7個月的現(xiàn)場實施與試運行，2012年10月6日布達拉宮第一期結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)正式運行，至今正常運行9年。2021年8月1日，從勘察規(guī)劃到保護實施，歷經(jīng)6年之久的二期結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)也正式上線運行。

圖為布達拉宮 趙朗 攝

　　近10年收集布達拉宮“心跳”數(shù)據(jù)1000萬組

　　布達拉宮二期結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測對象包括紅宮、白宮的墻體、地壟，以及位于布達拉宮下方的兩個山洞。

　　監(jiān)測平臺上，不同權(quán)限的管理員可通過網(wǎng)頁、移動端APP、微信小程序等多種智能手段，不限地點，不限時間訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)、查看預警信息、下載平臺自動生成的統(tǒng)計報表及數(shù)據(jù)分析報告，同時也能夠檢查傳感器在本地備份和上傳至云端的歷史數(shù)據(jù)。

　　布達拉宮二期結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)在白宮、紅宮、強慶塔拉姆等處共計安裝裂計、傾角計、土體濕度計、空氣溫度計、柔性測斜儀、收斂儀等傳感器共計388支。

圖為布達拉宮 趙朗 攝

　　這些傳感器可以24小時實時監(jiān)控裂縫寬度變化、環(huán)境溫度、墻體和柱子的傾斜角度、梁柱變形感知人群荷載等等。

　　北京交通大學布達拉宮結(jié)構(gòu)與監(jiān)測中心常鵬老師表示，傳感器點位的選擇在“預防性保護”和“最小干預”的原則下盡可能減少建筑本體的影響。

　　二期平臺系統(tǒng)運行一年多以來，監(jiān)測情況比較平穩(wěn)，數(shù)據(jù)突變情況較少。在人群增多時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化會大一些，不過人群減少后數(shù)值又恢復正常。

　　北京交通大學布達拉宮結(jié)構(gòu)與監(jiān)測中心白凡博士在采訪中提到，受全球變暖等因素影響，所監(jiān)測的地壟濕度情況變化明顯，尤其在夏天雨季，地壟濕度較高。而地壟的位移數(shù)據(jù)也隨著濕度的變化呈現(xiàn)出了周期性改變的規(guī)律。

　　在監(jiān)測終端，每個傳感器均配有二維碼，掃描后，管理者可看到該傳感器安裝前后結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，以及歷史監(jiān)測信息和實時監(jiān)測信息。相當于可查看監(jiān)測對象的“病例”情況。

圖為布達拉宮 貢桑拉姆 攝

　　白凡博士表示，監(jiān)測系統(tǒng)會自動形成定期報告，目前按照季度設(shè)置形成，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析建筑健康狀態(tài)。如遇特殊事件會以短信方式及時通知布達拉宮管理處的工作人員和相關(guān)職能管理部門，以及項目管理人員。

　　如果布達拉宮信號中斷，會造成數(shù)據(jù)丟失嗎？常鵬表示，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括本地存儲和云存儲，如果信號缺失，系統(tǒng)自動在三小時內(nèi)補傳。這個自動補傳程序測試了一年，比較成功。另外，如補傳仍然失敗，會發(fā)短信通知管理人員，進行人工干預，人工從本地存儲庫中補傳上去。“幾乎每三個月，我們項目組都要從北京去西藏一次，進行為期半個月的定期巡檢。”

　　土登次仁說，自第一期實施以來，近10年共800個傳感器積累了布達拉宮“心跳”數(shù)據(jù)超過1000萬組，它為布達拉宮、西藏乃至中國特色古建筑的預防性保護提供了強大的數(shù)據(jù)支撐。