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(fā)來的微信：需要你去布達拉宮工作一段時間，有沒有問題？“?。≌娴膯?！老師我非常愿意去?！币烙袡C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(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)已成功運行了近十年。

監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(tài)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(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象是與當?shù)氐臐穸扔嘘P系，因為拉薩的干濕季節(jié)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(jīng)過對數(shù)據(jù)的長期處理分析，才能發(fā)現(xiàn)結構周期性變形的最根本規(guī)律。在面對突發(fā)性的數(shù)據(jù)變化的時候，我們就可以通過分析監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)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(jiān)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(xiàn)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(guī)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(jīng)年累月的服役工作后，內部承重墻體不可避免地產(chǎn)生了開裂、傾斜和空鼓變形。傳統(tǒng)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(jiān)測的意義就是利用現(xiàn)代技術手段建立一套完善的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，及時通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，分析結構健康狀態(tài)，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(jiān)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(jié)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(xié)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(xiàn)場情況，足跡踏遍布宮每一個角落。在老師協(xié)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(fā)生了一定程度的傾斜，柱頂?shù)娜柑鏄嬙煲泊嬖诿黠@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(xiàn)場

楊娜教授團隊建立的監(jiān)測系統(tǒng)

為了監(jiān)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(huán)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(shù)據(jù)進行模態(tài)識別，識別出結構的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、模態(tài)阻尼比和振型）。結構模態(tài)參數(shù)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(jù)。

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(tǒng)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(tài)。自2012年布達拉宮一期木結構監(jiān)測系統(tǒng)建成以來，一期監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要靠解調儀對波長數(shù)據(jù)解碼后由工控機統(tǒng)一采集，通過布達拉宮監(jiān)測中心同事將數(shù)據(jù)傳回北京給我們來進行分析。每三個月我們都會對監(jiān)測的木結構應變-溫度數(shù)據(jù)和傾角-溫度數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)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(jiān)測安裝實施過程，軟件平臺也在積極地建設，將傳感器節(jié)點和網(wǎng)關傳回服務器的信號接入軟件平臺，實現(xiàn)何時何地只要登陸軟件平臺就可遠程查看結構變形數(shù)據(jù)。這個平臺也可以利用我們提供的算法進行統(tǒng)一參數(shù)分析，經(jīng)過人工核驗后及時對異常數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tài)參數(shù)并不能代表整體結構的模態(tài)參數(shù)，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(fā)，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(jù)史書記載公元7世紀，布達拉宮始建。1300多年來，它歷經(jīng)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(xù)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