坐落在拉萨红山之上的布达拉宫,已有1300多年历史,是世界最为独特的藏式宫殿群。但在青藏高原特殊的地理气候环境下,布达拉宫本体建筑随着温湿度、墙体含水率及冻融循环等微环境的改变出现了倾斜、错动等不同程度的损伤,古建筑安全健康状态的保持与维护面临重大挑战。依托文保科技对布达拉宫“问诊”,开展预防性保护的措施应运而生。

　　从粉笔书写“健康信息”到科学感知“心跳”

　　如今在布达拉宫还能看到,上世纪八九十年代起,在一些重点关注部位用纸条做成的原始“裂缝卡”,以及粉笔书写的“健康信息”。这种原始的管养维护模式,为现今的健康监测管理提供了宝贵的科学信息。

　　随着时代的进步及科学的发展,布达拉宫的管理者们也与时俱进地思考如何利用现代科学技术保护布达拉宫古建筑,实现建筑结构的预防性保护。

　　开放布达拉宫到底能进多少人,参观和朝拜人多了会不会对结构有影响……面对客流量大幅增长的可能性,2007年5月,带着一连串疑问,布达拉宫管理处与北京交通大学正式开展了基于力学性能分析的客流控制问题。

　　北京交通大学布达拉宫结构与监测研究中心教授杨娜表示,对布达拉宫这样的石木结构建筑,游客数量的突增会造成木结构的变形突增。当突变变形累积到一定程度,自身的恢复就会变慢,甚至成为永久损伤。此外,游客数量增多衍生的人群结构耦合振动效应、文物安防、参观质量等问题,都对布达拉宫的客流量控制提出疑问。

　　为感知布达拉宫的“心跳”,管理处委托北京交通大学联合开展了人群荷载测试。科研人员避开游人平日的干扰,利用夜晚时间,组织灯香师、工作人员充当游人、朝拜者。他们的行走习惯,如步频、驻留时间,被监测团队一一记录,制成图谱,形成了布达拉宫流量控制的第一个智库成果。

　　历届布达拉宫管理处一直认为,对古建筑结构进行长期甚至全寿命的实时监测,以获得结构的性能状态,预测结构或构件的损伤程度,并在必要时对其进行有效维修加固,是保障重大古建工程始终处于良好工作状态的重要且必要手段。布达拉宫结构监测系统不仅是有效保护建筑本体的重要内容,亦是合理开放布达拉宫的必要前提。

　　布达拉宫管理处监测中心主任土登次仁介绍,2008年9月,在对布达拉宫红白宫实地勘察测绘、替代结构人群试验、新旧木材试验、整体与局部结构数值分析的基础上,当时的北京交通大学布达拉宫项目组提出了布达拉宫结构监测体系规划,包括:布达拉宫上部木结构关键部位的监测、布达拉宫墙体稳定性监测以及地垄稳定性监测。

　　在国家文物局和西藏自治区文物局支持下,管理处最终确定,布达拉宫第一期结构监测对象为上部木结构关键部位,第二期结构监测对象为墙体和地垄稳定性。

　　经过4年筹备,7个月的现场实施与试运行,2012年10月6日布达拉宫第一期结构监测系统正式运行,至今正常运行9年。2021年8月1日,从勘察规划到保护实施,历经6年之久的二期结构监测系统也正式上线运行。

　　近10年收集布达拉宫“心跳”数据1000万组

　　布达拉宫二期结构监测系统监测对象包括红宫、白宫的墙体、地垄,以及位于布达拉宫下方的两个山洞。

　　监测平台上,不同权限的管理员可通过网页、移动端APP、微信小程序等多种智能手段,不限地点,不限时间访问监测数据、查看预警信息、下载平台自动生成的统计报表及数据分析报告,同时也能够检查传感器在本地备份和上传至云端的历史数据。

　　布达拉宫二期结构监测系统在白宫、红宫、强庆塔拉姆等处共计安装裂计、倾角计、土体湿度计、空气温度计、柔性测斜仪、收敛仪等传感器共计388支。

　　这些传感器可以24小时实时监控裂缝宽度变化、环境温度、墙体和柱子的倾斜角度、梁柱变形感知人群荷载等等。

　　北京交通大学布达拉宫结构与监测中心常鹏老师表示,传感器点位的选择在“预防性保护”和“最小干预”的原则下尽可能减少建筑本体的影响。

　　二期平台系统运行一年多以来,监测情况比较平稳,数据突变情况较少。在人群增多时监测数据变化会大一些,不过人群减少后数值又恢复正常。

　　北京交通大学布达拉宫结构与监测中心白凡博士在采访中提到,受全球变暖等因素影响,所监测的地垄湿度情况变化明显,尤其在夏天雨季,地垄湿度较高。而地垄的位移数据也随着湿度的变化呈现出了周期性改变的规律。

　　在监测终端,每个传感器均配有二维码,扫描后,管理者可看到该传感器安装前后结构的状态,以及历史监测信息和实时监测信息。相当于可查看监测对象的“病例”情况。

　　白凡博士表示,监测系统会自动形成定期报告,目前按照季度设置形成,根据数据结果分析建筑健康状态。如遇特殊事件会以短信方式及时通知布达拉宫管理处的工作人员和相关职能管理部门,以及项目管理人员。

　　如果布达拉宫信号中断,会造成数据丢失吗?常鹏表示,监测数据包括本地存储和云存储,如果信号缺失,系统自动在三小时内补传。这个自动补传程序测试了一年,比较成功。另外,如补传仍然失败,会发短信通知管理人员,进行人工干预,人工从本地存储库中补传上去。“几乎每三个月,我们项目组都要从北京去西藏一次,进行为期半个月的定期巡检。”

　　土登次仁说,自第一期实施以来,近10年共800个传感器积累了布达拉宫“心跳”数据超过1000万组,它为布达拉宫、西藏乃至中国特色古建筑的预防性保护提供了强大的数据支撑。