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新型加固技术在徽派古建筑修缮建造中的应用研究

2024-08-24 136 上传者：管理员

摘要：现阶段，科技发展迅速，随处可见繁华街道和高耸楼房，却很少看到古建筑。徽派古建筑位于皖南，该地区雨水较多，使得结构表面出现白蚁、腐烂等现象，如何让摇摇欲坠的建筑焕发生机是当务之急。通过一系列的走访实践，以土木工程和工程造价等学科理论为基础，结合三维扫描建模技术、无损检测技术、BIM数字建模技术对徽派古建筑的腐朽破损等问题进行修缮和加固，并对加固方法及设计提出针对性建议。历史文化是不可替代的宝贵资源，通过此技术，使中国历史文化得到保护，让更多的人看到徽派古建筑的古色古香之美。

关键词：
BIM数字建模技术
三维扫描建模技术
互联网
古建筑
无损检测技术
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近几年来，国家对古建筑的修缮建造越来越重视[1]。党的二十大报告提出：“加大文物和文化遗产保护力度，加强城乡建设中历史文化保护传承[2-4]。”通过走访歙县徽州府衙、溪头三槐堂及泾县查济古建筑群等一系列文物景点，发现徽州有些建筑物由于年久失修、环境影响、人为破坏等原因，均受到不同程度的破损，因此也为修复工作增大了阻力。

目前，徽派建筑加固以“修补”“补全换新”的传统理念为主要手段，与现代遗产保护理念并不相同，而现代木结构修复加固的理念也不够成熟。未来的理念应首先从满足遗产价值保护和信息留存的角度出发，同时要考虑中国建筑文化及古建筑的布局、结构等特点，发展出满足遗产保护要求、适应保护本土文化遗产的理念。

基于此，本文结合现代化技术手段[5-10]，对徽派古建筑修缮建造提供新的论点，为古建筑修复建造创造了新的方向。

1、传统徽派古建筑修缮的缺陷

1.1没有技术支撑，难以达到修复效果

古建筑修复行业至今依然没有一个成规范的技术体系，修复工作依靠的是老师傅的经验，无法得到正确的结论。例如，为什么要修这个地方、该修多长等无从得知，且因为一个局部从而导致整体被替换，无法判断是哪里出现了问题，得出的问题无法解决，导致现在大多的古建筑已经变得“焕然一新”，失去了它应有的岁月感。

1.2材料损失严重，安全性无法保障

徽派古建筑一般采用木结构作为支撑结构，木结构容易遭受白蚁、腐朽等危害，造成结构损坏，而传统的修复方法则需要大量的时间和材料去制作木结构替换件或铁制加固件来修复，在修复过程中也容易造成结构被进一步破坏，从而导致一些旅游景区无法正常营业，反复修缮，GDP产业大打折扣。

1.3材料破损严重，维修成本高

徽派古建筑经过几百年甚至几千年的风雨侵蚀，保存完好的几乎寥寥无几，依靠传统方法需要请技艺高超的老师傅制作替换件或者依靠加固件维修，成本巨大、发展速度慢，建筑原貌也可能造成不可逆转的损伤。由于木材的过度开发，找到一块相同比例的木头可以说是难上加难，另外，一根实木的价格也比较高，导致现在大部分的年轻人不住“老房子”，都纷纷搬进了新房。

2、新型数字化技术赋能徽派古建筑

2.1三维扫描建模技术

三维扫描建模技术又被称为实景复刻技术，采用高速激光测量来获取地形或复杂物体的几何图形数据和影像，再运用软件对所采集的点云数据和影像进行分析处理，建立三维空间位置坐标或三维可视化模型。同时，点云还可输出不同的数据格式，作为空间数据库的数据源和满足不同应用的需要。三维激光扫描技术可以将现实场景1∶1以点云形式呈现在计算机中。

三维扫描技术在古建筑保护中起到了重要的作用，其给古建筑的保护工作提供了新的测量方法。通过现场踏勘，制作古建筑数据采集的方案，以便能够通过最有效的方式获取古建筑全部的数据。一般对高度较高的古建筑，想测量古建筑顶部的数据，需要配备无人机，测量古建筑顶部的瓦、屋脊、角兽等数据。将无人机的数据和扫描仪的数据进行拼合，得到完整的古建筑的三维数据。使用无人机不使用脚手架，能够降低人工风险和时间成本。

2.1.1三维扫描建模技术的优势

三维扫描建模技术的优势如下：①速度快。三维扫描仪扫描速度能达到每秒百万点。②精度高。数据采集精度高，精度能达到±1 mm。③直观性强。采集的点云数据不仅仅有空间信息（X,Y,Z），还具有颜色信息（R,G,B）以及反射率值（I），给人一种场景再现的感觉。④适用性强。受外界影响较小，无光条件下亦可测量。⑤成果多样性。一次测量输出多种成果，无需反复测量。⑥非接触测量。远离危险区域，充分保障设备和操作人员的安全。

2.1.2三维扫描建模技术方案

本文中的扫描技术方案应用可以分为三大阶段，即现场实测扫描、点云数据处理、高级三维检测。处理后的数据可以直接导入到CAD、BIM等软件中辅助建模，如图1所示。

图1三维扫描建模技术在BIM施工流程中应用的示意图

2.2无损检测技术

无损检测（Non Destructive Testing,NDT）是在不破坏物体内部组织和使用性质的情况下，对材料的完整性和相关力学特性进行测试和检验的一种技术方法。无损检测最早使用的是目测法，通过眼睛来观察木材表面的破损情况。

本文采用应力波无损检测技术，也是国内外木结构建筑中最常用、最广泛、适应性最高的技术，其原理是使用脉冲锤敲击安装在所要测试木构件上的发射端传感器，在应力的作用下，机械应力波会在木材内部产生，通过测量应力波在木材横截面中不同方向的传播时间，从而计算出应力波在木材内部单元的传播速度，生成木材的断层图像，从而能够更加直观、精确地检测出木材内部缺陷所对应的大小和位置。应力波无损检测技术具有传播范围广、抗干扰能力强、不需耦合剂等优点，在木结构古建筑的无损检测中得到了广泛的应用，并获得了大量研究成果。如在故宫、郑王府、恭王府、大钟寺博物馆、天安门、宁波保国寺等古建筑勘察工程中被广泛应用，通过对检测结果的分析，较为精准地绘制了严重缺陷的三维图像，表现出了应力波检测技术可快速处理大工作量检测图像的应用能力。

应力波无损检测技术是超声波和声发射检测技术的有机结合，利用应力波在木构件横截面内传播时间来确定木材内部缺陷情况，通过测量应力波在木材内部不同方向的传播时间，经矩阵计算、重构，把数据转换为图像，提供二维或三维图像。利用无损检测技术采集木材内部的数据，具体如图2所示。

图2检测现场及测得的二维或三维图

2.3 BIM数字建模技术

本文将建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。其具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。

在对仿徽派建筑进行建造时，BIM数字建模技术可为建设单位提供模型参考，并通过Revit等建模软件将木构件进行1∶1还原，利用BIM相关平台实现建模阶段的建筑、结构。然后对模型进行碰撞分析，对木构件节点进行优化，并进行管线综合布置，能够在最短时间内建立一个完整的施工模型并能指导施工。同时，通过Navisworks等软件实现漫游、管线碰撞实验，进行3D模拟现场安装施工和制作演示动画。通过BIM技术模拟出的徽派古民居实物图如图3所示。

图3通过BIM技术模拟出的徽派古民居实物

BIM数字建模技术的优势具体如下。

建筑物模型虚拟模拟。传统的建筑物设计只能在图纸上绘制，这种平面式的设计，对建筑工程的受力分析、材料用量计算、抗震分析无从得知。而BIM数字建模可以对建筑物模型进行虚拟模拟，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。

计算工程材料用量。工程材料用量的计算是建筑设计中的重要环节，而平面图纸的设计，只能从面积上计算建筑材料用量，BIM技术却可以从立体上计算，通过计算得到每一个建筑环节的用量。

提高工程管理的有效性和科学性。既然BIM技术可以准确计算材料用量，那么其也可以准确管理整个工程建筑，使管理手段信息化。

提高工程建筑的监督作用。因为工程建设从设计到施工再到投入使用都是通过BIM技术进行的，所以所有的BIM技术参数是既定的，不可更改的，因此避免了人为更改，所有的工程监督职能发挥得淋漓尽致，提高了工程质量，加强了监督作用。

在绿色设计中的应用。随着生态环境破坏问题日益严重，对建筑行业的低碳式设计有较高的要求。BIM技术在建筑工程设计中的应用，能够满足建筑行业绿色发展的需求。

2.4加固技术

通过三维扫描建模技术得出古建筑的框架，加之无损检测技术的加持，运用BIM数字建模技术来打造立体化的建筑图，使工匠可以更直观地观测建筑物内部，从而得出针对性的解决方案，对症下药，大大降低了勘测与用人压力。通过新技术的运用，降低了成本，加快了建筑物的修缮、加固速度，为其安全性提供了保障。

3、将新型数字化技术融入徽派古建筑的意义

新型数字化技术融入徽派古建筑的意义具体如下：①使徽派古建筑木结构被更多人接受，实现了建筑结构的多元化，还提高了资源利用效率，对实现节能减排和绿色发展具有十分重要的意义。②促进地方产业经济转型发展，增加就业岗位，引导带动群众增收致富，驱动消费升级，支撑全域旅游发展。同时，在宣扬地方优秀文化、提升地方美誉度等方面也将起到关键性的作用。更能体现出一个地域的文化特色及地域风貌，从而达到吸引人才、引进人才、为乡村振兴作出贡献的目的。③推动了徽派古建筑木结构的多元化发展，很好地诠释了木梁修复对乡村振兴的意义，让木结构建筑与生态环境达到和平统一。④打造了山水田园风格的木结构建筑，木梁修复徽派古建筑修复让木结构建筑返璞归真，让旅游业与绿水青山完美融合。促使徽州文化全面发展，展现了乡村振兴文化工作的成果，在实现乡村振兴、产业兴旺、生态宜居、乡风文明、生活富裕等方面都具有直接的现实意义，并产生了深远影响。⑤满足人们对“乡愁”和“回乡”心理的美好需求，逐步将徽派古建筑打造成摄影爱好者的精神家园，提升徽文化的高品质发展融合，带动生态旅游的发展，推动摄影产业融合乡村振兴新路径，把徽派古建筑的乡村之美、发展之美、变化之美记录下来、传播出去。

虽然目前科技高速发展，但徽派古建筑的修复依旧没有一个具体化的修复手段。因此，本文希望通过一系列的研究修复手段，来打造原汁原味、悠久岁月的古建筑原貌，让其重新回到大众的视野，也让匠人继续传承下去。

4、结束语

综上所述，本文通过对现代新型加固技术的特点进行数值论证，对徽派古建筑修缮所存在的问题进行了改善及提高，其优势在于：①简述了徽派古建筑的发展趋势，历史文化遗产是不可再生、不可替代的宝贵资源，通过对目前修复行业的问题进行分析，指出目前行业所存在的问题。②在分析的同时也结合现代化科学技术，给出针对性的修缮方法与措施，在分析加固技术原理时，结合3类技术，解决了行业大规模、大工期的不足等问题。③确保古建筑安全可靠，降低了成本，让匠人的效率显著提高。同时，也让更多的人能够加入到保护历史文物和文化遗产的队伍中。

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基金资助:安徽高校自然科学研究项目(编号:2023AH052822);安徽省级质量工程项目(编号:2021xjxtd02､2022zygzts043);