古建筑保护中的病害检测与预警系统研究

一、引言

古建筑见证了历史的沧桑变迁，承载着丰富的文化信息，是中华民族乃至世界文化遗产的重要组成部分。但由于年代久远、自然环境侵蚀、人为活动干扰等多种因素的综合作用，古建筑面临着诸如开裂、变形、酥碱、腐朽等各类病害威胁。及时准确地检测古建筑病害，并建立有效的预警系统，对于古建筑的保护与修复至关重要，能够最大程度延长古建筑寿命，保留其历史风貌与文化价值。

二、古建筑常见病害类型及成因分析

（一）墙体开裂

成因：地基不均匀沉降是主要原因之一，由于古建筑建设年代久远，地基在长期荷载及地质变化作用下，可能产生不同程度的沉降差异，导致墙体出现裂缝。此外，温度变化引起的热胀冷缩、地震等自然灾害以及建筑材料自身老化等也会促使墙体开裂。例如，一些砖石结构的古建筑，在经历多次地震后，墙体可能出现斜向或竖向裂缝。

危害：破坏古建筑的整体结构稳定性，影响其承载能力，若裂缝持续发展，可能导致墙体倒塌等严重后果。

（二）柱体倾斜与腐朽

成因：木材柱体长期暴露在自然环境中，受潮、虫蛀、微生物侵蚀等是导致腐朽的重要原因。而地基沉降、外力碰撞等可能引起柱体倾斜。如南方潮湿地区的古建筑木柱，因湿度大易滋生霉菌和害虫，加速木材腐朽。

危害：柱体作为古建筑的主要承重构件，其倾斜和腐朽会严重影响建筑的结构安全，甚至引发整体坍塌。

（二）剥落与酥碱

成因：砖石表面的剥落多因风吹、日晒、雨淋等自然风化作用，使表面材料逐渐脱落。酥碱则是由于砖石中含有可溶性盐类，在水分的作用下，盐类溶解并随水分迁移至表面，水分蒸发后盐类结晶膨胀，导致砖石表面酥松脱落。这在北方地区使用含盐量较高的土壤烧制的砖石建筑中较为常见。

危害：影响古建筑的外观美观，破坏其表面装饰细节，若不及时处理，病害会进一步向内部发展，影响结构安全。

（四）褪色与污染

成因：大气中的污染物、雨水冲刷、生物附着等都会造成古建筑表面色彩的变化。例如，工业排放的废气中含有的硫化物等物质，与古建筑表面的颜料发生化学反应，导致褪色。游客的触摸、涂鸦以及鸟类粪便等也会对古建筑表面造成污染。

危害：改变了古建筑原有的外观风貌，影响其历史和文化价值的展现，对旅游景观和文化底蕴的传承产生负面影响。

三、古建筑病害检测技术与方法

（一）人工目视检查

操作方式：由专业的文物保护人员或古建筑工程师定期对古建筑进行实地巡查，凭借经验观察建筑外观是否存在明显的裂缝、变形、剥落等病害迹象，并记录病害的位置、大小、形态等信息。

优点：简单直接，能够快速发现较为明显的病害，对于一些局部的表面病害和整体结构变形有直观的判断。

缺点：主观性强，对于微小病害和内部结构病害难以察觉，且效率较低，无法实现实时监测。

（二）简易工具测量

操作方式：使用卷尺、卡尺、水平仪、经纬仪等简易工具对古建筑的尺寸、平整度、垂直度等进行测量，以判断是否存在变形病害。例如，通过经纬仪测量柱子的倾斜角度，用水平仪检查地面或楼面的平整度。

优点：操作简便，成本较低，能够获取一定的量化数据，对结构变形有较为准确的测量。缺点：测量精度有限，对于复杂的空间结构和隐蔽部位的测量困难，且同样无法实现连续监测。

（二）超声波检测

原理：超声波在介质中传播时，会遇到不同界面产生反射、折射和散射等现象。当应用于古建筑结构检测时，通过发射超声波并接收反射波，根据反射波的时间、幅度、频率等特征，可以判断结构内部是否存在缺陷，如裂缝、空洞等。

应用场景：可用于检测古建筑木结构内部的腐朽情况，以及砖石结构内部的裂缝和空洞。例如，在检测古建筑木柱时，将超声波探头放置在柱体表面，通过分析反射波信号来判断柱体内部木材的完整性。

优点：对结构无破坏，能够检测内部缺陷，检测灵敏度高，可提供较为准确的结构内部信息。

缺点：检测结果易受材料性质、表面粗糙度、环境噪声等因素干扰，对操作人员技术要求较高，解译数据较为复杂。

（二）红外热成像检测

原理：一切物体都会发出红外辐射，其辐射强度与物体的温度相关。古建筑中的病害区域，如存在裂缝、空洞或腐朽等部位，由于材料的热传导性能发生变化，与正常部位会形成温度差异。红外热成像仪能够捕捉这种温度差异，并将其转化为热图像，从而显示出病害位置。

应用场景：可广泛应用于检测古建筑墙体的保温性能、查找渗漏部位、发现隐藏在装饰层下的结构性缺陷等。例如，在冬季检测古建筑时，通过红外热成像可以清晰看到墙体因保温不良或存在裂缝而导致的热量散失部位。

优点：非接触式检测，快速大面积扫描，能够直观显示温度异常区域，对表面和浅层病害检测效果较好。

缺点：受环境温度、湿度、阳光照射等因素影响较大，对于深度较大或被遮挡的病害检测有一定局限性，图像分辨率和精度有限。

四、古建筑病害预警系统构建

（一）预警指标体系建立

选取依据：基于古建筑的结构特点和常见病害对结构安全的影响程度，选择能够反映结构整体稳定性和承重能力的关键指标。例如，柱子的倾斜角度、墙体的裂缝宽度与发展速率、梁的挠度等。这些指标直接关系到古建筑是否会因结构失效而发生倒塌等严重事故。

量化标准：通过大量的实验研究、历史数据分析和理论计算，确定各指标的阈值范围。如对于砖石结构古建筑墙体裂缝宽度，当超过一定数值（如 3mm）且仍在持续发展时，表明结构安全受到较大威胁；柱子倾斜角度达到某一临界值（如 1/100 柱高）时，需引起高度重视。

（二）材料性能指标

选取依据：考虑建筑材料的老化、腐蚀、风化等特性对古建筑耐久性的影响。对于木结构，重点关注木材的含水率、腐朽程度、力学性能下降指标；对于砖石结构，选取砖石的强度损失率、酥碱程度、表面剥落面积比例等指标。这些指标反映了建筑材料在使用过程中的性能变化情况，与古建筑的长期保存密切相关。

量化标准：依据相关材料性能测试标准和文物保护规范，确定各指标的警戒值。例如，木材含水率过高（如超过 20%）容易导致腐朽滋生，砖石强度损失率达到一定比例（如30%）时，其承载能力明显下降，需要进行相应的保护处理。

（三）数据采集与传输模块设计

选型原则：根据预警指标体系的需要，选择精度高、稳定性好、适应古建筑环境的传感器。例如，在结构安全监测中，选用高精度的倾角传感器、位移传感器和应变传感器；对于材料性能监测，采用合适的木材含水率传感器、砖石强度检测传感器等；环境监测则配备温湿度传感器、风速风向传感器、空气质量传感器等。

布置方案：按照古建筑的结构特点和重点监测部位，合理布置传感器。在结构关键节点如柱底、柱顶、梁端等位置安装结构监测传感器；在木材易腐朽部位、砖石易风化部位附近设置材料性能传感器；在古建筑内外不同高度、不同方位布置环境传感器，以全面获取环境数据。例如，在大型古建筑群中，可在每座建筑的典型位置设置传感器集群，并通过无线通信网络实现数据汇聚。

（四）数据处理与预警模型建立

数据采集：传感器按照设定的时间间隔采集古建筑的结构安全、材料性能和环境因素等数据，并将数据传输至数据采集终端。数据采集终端对这些原始数据进行初步整理和存储，以便后续处理。

数据预处理：对采集到的数据进行滤波、去噪、归一化等预处理操作，去除数据中的异常值和干扰成分，提高数据质量。例如，采用中值滤波去除温湿度数据中的突发噪声点；对不同类型传感器的数据进行归一化处理，使其在同一量纲下进行比较和分析。

特征提取：从预处理后的数据中提取与预警指标相关的特征参数。例如，通过对结构监测数据的时间序列分析，提取柱子倾斜角度的变化率、墙体裂缝宽度的发展趋势等特征；对材料性能数据进行统计分析，得到木材含水率的均值、方差等特征；对环境数据进行综合分析，提取温湿度的极值、变化频率等特征。这些特征参数能够更有效地反映古建筑的病害状态和发展趋势。

五、结语

古建筑作为历史文化的瑰宝，承载着数代人的智慧与记忆，其保护工作意义重大且任重道远。本研究聚焦于古建筑保护中的病害检测与预警系统，通过对常见病害类型及成因的深入剖析，为后续检测与预警工作奠定了坚实基础。传统检测方法虽简便直观，但存在诸多局限性，现代检测技术凭借其高精度、非接触式、实时性等优点，为古建筑病害诊断提供了有力手段，然而各类技术亦各有优劣，需合理组合运用。构建的古建筑病害预警系统，从预警指标体系建立到数据采集传输，再到数据处理与模型构建，环环相扣，旨在实现对古建筑病害的前瞻性把控。通过综合考量结构安全、材料性能、环境因素等多维度指标，利用先进传感器精准采集数据，借助高效传输方式确保信息及时送达，运用科学算法处理数据并建立预警模型，最终形成一套较为完整的预警体系。这一体系不仅能够及时发现古建筑潜在风险，还能为保护决策提供有力支撑，助力文物保护工作者精准施策，最大限度延长古建筑寿命，保留其历史风貌。

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作者简介：杨红秋，1992 年9 月，女，汉族，河北省承德市，大学本科工程师，研究方向：古代建筑设计及施工应用。