历史建筑安全风险辨识研究 本文关键词：辨识，风险，建筑，研究，历史
历史建筑安全风险辨识研究 本文简介：摘要：本文参考文物古迹损毁诊断MDDS系统和《近现代历史建筑结构安全性评估导则》，对南京下关滨江区历史建筑的病害数据进行整理和风险分析，对相关损伤缺陷给予风险评分和相应修缮对策。同时，论文基于WebGIS技术，在Cesium平台创建相关数据库系统，探讨了GIS+BIM技术在遗产保护领域的应用。关键词
历史建筑安全风险辨识研究 本文内容：
摘要：本文参考文物古迹损毁诊断MDDS系统和《近现代历史建筑结构安全性评估导则》，对南京下关滨江区历史建筑的病害数据进行整理和风险分析，对相关损伤缺陷给予风险评分和相应修缮对策。同时，论文基于WebGIS技术，在Cesium平台创建相关数据库系统，探讨了GIS+BIM技术在遗产保护领域的应用。
关键词：安全风险；数据库；建筑遗产；建筑信息模型
作为保护建筑文化遗产的有效措施，对历史建筑有关损毁类型、原因及损毁过程中各类表现等相关信息和资料进行收集整理，对特定城区范围内历史建筑损毁和病害的状态创建数据库系统平台进行管理分析，可以改善文保工作的作业模式，也为后续可能的修缮工作提供更精确的参考。
1建筑病害图谱
在特定城区范围内，为历史建筑创建典型病害图谱，有高度的应用实践价值，尤其在新的技术条件，如BIM信息技术发展背景下，作为模版或者标本的建筑损毁图谱，可以为遗产保护工作拓展更多的发展空间。南京地区的近代历史建筑，其结构体系和材料多以砖木和砌体结构为主，而关于砌体结构，国际上目前有著名的MDDS文物古迹损毁诊断系统[1]，这套数据库系统全称为MonumentDamageDiagnosticSystem。本质上，MDDS的工作是在数据库支持的基础上提供对建筑遗产损毁的正确诊断和评估，其偏重研究砖砌体类型的建筑文物古迹的损毁状况，相关建筑病害库具有砖构方面的专业特色，其详细收集了各种劣化成因下的砖类材料病害图片，MDDS甚至可以作为一个监测工具比较不同时间收集的数据，但其不足是未涉及混凝土、钢、木等传统建筑材料，从材料种类而言，尚不够全面。本文所探讨的南京地区近代建筑的病害图谱，借鉴了MDDS系统的思路，将本地区常见历史建筑病害的类型从砖砌体拓展到钢、木、混凝土等多种材料，表1展示了按材料划分的部分病害图片。完整的图片库将起到对特定地域内的砖砌体、混凝土、木结构、钢结构等遗产建筑典型病害提供精细鉴别的作用，帮助进行遗产建筑的损毁安全性分析。
2安全风险辨识与修缮加固对策
根据美国盖蒂保护研究所发表指南[2]，历史建筑预防性保护的科学研究框架包括四个阶段：①潜在威胁的确定；②证实存在的风险；③以具有成本效益的方法来衡量风险；④制定方法以减少或消除风险。本文所讨论历史建筑结构安全性风险可视为预防性保护过程中某种特定风险暴露的评估[3]，该环节涉及多专业的合作。在MDDS系统中其实也涉及建筑遗产的风险内容，其风险分析更多是从专家系统角度模仿专家给出病害发生的机理和原因，一般不直接提供结构的安全性评估计算。工程实践中，工程师可能更关注如何枚举所有相关的风险因子而不遗漏，风险树就是以此为目标经常被工程技术人员选用的风险分析模型[4]，图1为砌体结构砖墙砖柱安全风险树模型。相比MDDS系统，国家文物局2014年发布的《近现代历史建筑结构安全性评估导则》[5]更具有指导意义。本文对近代民国建筑的结构安全风险指标评估，即参考该导则所推荐的安全计算分级方法。根据《近现代历史建筑结构安全性评估导则》，结构安全性综合评估应考虑下列因素：①不安全构件在整幢建筑中的地位；②不安全构件的保护价值；③不安全构件在整幢建筑所占数量和比例。导则也提供了根据各类典型构件权重比值（楼/屋面板1.00，次梁1.76，主梁2.96，柱5.36，墙体5.36）对安全性不满足要求构件权重比Γ进行量化计算的计算公式，由所获Γ的计算值，可以评估安全分级区间，但评估导则给出的分区阈值较大，以Γ的计算值分布在0、0.05、0.3三个分区点情况而给予a、b、c、d四个安全等级。在实际项目评估时，发现上述Γ值分区不够细化，本文调整为0.05、0.1、0.2、0.3四个分区点，根据计算所在分区情况分别给予从1到5的风险等级评分。图2为南京鼓楼下关天保里历史建筑，建于清末时期，该处“天字号”建筑群为当时教众居住区，二层砖木结构，是南京为数不多的宗教建筑，具有较高历史价值，在第三次全国文物普查中被认定为近代不可移动文物。由图2可知，该建筑年久失修后有明显损毁，墙体外闪严重，砖体强度退化，砂浆粉状风化，根据本文修正的风险分级计算模型，其安全损伤达到5级，即最高风险级别。因此，后续墙体修缮建议采用钢筋混凝土夹板墙大幅提高加固修缮的安全性，而未采纳部分文物专家和施工企业根据以往工程习惯所推荐的复合砂浆钢筋网面层加固方法。
3WebGIS数据库设计研发
目前，为建筑项目创建管理数据库时，有多种技术平台可以选择，而就特定地理区域内分布的历史建筑而言，基于GIS地理信息技术的数据库管理模式更符合实践需求，但当前多数GIS系统仍然以处理二维数据模型为主。同时，在空间信息的展示和分析方面，只限于系统内的专业用户使用，平台一般并不向外开放。本文所创建的历史建筑相关属性的信息系统架构，与上述传统的数据库系统不一样之处在于：①GIS系统是三维的，且构建于Web之上，即采用B/S架构，而非传统的C/S或者单机架构下的数据库系统。这点是从避免系统的封闭而影响建筑遗产保护活动的社会开放性角度出发，数据库系统应该能允许普通公众浏览，唤起对历史建筑的场景记忆，激发公众对建筑遗产保护的参与意识。②本系统探索了建筑信息模型BIM的相关应用，不同于传统的图像内容展示，BIM在历史建筑保护领域具有独特优势，本质上能反映历史建筑原真的多维度的真实信息，GIS+BIM模型的信息系统架构很可能是最具潜力的历史建筑数据系统模式。从技术难点角度看，本系统按地理区域属性部署数据库系统的难点首先在于如何将成熟的二维GIS平台转向三维WebGIS平台。本系统采用了开源的Cesium系统[6]，即基于Cesium的WebGIS三维客户端，其开源的JavaScript库可实现在浏览器中展示三维虚拟地球的功能。同时，Cesium采用B/S架构，且遵循WebGL三维绘图标准，具有二三维一体化、跨平台、计算精度高等优点。具体程序编制上，本系统用JavaScript在Cesium可视化关键技术的基础上设计实现了图层目录树及管理模块、拉框查询模块、矢量要素点选模块及交互式要素标注模块，可以在卫星三维影像上实时显示和浏览查询历史建筑在区域内的分布。图3为展示在WebGL三维Cesium平台上的下关滨江风光带文物建筑分布情况，网页上可以显示各历史建筑简要的建筑损害信息，右侧的数据库建筑列表可以点击详情选项，通过超链接浏览相关历史建筑的详细病害风险。表2为数据列表中点击民国海军总医院旧址相关链接弹出的跳转网页，详细列出该建筑的病害信息，并给出所在部位安全性风险评分。BIM模型在GIS中的融合是本文数据库系统探索的重要内容，其关键点之一为如何实现BIM模型在Web上的轻量化。目前，历史建筑BIM模型建模LOD精度达到何种级别尚无统一规定，但模型数据偏大这是常见情况，本系统应用BIMVIZ轻量化技术，主要满足建筑模型上病害样本点的标记和表达，从而对BIM数据进行大幅度的压缩和优化，减低Web端模型数据的操作压力。轻量化后的建筑BIM模型在Cesium上加载有两种模式，一种是将Cesium上三维建筑如倾斜摄影模型，执行压平操作后将BIM模型重置其上；另一种则是采用在Cesium上对相关瓦片模型单体化后点击，以网页链接形式打开新窗口展示BIM模型。本文从历史建筑多场景对比的角度选择了后一种加载模式，图4为下关滨江历史建筑和记洋行英国总监办公楼在打开的新窗口中展示的BIM模型。三维BIM模型拓宽了对历史建筑观察和分析的维度，直观显示病害位置。同时，公众可以在允许的权限内通过浏览器操作BIM模型，如旋转、放大、剖切、量测等，显示Web应用模式下相关数据库系统的开放性。
4结语
当前，需要保护修缮的建筑遗产越来越丰富，需要更科学的框架来执行对相关遗产的保护。本文参考MDDS系统，针对南京下关滨江区域的历史建筑，创建典型病害图谱以辅助评估建筑遗产的安全性风险。同时，依据《近现代历史建筑结构安全性评估导则》提出的加权计算方法，辨识相关安全性风险并给予对应的风险评分。同时，基于Cesium平台创建区域内建筑物病害信息数据系统，对相关建筑损伤状态进行管理分析，在B/S模式下探讨了建筑遗产保护领域GIS+BIM技术的应用途径。
作者：方立新 张思琦 孙逊 单位：东南大学建筑学院 东南大学土木学院
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