从东莞可园邀山阁的结构安全监测体现对文物的预见性保护

张燕玲

1 可园邀山阁概况

东莞可园位于东莞市莞城区博厦，始建于清朝道光三十年（公元1850 年），与顺德清晖园、番禺余荫山房、佛山梁园合称广东清代四大名园，是全国重点文物保护单位。东莞可园面积虽然只有三亩三（2204平方米），但园中蜃楼悬阁、廊庑萦回、亭台点缀、叠山曲水，其布局灵巧、构图清新、装修精雅、园景幽致，是清代晚期岭南建筑的精品。邀山阁位可园的西部，是可园的最高建筑（约17.5米），也是当时东莞县城的最高建筑，是可园的标志性性建筑，最能体现当时建筑文化的精髓。邀山阁采用岭南园林建筑中少见的碉楼造型，顶层采用岭南特色窗户形式——满周窗，四面墙除了下墙外，其余墙面全部开窗，最大限度通风与采光。这种特别的开窗形式还令阁楼能最大限度观赏远近美景，天气朗清时可望见远山，有“邀山入怀”的气势，据说这也是“邀山阁”名字的由来。居巢曾作诗表达对邀山阁的赞誉：“荡胸溟渤远，拍手群山迎。未觉下土喧，大笑苍蝇声。”

邀山阁为四层砖木结构建筑物，现存主体结构均为保存完好的原物，建筑主体结构历经近160年。由于年代久远及周围环境的变化，根据2002年华南理工大学建筑学院对邀山阁的初次测量，发现邀山阁墙体的个别地方出现竖向裂缝，且整体出现倾斜。初步估计有以下原因：一是由于可园西南侧公路和高架桥在80年代末施工过程中，曾抽排地下水，使地下水位发生变化；二是由于可园西南侧公路和高架桥一直是东莞市的主干道，车辆经过时，人站在邀山阁可以明显感到建筑物在震动，并伴有较大回声，车流引起的振动对邀山阁造成影响；三是受环境气候、日照、地下水位变化等因素的影响，建筑物可能会出现有时下沉、有时抬升的现象都有可能使邀山阁出现沉降等现象。

2 依靠科学方法，对邀山阁实施预见性保护

从2003年至今，可园博物馆逐渐改变以往“出现问题后修缮或修复”这种对文物进行补救性保护的理念，而是依靠科学方法，对邀山阁实施预见性保护，包括常年综合变形监测和专题性测试、研究及

分析。

2.1 常年综合变形监测

为确保古建筑安全，用科学技术密切注意古建筑变化来预测邀山阁的倾斜及沉降发展趋势，以及反映其在不同时期的倾斜、沉降和裂缝变化情况及趋向，提供可行性原始数据。自2003年起，可园博物馆已委托华南理工大学建筑学院对邀山阁进行常年综合变形监测，截至2013年6月，已对可园邀山阁进行了39次的综合变形监测。综合变形监测的内容包括沉降监测与倾斜监测，监测实施情况如下：

1、水准基准点和沉降观测点布设

在邀山阁附近的稳固地面和房屋墙体上布设3个水准基准点。在邀山阁建筑物四个房屋角及靠近池塘边建筑物共布设4个沉降观测点。

2、倾斜观测点和测站点布设

选择邀山阁西北方向的屋角进行倾斜观测。在屋角相互垂直的两个方向，高、低两个位置布设瑞士徕卡反射片，共布设4个倾斜观测点；在屋角相互垂直的两个沿线方向上布设测站点，共布设2个测站点。

3、观测周期

對所有沉降观测点和倾斜观测点每年观测3次，分别在4月、7月、12月进行观测。若发现建筑物变形异常，须及时调整及缩短监测周期。

4、沉降监测

每次观测时，用精密水准仪和精密铟瓦合金钢水准尺按《建筑变形测量规范》中一级水准测量技术要求观测所有沉降观测点，求得各点沉降值、沉降速率等。

5、倾斜监测

每次监测在测站点上用全站仪对倾斜观测点测角、测距各6 测回，求得建筑物的倾斜度。

6、根据监测方案及时进行监测，所有监测数据和结果均完整记录，并汇总、整理和打印，形成监测报表。监测成果分为二种：

（1）每次监测的监测报表：邀山阁的沉降值、沉降速率、倾斜情况、对邀山阁本体建筑危害性评估、保护措施建议等。

（2）监测总报告：汇总对邀山阁实施监测以来所有的监测资料，并进行图表分析，对监测工作进行总结。

从最近一次（2013年6月）监测后的监测总报告显示：可园邀山阁目前的整体沉降量及各监测点量均处于合理的控制范围内。在连续9年的监测期间，还未发现邀山阁的倾斜有明显发展趋势，但同时发现邀山阁的西北角往北方向的偏移一直处于小范围的波动。总体上看，如果外界因素不发生重大突变，邀山阁目前没有即时倒塌的危险。

2.2 道路车辆振动效应检测

2004年7月，可园博物馆委托广东省地震工程勘测中心对邀山阁因道路车辆振动效应进行检测。检测时间为2004年7月15日18点至7月16日19点；分别在地面和邀山阁各楼层共布设四个检测点；检测点选择在建筑结构的梁柱等受力部位附近，以求记录结构承受力的最大振动。在检测中发现，各检测点振动水平白天较低，晚上逐步升高，在凌晨2点到4点间达到最高，这与107国道上白天客车和小汽车较多而晚上大货车较多的通车规律吻合。

检测结论：邀山阁建筑结构受振动的影响呈明显的放大作用，越高，水平向的振动越大，这种振动对该建筑产生水平撕扯作用，这种作用对邀山阁建筑建筑比较不利。建议：以多种手段定期检测，综合评价；采取隔震措施，减低振动影响。

2.3 岩土工程勘察

2004年10月，由韶关地质工程勘察院对邀山阁进行岩土工程勘察。本次勘察主要内容是：查明地层结构、岩性与分布特征；提供各地层承载力牲及有关物理力学指标；了解场地地下水性质；分析场地稳定性；为基础设计提供所需的地质资料。施工时布设钻孔2个，钻探工艺采用全孔取芯的方式。完成工作实地工作量有：采取岩石样1组、水化学样1组，标准贯入试验8次，简易水文观测1次。

勘察结果表明：（1）邀山阁场地内无不良地质构造现象，作为建筑用地是适宜的。（2）邀山阁周围水量丰富，地下水为弱承压水类型，对钢结构有弱腐蚀性，地基常年浸泡，对基础影响较大。（3）地基土存在软弱砂土层冲积淤泥质土和冲积中砂，力学性质差，承载力小，不宜作为基础持力层。（4）邀山阁建筑经历时间久远，因地基土承载力小，其上部结构已经出现倾斜，处于不稳定状态。

2.4 邀山阁安全鉴定及寿命评估

2007年8至11月，由华南理工大学建筑学院对邀山阁进行安全鉴定及寿命评估。

工作分现场测绘、安全性鉴定以及评估两个阶段进行：

第一阶段工作主要包括：

1、对邀山阁进行了结构尺寸的量测，主要采用全站仪以及钢卷尺在现场进行了结构物尺寸的量测，

2、结构损伤的普查，主要进行了裂缝宽度、长度以及所在位置的量测，并现场拍摄照片，

3、现场采集砖样，并在华南理工大学建筑材料实验室进行了砖样的尺寸、重度、强度等相关材料参数的测定。

第二阶段工作主要包括：

1、绘制建筑结构图纸。由于建造年代久远，可园邀山阁迄今尚无基本的建筑和结构图纸等基本资料，这对建筑结构的安全鉴定和寿命评估以及后续可能的加固带来极大的不便，甚至在某种程度上无法做出科学合理的决策。为了掌握实质情况，对其作出预见性的保护措施，此项工作主要对邀山阁的建筑和结构再现，包括建筑尺寸、结构布置、已有损伤位置和程度等内容，可以作为资料永久保存。

2、建筑结构损伤的普查，结构损伤主要是：东西方向较严重的沉降差、西北方首层墙体的风化导致承载力下降。

3、从现场采集砖样试验，主要是砖材料试验及材料强度选用。

4、结构安全性的鉴定，分以下方面进行计算：墙身高厚比验算（含承重墙高厚比验算、非承重墙高厚比验算）；静力荷载下结构安全性验算（含荷载计算、墙体承载力验算）；地震作用下结构的安全性验算（重力荷载计算、总地震作用及各层地震作用、截面抗剪承载力验算）

5、结构剩余寿命的评估：（1）在假定材料强度保持当前值不发生任何退化的前提条件下，可园邀山阁可以在现行国家相关规范、规程以及标准的相关规定下安全使用100年；而使用年限在150～200年左右时，可园邀山阁的部分墙体在遭遇相当于该地区的抗震设防烈度的地震时将不满足现行国家相关规范、规程以及标准的抗震要求，从而可能导致墙体的破坏，甚至结构的倒塌。（2）在实际使用过程中，结构材料在环境、外部荷载（或作用）等情况下不可避免地会发生强度和刚度的退化现象，导致结构的承载力、变形等不满足相关规定的要求，导致结构功能失效甚至结构破坏。

2.5 在地下水变化期间，加强对邀山阁的变形及沉降监测

2008年4月3日至7日，利用抽排可湖池塘淤泥期间，重点加强地下水变化对邀山阁的变形及沉降监测研究。在邀山阁北侧池塘清淤施工期间，尤其是刚抽干池塘水，对邀山阁沉降带来较明显的影响，靠可湖的两个方位，其累计沉降量是常年监测累计沉降量的近两倍。由于组织管理、监测、施工处理等措施及时到位，及时回放足够的湖水，避免了不利影响的发展。

2.6 墙体受力分析及流量控制研究

2008年7至11月，华南理工大学土木与交通学院对邀山阁进行墙体受力分析及流量控制研究。全面具体的测绘、检测、墙体受力分析和整体结构有限元分析等工作，针对邀山阁目前的情况，对游客流量的控制最优化进行相关计算并提出科学合理的建议，避免因活荷载过大，对邀山阁的长期保护与利用造成损伤和破坏。根据可园邀山阁的方位和结构特点，对墙体的受力状况进行精细分析，并根据计算分析结果，提出在现有的情况下对邀山阁的游客流量进行最优化控制。内容包括：建筑结构绘制、结构材料试验、实体建模与有限元精细分析、游客流量控制。

分析研究表明：1、邀山阁一层由于东西向和南北向开间较大，以及墙体上窗洞较大，因此应力较大，应力的集聚效应也较大，该部分的墙体容易出现开裂现象。2、西北角外墙体在恒载和各种恒活载组合作用下的应力较小，不会出现墙体开裂现象。但结构现场普查发现有较大裂缝开展，可以判定裂缝产生原因可能是由于该角已有较大沉降产生而导致墙体拉裂。3、根据楼板和横梁应力分析结果可见，在控制楼板和横梁应力增长幅度不大的条件下，上楼参观人数宜控制在20人左右。

2.7 动力测试

2011年10月，委托华南理工大学土木与交通学院对邀山阁进行动力测试。这次测试包含了2004年7月的“道路车辆振动效应检测”范围，增加了除道路车辆的其他因素的动力测试，掌握时隔7年后，邀山阁的综合的动力测试结果。测试工况为1天内的连续24小时，分傍晚、凌晨、上午，在邀山阁顶层四个角及中间布设测点共5个。主要内容包括：邀山阁振频率及外界的冲击频率、邀山阁顶层横竖向振动位移、邀山阁顶层横竖向振动速度、邀山阁顶层横竖向振动加速度。

測试结果表明：各测点的振动频率在傍晚、凌晨、上午3个工况没有发生明显变化，除了上午靠邀山阁楼梯测点受到外界影响外，其他的振动出自相同的震源。由于到了晚上，邀山阁已没有任何人活动，能与白天产生相同振动效应的震源只可能是可园西南侧的公路与高架桥。与2004年的检测结果相比：此次的最大振动速度发生在傍晚，冲击力最大，与该时段车流量最大吻合，而2004年检测的振动是在凌晨2点到4点间达到最高，表明近几年实施交通管制后，限制重车经过及限制车速，在一定程度上能减少对邀山阁的振动。

3 对邀山阁实施预见性保护的效应

从东莞可园邀山阁的结构安全监测，实现了对文物的预见性保护，并带来了积极的效应，最大的呼声就是——应否对邀山阁施行即时加固。

2009年3月，可园博物馆向主管部门呈报了《关于可园邀山阁结构安全监测及研究工作的总结汇报》，局领导十分重视，迅速作出重要指示，要求馆方与邀山阁监测技术单位商议是否需对邀山阁立即进行加固处理，以确保生命和文物的安全。馆方随即邀请了多年来担任可园邀山阁常年变形监测及多项专题研究分析的现场负责人——邓晖博士（华南理工大学土木与交通学院测量教研室主任、副教授）到现场商讨应否对邀山阁施行即时加固，并提出建议。在征求了该学院的博士生导师蔡健教授及莫海鸿教授（邀山阁常年变形监测及专题研究分析项目负责人）意见的基础上，邓晖教授作了《关于可园邀山阁加固的回复》，回复意见概括为：

（一）自2002年以来，邀山阁的沉降量及墙体倾斜率变化均不大，可以基本判定目前邀山阁的基础处于稳定状态。

（二）结合2007年的“邀山阁安全性鉴定及其剩余寿命评估”与2008年的“邀山阁墙体受力分析及游客流量控制研究”的相关结论，在外界因素不发生重大突变条件下，邀山阁目前没有即时倒塌的危险，无需通过加固处理以打破目前已有的平衡状态。

综上所述，馆方结合历年对邀山阁的持续监测结论及专家学者意见，对应否对邀山阁施行即时加固作以下处理建议：

（一）馆方早于2004年10月组织召开了“可园邀山阁结构安全问题专家论证会”，当时的专家结论认为“邀山阁的沉降趋于稳定，其倾斜度保持不变。目前结构是安全的，可正常使用，暂不必进行加固及基础处理”。时至第27次监测，监测结果与七年前第一次监测时的结果基本一致，邀山阁的变形沉降变化趋势仍处于相对稳定状态，暂无新的有较大变化的监测结果和变化数据作为再次召开专家论证会的依据。

（二）以2002年至目前的数十次监测及专题研究分析的结论为依据，认为现时不宜对邀山阁施行加固，否则将打破古建筑文物的稳定状态，带来不必要的伤害。

4 制定持续保护机制

对于可园古建筑的保护，可园博物馆从未曾有过一分一秒的松懈，邀山阁的安全更是重中之重的头等大事。近年来，对制定了邀山阁的持续保护机制：

（一）继续对邀山阁的建筑材料強度和结构安全进行定期、持续的监测，建立相关的数据库；在监测过程中重点关注现存较为明显部位的结构损伤程度及趋势；进行长期的裂缝观测和墙体变形观测，必要时进行基础沉降情况下的结构计算分析。以此逐渐积累更多、更科学的理论与数字资料，为有必要进行邀山阁加固时提供充分依据。

（二）成立“可园邀山阁安全检查小组”，由分馆馆长任组长，园林古建管理部主任副组长，专业人员为小组成员。主要工作包括：对邀山阁安全进行每月两次例行检查；密切关注邀山阁周围100米范围内的环境变化，若发生变化（如抽排水导致地下水位变化、施工桩震影响等），即进行时刻观察并及时联系监测技术单位实施持续监测，做好相关的组织协调工作；在雷（大）雨、台风前采取前期防御措施及事后重点检查。

（三）控制每次上邀山阁的参观人数不超过20人，保证邀山阁和游客的安全。

（四）长期连续对邀山阁进行倾斜、沉降、动力和裂缝监测，即长期综合跟踪变形监测。

（五）对邀山阁的木构件定期进行检查，每季至少一次对顶层天花气楼内部进行勘察，预防白蚁、虫害，及时做好通风散湿处理。