2019, Vol. 36
2. 同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092
2. School of Architecture & Urban Planning, Tongji University, Shanghai 200092, China
建筑遗产的不可移动性及其内外空间环境的复杂性，使得建筑遗产难以避免受到自然环境和人为因素的影响，引发建筑本体的各种病害产生. 预防性保护，是指通过彻底完整的记录、检测、监测以及最小干预的预防性维护，减免从原材料到整体性破损，以及防止进一步损害的应急措施[1]. 及时发现造成建筑遗产病害的风险因素，是实现预防性保护的前提和基础. 本文以澳门圣母雪地殿壁画保护为例，探索如何实施环境与建筑本体的监测，以为实现建筑遗产预防性保护提供更为科学的依据和支撑.
1 概述建筑遗产病害的产生及其发展与环境因素的变化密切相关. 国外对于可移动文物保存环境的关注始于19世纪中叶，通过大量案例的监测跟踪研究，总结出各种环境因素如温湿度、光线、污染气体等对不同类型文物可能产生的破坏[2]. 这些研究成果为建筑遗产预防性保护理念的提出和实践提供了坚实的技术基础.
20世纪90年代末，环境恶化、旅游业发展等因素使得建筑遗产面临更多的风险，建筑遗产保护领域开始提出预防性保护的概念. 现代测绘技术的快速发展，也使针对建筑遗产环境变化及本体损毁的定量分析评估工作更具科学性和客观性. “系统监测与报告”和“反应式监测”工作被正式纳入1996年版的《世界遗产公约执行操作指南》中；2005年版的《世界遗产公约执行操作指南》把监测工作列为世界遗产最重要的经营管理项目之一.
国外众多遗产保护机构开展了相关的专题研究和实践工作. 1995年意大利保护研究中心发起了文化遗产的风险评估工作，应用GIS技术对环境引起的建筑遗产危害进行评估，同时对遗产的保护状态进行监测，以便管理控制和采取更有效的保护措施[3-4]. 近年来，意大利、西班牙、德国、葡萄牙等国家的研究人员开展了一系列项目实践，应用先进的科学记录技术对建筑遗产的环境变化及本体危害进行测绘记录，通过持续监测分析危害的风险和变化，为下一步建筑遗产微气候环境调节提供数据支持[5-9].
国内对于建筑遗产本体的监测技术最早应用于20世纪末开始至今的应县木塔变形监测[10]；而21世纪初开始的登封汉三阙和宁波保国寺大殿的监测工作，在国内率先应用数字化信息技术对室内温湿度等微环境以及建筑本体石质和木质的变化进行了持续监测，并建立了融数据采集、信息管理和数据展示三者为一体的监测系统[11-12]. 近年来开展的苏州古典园林监测工作着重探讨了如何发挥监测数据的作用、实现遗产监测长效化的关键问题[13].
由上述研究成果可知，建筑遗产的预防性保护体现了一种新的保护理念，强调通过科学记录、定期检测和日常维护等手段及时发现并消除隐患，通过风险评估和科学监测等方法分析损毁变化规律，并以此来确定科学的保护方法技术[14]. 该保护理念在世界各国得到了广泛的推广和践行.
2 研究案例概况2005年7月，澳门历史城区被联合国教科文组织列入《世界遗产名录》，圣母雪地殿教堂是其中重要的组成部分.
圣母雪地殿教堂位于澳门半岛最高峰东望洋山顶上，始建于17世纪上半叶，与中国历史上第一座现代灯塔相邻(如图1所示).
|
图 1 澳门圣母雪地殿鸟瞰 Figure 1 Aerial picture of Guia Chapel in Macao |
虽然教堂规模甚小，但因其地理位置特殊而成为澳门的重要地标之一. 教堂整体小巧玲珑，带有浓厚的17世纪葡萄牙乡村教堂的风格，建筑主体分为门厅(上方为唱诗席)、前殿(主体空间)、拜殿(与前殿间由壁柱拱券分隔)和祭殿(供奉圣母雕像)四部分，后部西侧有一约10 m2的耳房作为圣器室，总建筑面积约100 m2(如图2所示). 教堂屋顶采用筒拱结构，由厚重的砖石墙支撑，最厚处达1.1 m.
|
图 2 澳门圣母雪地殿平面图 Figure 2 The plan of Guia Chapel |
该教堂建成近400年来保存基本完好，建筑整体未见明显破坏. 1996年澳葡政府对教堂进行内部保护和修复工程时发现了被粉刷覆盖的壁画，大面积残留于教堂的天花和墙壁. 这些壁画运用中国绘画技法描绘圣经故事及人物，是华南地区罕见的艺术作品，极具艺术性与观赏性. 经研究，该壁画属于湿壁画，即在地仗石灰层未干的状态下绘制，颜料被吸收入石灰层中而成为墙壁表面不可分割的一部分.
2010年前后，圣母雪地殿建筑被发现有多处渗漏，殿内的壁画也开始呈现劣化病变的严重态势. 为了遏止壁画的进一步病变以及保护建筑整体，澳门特别行政区文化财产厅委托同济大学建筑与城市规划学院历史建筑保护实验中心牵头，组建跨学科的研究团队对圣母雪地殿进行长期的环境与建筑本体监测，并开展一系列深入的保护研究工作[15].
本文为上述研究工作的一部分，重点探讨在该项目中环境和壁画病害的实时监测技术选择、系统构建和数据分析等问题，进而提出建筑构造改善措施建议.
3 壁画实时监测系统的建立 3.1 监测对象及其信息采集技术的选择和实施壁画实时监测系统的监测对象包括壁画病害和相关环境因素两部分，因此相关的信息采集主要针对这两方面展开.
3.1.1 壁画病害壁画病害主要包括剥落、空鼓、开裂、变色、污染等，一般会在可视的外观上有所表现，可选择专业数码摄影技术采集壁画基本数据以获知其病害情况. 数码摄影中的数字化图像传感器可以将壁画外观影像以数字方式记录、存储并通过网络传输，对于特定病害还可以内置图像处理功能，对影像进行实时处理，及时采集其变化状态数据. 由于壁画的影像受到光照明的影响较大，在实施设置图像传感器的同时，还要设置合适的稳定标准的光源；此外，壁画病害持续变化的过程较为缓慢，要选择较为长效的传感器并设置合适的数据采集频率(如图3所示).
|
图 3 圣母雪地殿壁画数字化图像采集 Figure 3 Digital image acquisition of Mural in Guia Chapel |
在壁画病害的各类环境因素中，空气污染、灰尘、振动和环境温湿度的影响是比较主要的.
污染空气的酸性气体会影响壁画的颜料色彩和地仗层的稳定性，可设置气体传感器持续监测壁画环境空气中有害气体的浓度变化. 在壁画监测系统中一般选择可检测二氧化碳、硫化氢和氮氧化物的气体传感器.
对于灰尘的监测，因为影响壁画的灰尘颗粒相对较大，通常在PM10以上，且主要考虑其沉降堆积对壁画的影响，因此一般选择精度为1 µg/m3的粉尘传感器. 其通过测量落在监测窗表面的灰尘数量进行监测，比较适用于壁画积尘的长期监测.
在振动监测方面，除了地震，大型机械和重型车辆也会产生足以影响壁画的振动. 在有壁画的壁面设置振动传感器可持续监测振动的烈度、频率和发生时间.
大多数壁画处于空气流通条件不佳的室内，其环境温湿度会严重影响壁画的保存. 不同于馆藏文物，建筑壁画较难置于一个可以控制温湿度的环境，而即使是在有空调的建筑内，其空调设置也以保证建筑中人的舒适度为目的，不能保证对壁画有益. 为此设置空气温湿度传感器以了解壁画所处的真实温湿度环境. 考虑到建筑遗产的特点，温湿度监测要选择微型、低功耗、网络化的数字化传感器. 在设置监测传感器时，要特别注意以下两点：第一，由于墙体温度以及近壁面、室内和室外的空气温湿度四者之间会有差异，因此在实施设置传感器时要能同时监测此四处的温湿度变化；第二，露(霜)点温度是空气在水汽含量和气压都不改变的条件下冷却到饱和时的温度. 智能化的温湿度传感器会根据测量到的现场温湿度推算出露(霜)点温度. 一般来说，墙体和近壁面的温度会比周围空气更早接近露点温度，以此可以对壁画表面结露进行预警. 因此，可根据需要选择并在合适部位实施设置这种智能化的温湿度传感器.
此外，由于建筑壁画分布范围较大，需要根据现场情况在多处设置传感器形成一个网络，并将采集的数据传输集中存储;如 在圣母雪地殿壁画的监测中，室内外共设置 了 24 处温湿度监测点. 壁画所处的建筑遗产往往不合适铺设线缆，因此传感器需要选择无线网络型的. 如果传感器数量较少，可以选择GPRS或4G无线通讯网络直接与外网联接，将数据上传至云端服务器存储；传感器数量多则需要先建立一个内部网络来采集存储数据(Zigbee 或 Lora)，将数据集中后通过外网传至云端备份和发布.
3.2 监测数据的采集和管理壁画监测采集的数据种类繁多，且都是持续不断发生变化的，但在监测时不易也没有必要不间断记录，需要根据监测对象的特性和监测目的以一定的时间间隔在其变化范围内、采用适当的精度进行采样.
壁画病害发展相对缓慢，对其外观图像信息的采集频率采用每月一次已足可连续记录其变化过程. 图像采集需要稳定可控的照明，必须配套设置专业的人工光源并避免环境光的干扰. 而采集图像的精度则要根据病害的特性进行计算，如监测壁画上约0.1 mm裂缝变化，对于分辨率为2 592×1 944的常用5M像素监测专用工业摄像头，其监测面积则不超过一张A4(297 mm×210 mm)纸范围.
空气污染的影响虽然也是缓慢和累积的，但其发生和来源需要尽快被确认，因此其监测频率要每天甚至每小时一次. 如果附近有生产活动作为污染源，则可通过分析监测数据进行推测，再通过实地调研以确认.
灰尘的累积通常也比较缓慢，在相对比较封闭的室内也可以每月采集一次，但如果环境比较开敞，有明显的扬尘侵害，则可以将采集频率提高到每周或每天一次，以发现灰尘出现的规律，确定其来源.
振动其实是无时无刻不在发生的，但监测时是要采集其对壁画有影响的振动. 振动强烈程度成为烈度，国际标准组织推荐以振动速度的均方根值来表示振动烈度. 人体可感知的振动烈度是0.112 mm/s，可以作为壁画监测的阈值.
温度也是连续变化，但由于其变化率较低，考虑到日夜的温度变化，通常可每小时采集一次. 如果壁画所处室内较为封闭且有空调设备，则要适当提高采集频率以记录空调的影响.
湿度变化不仅仅受到温度的影响，人为因素也会使空气湿度在短时间内发生较大变化，因此湿度的监测要比温度监测频率高4~5倍，通常为10~15 min一次，有空调影响的也随温度一起提高监测频率.
此外，研究壁画病害往往会需要分析一年甚至多年的监测数据，要管理这些大量数据就需要应用数据库系统. 因此壁画监测不是简单放置传感器采集数据，而必须建立起一个由数据库支撑的监测系统. 各个传感器采集的数据由系统收集存储，并可根据预设条件进行检索，并将检索出的数据转化成表格或图形. 系统除了管理各个传感器采集的数据，还需要采集各个传感器的工作状态，以对传感器进行管理(如图4所示).
|
图 4 监测系统软件界面 Figure 4 The software interface of monitoring system |
对壁画监测产生的大量数据只有经过统计与分析才能应用到其保护中.
对于结构化数据，通常先使用简单的描述统计的方法以了解其基本情况. 例如，对于环境温湿度，可以统计各处及各时间段的平均值、中位数、众数、标准差、方差等进行比较，在长期监测积累了大量数据之后，这种统计与比较可以较为高效地描述变化规律与发现异常变化，如快速确认壁画所处环境的总体湿度和有较高湿度的时间段等. 除了在同类数据的不同位置和不同时间段进行数据统计与比较之外，还需要对不同类型数据在相同或接近的位置与时间段之间进行，以发现监测对象互相之间可能存在的影响关系，这对于寻找并确认影响壁画的主要环境因素是非常有效和科学的方法. 数学统计工具中的正态分析与卡方检验都可以定量对观察到的现象进行描述和比较. 例如，环境空气温湿度(室外、室内)对壁画表面温湿度的影响，通过统计计算才能确切获得其影响程度的量化指标，以用于不同位置、不同材料壁画之间的比较. 在描述统计的基础上，还可以进一步用推断统计的方法对监测数据进行处理，以局部病害和一定时间段内病害发展的趋势推断总体壁画的情况，并分析和推测壁画病害的总体特征和发展规律(如图5所示).
|
图 5 温度监测数据分析 Figure 5 The analysis of temperature monitoring data |
壁画监测中还有一些非结构化数据，如图像数据等. 非结构化数据很难直接进行简单的统计计算，需要先进行必要的处理，从中抽取或转化成结构化数据之后再进行统计比较. 应用数字化图像处理技术可以将图像数据中的一些特性转化为结构化数据，例如壁画表面色彩深浅变化、剥落的位置与范围、裂缝的长度与宽度，都是可以从图像中获得的结构化数据.
此外，将监测数据转化输出成图形的方式可以更直观地表达数据间的变化关系；从图线上还可以简便求出监测需要的某些结果(如以直线的斜率和截距值表示病害发生的程度和起始位置等)，读出没有进行观测的对应点，如采用内插法，可降低监测频率以降低传感器能耗，延长工作时间；或采用外推法，推测病害发展趋势并做出预警. 同时，还可以把某些复杂的函数关系通过一定的变换用直线图表示出来，以更明确表达监测数据(病害与环境)之间的变化规律.
4 基于实时监测的建筑构造改善措施建议经过5年的监测数据采集，通过分析积累的监测数据，基本确定澳门圣母雪地殿教堂壁画病害的发生和发展的规律及其影响因素，以此为依据，在维护管理措施中建议采用湿式吸尘器避免扬尘，并提出以下建筑构造改善措施建议.
4.1 屋面构造整改从监测数据中可以发现，圣母雪地殿教堂穹顶天花的壁画受温度影响较大，而温度与室外日照有很大相关性. 经过现场勘察和文献记载考证，雪地殿屋面原为双层瓦，双层瓦屋面对防水、隔热、调节室内热湿环境起到很好的作用. 但在1994年屋面大修时，将原来传统的双层瓦屋面改成了单层瓦屋面，大大削弱了屋顶的隔热效果. 因此建议重新恢复原有双层瓦屋面做法，不仅可改善屋顶的隔热效果，保护内部壁画，还能恢复原有外观形式，保持建筑遗产的原真性.
4.2 增设门斗对监测数据进行分析表明，现有的室内温度与湿度变化高达85%以上，主要原因是门的开启闭合过程外部潮湿气体进入教堂内部，以及室内空调系统白天开启夜间关闭的工作模式. 目前教堂室内空调系统的主要目的是保证游客和教堂里的人员体感舒适，但其造成的夏季室内外温差和昼夜温差会使得建筑墙体表面结露，从而对壁画造成严重破坏.
建议在圣母雪地殿入口位置增设一个方盒状的玻璃门斗(如图6所示)，一方面对因门扇开合时进入室内的室外高温、高湿空气进行缓冲；另一方面将服务于人的空调系统与壁画分隔开，为减小温差，还可单独为壁画再添置另一套空调系统.
|
图 6 增设门斗平面位置示意图 Figure 6 The plan of adding anteroom in Guia Chapel |
从监测数据分析可知，现有门窗在气密性、节能性等方面性能较差，引起窗户附近室内温湿度变化很大，壁画破坏也比较严重. 建议在现有木窗上增设密封条，以增强密闭性和保温性；或者将其直接更换为与原样式一致的气密性更好的木窗.
4.4 外墙防水防潮处理从监测数据分析可知，目前墙体的防水性能较弱，圣母雪地殿在自然条件下会与多种类型的水发生接触，如雨水、地表反溅水、冷凝水、上升毛细水等，水分渗入墙体后使其受潮湿润，为细菌、真菌、微生物等提供了良好的存活条件，并可能溶解建筑材料中的盐分，最终形成建筑的“癌细胞”——泛碱. 受潮、发霉和泛碱都会对室内壁画产生极大的危害，必须从外墙防水与室外排水两方面做好对水产生的病害的预防措施.
建议使用天然水硬石灰NHL等防水材料对外墙、墙脚散水及台阶进行整改，使其具备一定的防水能力. 另外，应利用室外地形高差，及时将雨水排入西北方向和东侧的土地中，以防雨水聚积.
5 结语面向预防性保护的建筑遗产实时监测是一个长期的过程，其技术方法仍处于不断尝试和完善的过程中. 例如，积累数据的深入发掘和分析技术亟待提高；监测的技术和手段需要根据实际情况进行不断的调整和更新；依据监测数据分析提出的改善措施的有效性也需要通过进一步长期监测进行验证，经过多次PDCA循环(Plan-Do-Check/Study-Act，计划—执行—检查—处理)，以切实提高文物建筑保护的工作水平. 通过总结本项目的前期研究经验，希望能为后续的相关研究提供借鉴，以促进更为科学和有效的建筑遗产保护技术研究.
| [1] |
LIPOVEC N C. Preventive conservation in the international documents: from the athens charter to the icomos charter on structural restoration [C]//Raymond Lemaire international Centre for Conservation. KU Leuven, Belgium:[s.n.], 2008.
|
| [2] |
贾文婷. 遗址博物馆大气环境与文物病害的理化关联[D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2015.
|
| [3] |
ACCARDO G, GIANI E, GIOVAGNOLI A, et al. The risk map of Italian cultural heritage[J].
Journal of Architectural Conservation, 2003, 9(2): 41-57.
DOI: 10.1080/13556207.2003.10785342. |
| [4] |
BONACINA C, BAGGIO P, CAPPELLETTI F, et al. The scrovegni chapel: the results of over 20 years of indoor climate monitoring[J].
Energy and Buildings, 2015, 95: 144-152.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.12.018. |
| [5] |
SCIURPI F, CARLETTI C, CELLAI G, et al. Environmental monitoring and microclimatic control strategies in " La Specola” museum of Florence[J].
Energy and Buildings, 2015, 95: 190-201.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.10.061. |
| [6] |
FABBRI K, PRETELLI M. Heritage buildings and historic microclimate without HVAC technology: Malatestiana Library in Cesena, Italy, UNESCO Memory of the World[J].
Energy and Buildings, 2014, 76: 15-31.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.02.051. |
| [7] |
MUNOZGONZALEZ C M, LEONRODRIGUEZ A L, NAVARROCASAS J, et al. Air conditioning and passive environmental techniques in historic churches in Mediterranean climate. A proposed method to assess damage risk and thermal comfort pre-intervention, simulation-based[J].
Energy and Buildings, 2016, 130: 567-577.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.08.078. |
| [8] |
RAFFLER S, BICHLMAIR S, KILIAN R, et al. Mounting of sensors on surfaces in historic buildings[J].
Energy and Buildings, 2015, 95: 92-97.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.11.054. |
| [9] |
SILVA H E, HENRIQUES F M. Preventive conservation of historic buildings in temperate climates. The importance of a risk-based analysis on the decision-making process[J].
Energy and Buildings, 2015, 107: 26-36.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.07.067. |
| [10] |
王林安, 侯卫东, 永昕群. 应县木塔结构监测与试验分析研究综述[J].
中国文物科学研究, 2012(3): 62-67.
WANG L A, HOU W D, YONG X Q. A summary on the research and analysis of testing and monitoring the Yingxian County Timber Pagoda structure[J]. China Cultural Heritage Scientific Research, 2012(3): 62-67. DOI: 10.3969/j.issn.1674-9677.2012.03.012. |
| [11] |
汤众, 路杨. 汉三阙文物保护监测体系构建研究[J].
建筑与文化, 2009(9): 63-65.
TANG Z, LU Y. Research of monitoring system for heritage conservation for Three Que in the Han Dynasty[J]. Architecture & Culture, 2009(9): 63-65. |
| [12] |
汤众. 保国寺宋代大殿监测系统建设与使用[C]//宁波保国寺大殿建成1000周年学术研讨会暨中国建筑史学分2013年年会. 宁波: [出版者不详], 2013.
|
| [13] |
周苏宁. 提高世界遗产监测有效性的思考和研究——以苏州古典园林监测为例[J].
中国园林, 2015, 31(11): 55-58.
ZHOU S N. Thinking and research on improving the effectiveness of the World Heritage monitoring – A case study of Suzhou classical gardens monitoring[J]. Chinese Landscape Architecture, 2015, 31(11): 55-58. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6664.2015.11.012. |
| [14] |
吴美萍, 朱光亚. 建筑遗产的预防性保护研究初探[J].
建筑学报, 2010(6): 37-39.
DOI: 10.3969/j.issn.0529-1399.2010.06.009. |
| [15] |
戴仕炳, 汤众, 李峥嵘, 等. 世界遗产澳门圣母雪地殿壁画的保护研究[J].
建筑遗产, 2016(3): 114-122.
DAI S B, TANG Z, LI Z R, et al. The conservation strategy of the Frescoes in the Chapel of Our Lady of Guia in Macao[J]. Heritage Architecture, 2016(3): 114-122. |