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0 引言
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四川地区现存明代木结构古建筑中有壁画及彩画作装饰者多达十余处,其中大多数采用编竹夹泥墙为围护结构,例如平武报恩寺、新津观音寺、蓬溪宝梵寺、邛崃盘陀寺、广汉龙居寺等全国重点文物保护单位均是如此,其在分布地域、营造时代、建筑结构、装饰手法等方面具有典型性[1]。一般对于古代建筑壁画或彩画而言,由于自身组成材料和结构的脆弱性,对保存环境十分敏感,尤其长期在热湿环境下保存极易发生各种病害[2-3]。目前我国文物保护工作正在从“抢救性保护”向“抢救性与预防性保护并重”方向发展,在文物保存环境监测与评估领域开展了大量相关研究工作,然而主要集中在博物馆馆藏文物方面,通过较为全面系统研究已经形成了一系列环境监测和评价的标准规范;在不可移动文物方面研究较少,仅针对如故宫古建筑、敦煌莫高窟洞窟、汉阳陵帝陵外藏坑等少数重要古迹遗址开展了一些案例研究[4-10]。
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本次针对四川地区明代编竹夹泥墙木结构古建筑这一典型建筑类型,以广汉龙居寺中殿为例,对该建筑的热湿环境进行监测分析。监测方法采用目前常用的基于物联网技术的环境温湿度监测系统实现,即在龙居寺中殿建筑空间特征位置布置空气温湿度传感器,利用物联网技术对环境监测数据进行采集、传输、存储、输出。通过对海量监测数据的整理,分析了建筑空间温湿度时空变化规律,评估了建筑热湿环境特征,探讨了热湿环境对文物保存的影响。该工作属于首次针对特定类型古建筑热湿环境方面的研究,研究成果不仅丰富了四川地区明代编竹夹泥墙木结构古建筑热湿环境特征的认识,而且为龙居寺中殿壁画病害和墙体结构安全问题的成因分析提供了依据。
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1 建筑概况
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广汉龙居寺中殿位于四川省广汉市新丰镇龙居村,建于明正统十二年(公元1447年),为第七批全国重点文物保护单位。该建筑坐北向南,平面近方形,有台基,面阔三间11.2 m,进深三间12.1 m,七架抬梁式木结构,歇山式屋顶。建筑内部墙体和垫拱板表面保存有壁画92.7 m2,阑额表面保存有彩画6.7 m2,绘于明成化二年,主要内容为佛教十二圆觉,属四川地区明代建筑壁画中精品[11]。
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该建筑上部露明,顶部为青筒瓦屋面。四壁围护结构包括墙体、垫拱板及门,沿南北和东西中轴线对称分布,其中墙体由墙柱自然分割,南北两壁各两面(图1),东西两壁各三面(图2),厚度约18~20 cm;垫拱板由斗拱自然分割,东西两壁各六面,南北两壁各七面,厚度约16~18 cm;门位于南北两壁明间,六抹槅扇门。主要围护结构墙体和垫拱板均为编竹夹泥墙结构,中间骨架由“立枋—穿枋—编壁”3个层级组成,外侧墙面依次为草拌泥层、石灰和涂料装饰层,内侧壁画依次为地仗层、白粉层、颜料层或金层[12]。
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图1 建筑北壁外侧正射影像图
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Fig.1 Orthophotograph of the north outer wall
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图2 建筑西壁外侧正射影像图
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Fig.2 Orthophotograph of the west outer wall
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2 监测方案
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2.1 监测方法
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根据建筑结构和空间布局特点,选择满足设备参数要求的空气温湿度传感器,在建筑空间特征位置进行测点布设、设备安装和监测调试,利用物联网技术通过云服务器实现监测设备上传数据的采集、运算、存储,采用WEB端和移动端进行数据的实时查看、下载及初步整理分析。温湿度传感器设备主要参数:温度范围(-20~100℃),精度(≤±0.3℃),分辨率(0.01℃);相对湿度范围(0~100%),精度(≤±2%),分辨率(0.01%)。监测时间:2017-10-01—2018-09-30,监测周期:1年,数据采集间隔:15 min。
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2.2 测点布置
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测点布置综合考虑建筑内外、布局朝向、测点高度等因素影响,按照充分反映建筑空间不同特征位置微环境的原则进行布点。测点数量共计12个,每个测点布置温湿度传感器1台,其中1#~3#传感器位于建筑内部依中轴线放置,4#~8#传感器位于建筑内部紧邻内侧壁画放置,9#~11#传感器位于建筑墙体中部凹腔埋置,12#传感器位于建筑外部西壁檐下紧邻墙面放置(图3)。
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图3 测点位置布置图
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Fig.3 Locations of the measuring points
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3 结果与讨论
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3.1 建筑空间温度时空变化规律
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3.1.1 时间变化规律
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通过对比监测数据,建筑内部中轴线、建筑内部紧邻壁画、建筑墙体中部、建筑外部紧邻墙面四类特征位置的温度监测数据具有较好的一致性。为了解建筑空间空气温度的时间变化规律,按照朝向和高度一致的原则分别从各类特征位置测点中依次选择2#、7#、11#、12#传感器为代表,通过对监测周期内温度月平均值的对比分析了解总体变化趋势(图4)。在此基础上分别选择温湿度变化特征最具典型性的冬季(1月份)和夏季(8月份)作为代表性时段,且考虑到不同天气类型对温湿度变化的影响,进一步在代表性时段中选择天气类型最具典型性的两天作为代表性时间,通过对代表性时间监测数据的对比分析了解温度随时间具体变化情况(图5和6)。
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由图4可见,建筑空间在监测周期内空气温度月平均值总体变化趋势一致,呈现出明显的季节性,冬季低,夏季高,春季和秋季处于过渡阶段,与该地区常年气温变化情况相似。各类特征位置代表性传感器之间略有差异,随季节变化表现出一定区别,秋冬季基本相当,春夏季有所差别。
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图4 监测周期温度月平均值变化
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Fig.4 Temperature change curve of monthly average during the monitoring period
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图5 冬季代表性时间温度变化
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Fig.5 Temperature change curve during typical winter time
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图6 夏季代表性时间温度变化
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Fig.6 Temperature change curve during typical summer time
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由图5和图6可见,建筑空间在冬季和夏季代表性时间内空气温度变化特征总体一致,即一天24 h周期性升降,通常早晨到达极小值,下午到达极大值,其他时间处于过渡阶段,与日照辐射程度正相关。各特征位置代表性传感器之间周期性升降变化随时间变化存在明显的递变规律,主要表现为极值发生时间按照建筑空间由外向内的顺序依次不同程度滞后,以极大值更为显著,建筑内部相比建筑墙体滞后更明显。同时极值发生时间和滞后程度也随季节、天气等因素影响存在一定变化,冬季相比夏季极小值发生时间推后、极大值发生时间提前,晴天相比多云和下雨滞后程度更大。例如按照由外向内顺序传感器12#、11#、7#、2#,冬季2018-01-14极小值发生时间依次为8∶21、8∶26、9∶13、9∶18,极大值发生时间依次为15∶42、16∶42、18∶19、18∶36;夏季2018-08-15极小值发生时间依次为6∶48、7∶06、7∶35、8∶03,极大值发生时间依次为16∶19、17∶33、19∶06、19∶09。
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3.1.2 空间变化规律
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通过对比监测数据,各传感器监测周期和各月的温度平均值差异均较小,但极值和差值差异明显。为了解建筑空间温度的空间变化规律,本次以全部测点传感器为对象,通过对监测周期监测数据和月较差相关指标的对比分析,认识各类特征位置之间的整体差异,分析同类特征位置不同测点受布局、朝向、高度等因素的影响。
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由图7和图8可见,建筑空间各传感器温度监测数据和月较差呈现出一致的规律性,主要表现为三类特征位置按照建筑内部、建筑墙体、建筑外部的顺序,温度监测数据依次极大值增大、极小值减小,平均值不明显,月较差依次极大值增大、极小值增大、平均值增大,即按照建筑空间由内向外的顺序空气温度周期性升降的波动幅度逐渐增大,其中建筑内部相对稳定,建筑外部及建筑墙体波动明显。例如按照传感器1#~8#、9#~11#、12#的顺序,监测数据差值取值范围依次为26.38~28.52℃、33.5~43.51℃、50.09℃,月较差平均值取值范围依次为7.89~10.11℃、14.64~20.95℃、24.95℃。同时由图5和图6可见,各类特征位置代表性传感器空气温度在冬季和夏季特征时段内波动幅度情况同上,例如按照传感器2#、7#、11#、12#的顺序,冬季2018-01-14日温差依次为1.56℃、2.80℃、8.16℃、11.96℃,夏季2018-08-15日温差依次为2.49℃、4.18℃、15.26℃、21.75℃。
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同类特征位置不同测点受布局、朝向、高度等因素影响也较为明显,主要体现在温差方面。例如1#~3#传感器测点同属建筑内部中轴线同一高度不同位置,中段2#相比南段1#和北段3#的温差略有偏小,说明建筑南北两壁明间的六抹槅扇门围护结构对建筑内外热量交换具有一定积极作用。9#和10#传感器同属建筑墙体东西两壁同一高度位置,西壁相比东壁温差明显偏大,极大值尤为明显,可见西晒导致热辐射作用对于建筑墙体温度升高影响显著。4#~5#传感器和6#~8#传感器同属建筑内部同一平面位置不同高度,两者随高度增加波动均依次略有增大,初步分析这一方面受建筑顶部屋面热辐射影响导致,另一方面与建筑内部地下温度的保温作用有关。
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图7 监测周期温度监测数据相关指标对比
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Fig.7 Temperature comparison of monitoring date-related indicators
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图8 监测周期温度月较差相关指标对比
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Fig.8 Temperature comparison of monthly difference-related indicators
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3.2 建筑空间湿度时空变化规律
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3.2.1 时间变化规律
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通过对比监测数据,建筑内部中轴线、建筑内部紧邻壁画、建筑墙体中部、建筑外部紧邻墙面四类特征位置的相对湿度监测数据具有较好的一致性。为了解建筑空间空气相对湿度的时间变化规律,按照朝向和高度一致的原则分别从各类特征位置测点中依次选择2#、7#、11#、12#传感器为代表,通过对监测周期内相对湿度月平均值的对比分析了解总体时间变化趋势(图9)。在此基础上分别选择温湿度变化特征最具典型性的冬季(1月份)和夏季(8月份)作为代表性时段,且考虑到不同天气类型对温湿度变化的影响,进一步在代表性时段中选择天气类型最具典型性的两天作为代表性时间,通过对代表性时间监测数据的对比分析查明相对湿度随时间具体变化情况(图10和11)。
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图9 监测周期相对湿度月平均值变化
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Fig.9 Relative humidity change curve of monthly average during the monitoring period
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图10 冬季代表性时间相对湿度变化
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Fig.10 Relative humidity change curve during typical winter time
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图11 夏季代表性时间相对湿度变化
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Fig.11 Relative humidity change curve during typical summer time
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由图9可见,建筑空间在监测周期内空气相对湿度月平均值总体变化趋势基本一致,季节性差异明显,夏季和秋季较高,冬季和春季较低,与该地区常年相对湿度变化情况相当。各特征位置代表性传感器之间的差异性随季节变化表现出较明显区别,秋季和春季差异性较小,夏季和冬季差异性较大。
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由图10和图11可见,建筑空间在冬季和夏季代表性时段空气相对湿度变化特征分为两类情况,一类如建筑内部(2#、7#)和建筑外部(12#)传感器,表现为一天24 h周期性升降,通常早晨到达极大值,下午到达极小值,其他时间处于过渡阶段,与空气温度变化呈负相关;另一类如建筑墙体(11#)传感器,表现为走势平稳,总体趋势与前者一致。其中第一类情况建筑内部和外部各特征位置之间周期性升降随时间变化存在一定递变规律,即极值发生时间建筑内部相比建筑外部明显滞后。同时极值发生时间和延迟时间段也随季节、天气等因素影响存在一定变化,例如按照建筑内部和建筑外部顺序传感器7#、2#、12#,冬季2018-01-14极小值发生时间依次为16∶14、16∶34、17∶04,极大值发生时间依次为9∶30、10∶07、10∶16;夏季2018-08-15极小值发生时间依次为16∶36、16∶43、16∶54,极大值发生时间依次为5∶59、7∶19、8∶35。
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3.2.2 空间变化规律
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通过对比监测数据,各传感器相对湿度监测周期和各月的平均值差异均较小,但极值和差值差异明显。为了解建筑空间相对湿度的空间变化规律,本次以全部测点传感器为对象,通过对监测周期内监测数据和月较差相关指标的对比分析,认识各类特征位置之间的整体差异,分析同类特征位置不同测点受布局、朝向、高度等因素的影响。
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由图12和图13可见,建筑空间各传感器空气相对湿度监测数据和月较差也呈现出一致的规律性,主要表现为三类特征位置按照建筑墙体、建筑内部、建筑外部的顺序,监测数据依次极小值减小,极大值和平均值不明显,月较差依次极大值、极小值、平均值均增大,即建筑空间相对湿度周期性升降的波动幅度建筑墙体相对稳定,建筑内部波动较明显,建筑外部波动明显。例如按照传感器9#~11#、1#~8#、12#的顺序,监测数据差值取值范围依次为42.07%~44.52%、52.91%~58.11%、80.63%,月较差平均值取值范围依次为13.06%~17.12%、30.87%~38.12%、68.86%。同时由图10和图11可见,各类特征位置代表性传感器空气湿度在冬季和夏季特征时段内波动幅度变化情况同上,例如按照传感器11#、2#、7#、12#的顺序,冬季2018-01-14日相对湿度差依次为3.87%、4.46%、8.98%、41.77%,夏季2018-08-15日相对湿度差依次为0.15%、7.32%、11.03%、60.15%。
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图12 监测周期相对湿度监测数据相关指标对比
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Fig.12 Relative humidity comparison of monitoring date-related indicators
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图13 监测周期相对湿度月较差相关指标对比
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Fig.13 Relative humidity comparison of monthly difference-related indicators
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同类特征位置不同测点受布局、朝向、高度等因素影响也较为明显,主要体现在相对湿度差方面。例如1#~3#传感器测点同属建筑内部中轴线同一高度位置,中段2#相比南段1#和北段3#的相对湿度差明显偏小,说明建筑南北两壁明间的六抹槅扇门对建筑内外湿气交换作用显著。9#和10#传感器同属建筑墙体东西两壁同一高度位置,西壁相比东壁相对湿度差略有偏大,分析建筑墙体内部空间相对封闭,该差异主要由西晒作用导致东西两壁墙体内部温度不同而间接引起相对湿度变化导致。4#~5#传感器和6#~8#传感器同属建筑内部同一平面位置不同高度,两者随高度增加平均值减小、波动增大,前者主要受建筑内部地面水分蒸发导致下部湿度增大影响,后者与建筑顶部屋面热辐射间接引起的相对湿度变化相关。
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3.3 建筑空间热湿环境特征评估
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由上述分析结果可知,建筑空间空气温度和相对湿度随时间总体变化趋势基本一致,符合该地区常年温湿度变化情况,但两者时空分布具体规律特征各异。空气温度周期性升降变化按照建筑空间由外向内的顺序依次不同程度滞后,建筑内部相比建筑墙体滞后明显,波动幅度按照此顺序依次逐渐减小,建筑内部相对稳定,建筑外部及建筑墙体波动明显。空气相对湿度建筑内部相比建筑外部周期性升降变化明显滞后,建筑墙体走势平稳,波动幅度建筑墙体相对稳定,建筑内部波动较明显,建筑外部波动明显。同时建筑南北两壁六抹槅扇门热湿交换、建筑东西两壁西晒作用、建筑顶部屋面热辐射、建筑内部地面地温和水分蒸发等,这对建筑空间热湿环境的空间分布规律都有一定影响。综上可见,从建筑环境角度考虑,以广汉龙居寺中殿为代表的四川地区明代编竹夹泥墙木结构古建筑对外界温湿度变化具有较好的缓冲和隔离作用。
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目前国内外对于不可移动文物保存环境未形成统一的评价标准,而对于与古建筑木构件和内部附属壁画等材质相似的馆藏文物保存环境主要有两条评价标准,一是2003年我国《博物馆藏品保存环境试行规范》提出“博物馆藏品保存环境温度和相对湿度标准,其中对于木器、木雕标准温度20℃、标准相对湿度50%~60%,对于彩绘泥塑、壁画标准温度20℃、标准相对湿度40%~50%,同时要求环境相对湿度日波动值不得大于5%,温度日较差不得高于2~5℃”[13];二是2007年美国采暖、制冷与空调工程师协会提出“普通文物温度波动理想范围±2℃,可接受范围±5℃;相对湿度波动理想范围±5%,可接受范围±10%[14]。虽然龙居寺中殿建筑及壁画作为不可移动文物处于半开放或开放环境下,这与馆藏文物保存环境存在差异,但是从材料保存环境科学角度考虑材料劣化主要受环境相关因素的影响,对于大多数文物而言温湿度往往是主要环境因素,因此本次以馆藏文物保存环境中温湿度评价标准对龙居寺中殿建筑及壁画进行评价具有一定适用性。
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根据监测结果,龙居寺中殿建筑内部各测点监测周期内温度平均值18.07~18.49℃、相对湿度平均值75.69%~78.93%,温湿度波动以夏季晴天最大,以代表性时间2018-08-15为例,当天温度日较差2.49~4.18℃,相对湿度日较差7.32%~11.08%。将其与馆藏文物保存环境相关标准对比可知,该建筑内部温度平均值与标准较为接近,日较差也满足标准要求,相对湿度平均值远远大于标准,且日较差也较标准偏大。由此可见,建筑内部热湿环境对文物保存较为不利,主要体现在相对湿度平均值高、波动较大,对于建筑内部相对湿度的调控将是该建筑及内部附属文物后期预防性保护的关键。建议可以在夏季和秋季相对湿度较高时段,利用建筑内外湿度差异通过打开或关闭南北两壁明间六抹槅扇门进行建筑内外湿气交换,或者主动采用空调设备对建筑内部进行除湿,以此达到降低建筑内部相对湿度、减小相对湿度波动的目的。
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34 热湿环境对文物保存的影响
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根据建筑内部壁画现状调查结果,壁画保存状况较差,病害发育严重,这既与自身组成材料和结构特征方面内因相关,又受各种环境因素外因影响,其中建筑内部热湿环境特征是壁画病害的主要成因,在酥碱和霉斑两种病害上体现得尤为明显。墙体壁画下部多有酥碱病害发生,这与建筑空间相对湿度时空变化规律密切相关。由建筑空间热湿环境特征可知,空气相对湿度平均值建筑墙体和建筑内部均较高,周期性波动幅度建筑墙体相对稳定、建筑内部较大,由此当建筑内部相对湿度小于建筑墙体时,墙体内侧壁画地仗层中水分因蒸发作用向外迁移而不断携带可溶盐聚集在表层产生酥碱,且随建筑空间高度降低相对湿度增大,导致墙体下部酥碱更为明显。墙体壁画局部也有霉斑病害发生,除了壁画颜料中有机胶料可以为霉菌生长提供营养基外,与建筑内部常年温暖湿润的环境也密不可分。由建筑空间热湿环境特征可知,建筑内部各测点监测周期内温度平均值18.07~18.49℃、相对湿度平均值75.69%~78.93%,且相对湿度90%以上的情况多有发生,这为霉菌生长提供了良好的环境条件。
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同时根据建筑墙体现状调查结果,编竹夹泥墙存在一系列结构安全问题,以墙面变形起鼓表现最为严重,经初步分析其主要成因为墙体中间竹木骨架因白蚁粉蠹危害发生劣化导致两侧泥层失去后背支撑而自身应力调整逐渐变形所致,由探孔可见部分中间骨架整体糟朽或大部分残缺,甚至仅余残渣。结合建筑空间热湿环境特征,建筑墙体内部也是常年温暖湿润,相对湿度平均值在80%左右,波动幅度较小,这为白蚁蠹虫生长繁殖提供了良好的气候环境。此外建筑墙体内部偶有结露(相对湿度100%)情况出现,由此形成的冷凝水会对编竹夹泥墙两侧泥层与中间骨架之间的结合产生不利影响,加速此问题的发生。
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4 结论
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对以广汉龙居寺中殿为代表的四川地区明代编竹夹泥墙木结构古建筑热湿环境进行监测,分析了建筑空间温湿度时空变化规律,评估了建筑热湿环境特征,探讨了热湿环境对文物保存的影响。得出以下结论:
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1)建筑空间空气温度总体变化趋势一致,周期性升降变化按照由外向内的顺序建筑外部、建筑墙体、建筑内部依次不同程度滞后,波动幅度也逐渐减小;相对湿度总体变化趋势基本一致,周期性升降变化建筑内部相比建筑外部滞后明显,波动幅度建筑墙体相对稳定,建筑内部波动较明显,建筑外部波动明显。从建筑环境角度讲,该建筑对外界温湿度变化具有较好的缓冲和隔离作用。
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2)建筑内部热湿环境对文物保存较为不利,主要体现在相对湿度高、波动大,相对湿度调控将是后期预防性保护的关键。
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3)建筑热湿环境不仅为壁画酥碱和霉斑病害主要成因,而且导致了编竹夹泥墙体结构安全问题的发生。
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摘要
为了解广汉龙居寺中殿建筑热湿环境特征,采用基于物联网技术的环境温湿度监测系统对建筑空间温度和相对湿度进行监测,分析建筑空间温湿度时空变化规律,评估建筑热湿环境特征,探讨热湿环境对文物保存的影响。结果表明,该建筑对外界环境温湿度变化具有较好的缓冲和隔离作用,建筑内部热湿环境对文物保存不利,主要体现在相对湿度高、波动大,湿度调控将是文物预防性保护的关键。建筑热湿环境为壁画酥碱和霉斑病害主要成因,同时促进了编竹夹泥墙体结构安全问题的发生。研究成果不仅丰富了对四川地区明代编竹夹泥墙木结构古建筑热湿环境特征的认识,而且为该建筑壁画病害和墙体结构安全问题的成因分析提供了依据。
Abstract
In order to ascertain the hygrothermal environment of the middle hall building of Longju Temple, the temperature and relative humidity in building spaces were measured by a monitoring system based on Internet of Things technology. The spatial-temporal distribution of temperature and the relative humidity were analyzed. The characteristics of the hygrothermal environment were then evaluated. The influence on cultural relics was also considered. The results show that the building has good buffering and isolating effects against changes of external temperature and humidity, but that the internal hygrothermal environment is not conducive to the preservation of cultural relics due to high relative humidity and great fluctuation of humidity. Therefore, controlling humidity is the key to preventive conservation of cultural relics. The hygrothermal environment is the main cause of mildew on and other damage to the murals and it also threatens the structural safety of the bamboo-woven clay wall. These research results could enrich the hygrothermal environment understanding of ancient wooden buildings with bamboo-woven clay wall and provide a basis for understanding the causes of mural damage and wall structural problems.
沪公网安备 31010102005301号