摘要：【目的】以有限元分析尋求假山山體主要損傷的詳細定位，為中國園林假山結(jié)構(gòu)性保護研究提供新的視角。進一步推動假山定量研究及科學保護的發(fā)展，從而提升中國古典園林假山遺產(chǎn)保護手段的科學性和精確性?！痉椒ā吭谌S激光掃描技術(shù)基礎(chǔ)上，提出兩種針對假山類復雜模型的建模方式。以有限元為假山遺產(chǎn)保護研究切入點，以整體假山作為研究對象，應用兩種假山力學模型進行數(shù)值模擬?！窘Y(jié)果】分別對四大名石及何園黃石假山作數(shù)值模擬分析，得出四大名石和黃石假山主應力、剪切應力及應變云圖，明確最大值及其具體位置，進一步確定假山遺產(chǎn)結(jié)構(gòu)受力薄弱點和重點監(jiān)測區(qū)域?！窘Y(jié)論】此方法對于假山這一復雜形體造園要素的預防性保護具有重要意義，可將尚未出現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)破壞的假山納入監(jiān)測保護體系中。

關(guān)鍵詞：園林遺產(chǎn)保護；假山遺產(chǎn)；有限元；結(jié)構(gòu)性保護；病害監(jiān)測

中圖分類號：S731；TU986""""" 文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1000-2006（2024）06-0252-08

Research on the" disease monitoring and structural protection of garden rockery" heritage based on an finite element analysis

ZHANG Qingping， WANG Cencen，ZHANG Xiaodong

（College of Landscape Architecture，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

Abstract： 【Objective】 This study provides a new perspective on the research of structural protection for Chinese garden rockeries， utilizing the finite element method as a research tool. It aims to determine the primary damage locations within rockeries. This research further advances the methods and technologies for quantitative analysis and scientific preservation of rockeries， enhancing the scientific rigor and precision of rockery heritage protection methods in Chinese classical gardens.【Method】Based on a three-dimensional laser scanning technology， this study proposes two modeling methods for complex structures such as rockeries. Starting with finite elements in the rockery heritage protection research and considering the entire rockery as the research object， two types of mechanical models of rockeries are developed for numerical simulation.【result】An numerical simulation analysis is conducted on the four famous stones and the Heyuan Huangshi rockery， resulting in the main stress cloud map， shear stress cloud map， and strain cloud map for these elements. This analysis clarified the maximum values and their precise locations， further identifying the stress vulnerabilities and critical monitoring areas within the rockery heritage structure.【Conclusion】This method provides significant value for the preventive protection of rockeries， a complex gardening element. The monitoring and protection system should not exclude rockeries without apparent structural damage.

Keywords：conservation of garden heritage; rockery heritage; Ansys; structural protection; disease monitoring

中國古典園林是世界文化遺產(chǎn)中的瑰寶，也是中國古代燦爛文明的藝術(shù)結(jié)晶。假山作為中國古典園林中不可或缺的造景元素，是其獨特的藝術(shù)標志，也是園林遺產(chǎn)價值的核心載體。但從蘇州怡園假山山體的坍塌[1]、獅子林湖石駁岸裂縫持續(xù)擴大、環(huán)秀山莊假山不均勻沉降及開裂等案例來看，假山的結(jié)構(gòu)性保護迫在眉睫。現(xiàn)階段已有學者針對假山遺產(chǎn)保護進行研究，張青萍等[2]將假山視為石質(zhì)文物，提出假山病害分類及預防性保護措施，建立一套江南私家園林假山預防性保護體系；顧凱等[3]從意境和匠師層面探討中國園林遺產(chǎn)中假山維修的目標與方法。此外，部分學者從三維技術(shù)角度，對假山山體的進行動態(tài)監(jiān)測或建立假山三維數(shù)據(jù)庫，梁慧琳[4]運用多種三維數(shù)字化測繪技術(shù)協(xié)同采集空間信息，對環(huán)秀山莊假山進行測繪和多角度解析；程洪福等[5]對環(huán)秀山莊假山遺產(chǎn)開展綜合性動態(tài)監(jiān)測，為假山遺產(chǎn)保護提供了動態(tài)數(shù)據(jù)。綜合來看，當前假山遺產(chǎn)保護研究尚不成體系，研究內(nèi)容多聚焦于假山的病害監(jiān)測、保護體系、藝術(shù)意境等文化價值方面，鮮少提及山石具體的結(jié)構(gòu)性保護。

現(xiàn)階段假山監(jiān)測對象都是出現(xiàn)明顯破壞的假山，如對假山的裂縫、沉降、風化進行動態(tài)監(jiān)測，但對于尚未出現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)破壞的假山并沒有納入監(jiān)測目標中。初步推測原因為假山內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，體量龐大，難以明確聚焦具體監(jiān)測位置，如若進行整體性規(guī)模監(jiān)測將耗費大量精力。近年來，有限元在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域中已有廣泛運用。主要體現(xiàn)在對磚石建筑等文化遺產(chǎn)的監(jiān)測，利用有限元軟件對研究模型進行仿真分析。明確結(jié)構(gòu)重點監(jiān)測部位后，進行針對性的監(jiān)測保護工作。如運用有限元模型研究圣瑪爾塔教堂產(chǎn)生裂縫和變形的原因[6]；應用有限元分析軟件分析陜西眉縣凈光寺塔現(xiàn)狀應力、受力情況以及對危險部位分析[7]。針對假山遺產(chǎn)監(jiān)測來說，有學者利用Ansys有限元軟件討論了疊山技藝數(shù)值模擬建模研究方法，提出分析路徑[8]。通過三維數(shù)字化測繪技術(shù)對研究對象形變進行可視化處理[9-10]；或通過對研究對象三維模型施加不同荷載，進行有限元數(shù)值模擬分析[11]；或利用多種結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)對建筑遺產(chǎn)進行長期監(jiān)測，從而獲得多方位數(shù)據(jù)[12]。目前研究集中在通過數(shù)字化測繪建立假山三維模型數(shù)據(jù)庫，從而將假山遺產(chǎn)可視化；或是對假山裂縫及沉降進行專項監(jiān)測。

但并未將力學模型分析結(jié)果與實際假山保護相聯(lián)系。筆者將有限元法引入假山遺產(chǎn)保護中，通過有限元分析與假山可視化模型結(jié)合，聚焦假山監(jiān)測位置，提高監(jiān)測假山的精確度。對于假山遺產(chǎn)保護與修復、完善假山遺產(chǎn)監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等方面具有重要的參考意義。

1 材料與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

1.1.1 假山三維數(shù)據(jù)獲取

南京林業(yè)大學園林遺產(chǎn)保護團隊已對包含9個世界文化遺產(chǎn)在內(nèi)的江南地區(qū)12個著名私家園林，使用手持激光掃描儀Geo Slam" Zeb-Horizon和Trimble-TX8型三維激光掃描儀進行三維掃描，通過軟件Trimble Real Works 11.2 對采集的點云數(shù)據(jù)進行配準；并使用無人機 Phantom4 Pro V2.0對園區(qū)進行拍攝，使用Pix4d進行平面處理，最終得到園子整體平面圖和假山的三維點云數(shù)據(jù)。

筆者選取揚州何園黃石假山及江南四大名石進行三維激光掃描，利用Trimble RealWorks軟件進行點云數(shù)據(jù)配準及合并。因本研究的研究對象為假山遺產(chǎn)，對已拼合好的點云數(shù)據(jù)的噪點、孤點、假山以外多余的數(shù)據(jù)進行自動過濾刪除或者手動清除等工作，以此獲得假山完整的三維點云數(shù)據(jù)（圖1）。

1.1.2 假山建模方式研究

由于假山結(jié)構(gòu)復雜，形態(tài)變化豐富，傳統(tǒng)實體建模效果并不理想。筆者基于點云數(shù)據(jù)，提出2種針對假山模型的建模方法（表1）。第1種建模方法是在Trimble Real Works軟件中選擇封裝工具對假山點云進行三角面擬合以此建成實體模型，但由于自動生成的三角面模型孔洞較多，需人為進行孔洞修補及封面。將生成的面模型從 Trimble Realworks導入至Geomagic Studio 軟件中，對假山三角面模型中存在的孔洞使用孔洞填充工具進行逐個填補和修復。最終獲取相對完整的假山面模型（圖2a）。此方法建模對紋理、顏色等形態(tài)特征的分析支持稍顯不足，不過該方法的建模精度較高，常用于3D打印及精細化測量等。第2種建模方式是使用 Agisoft Photoscan Professional軟件處理三維點云數(shù)據(jù)，可以賦予模型紋理信息，最終獲得帶有真實色彩和紋理的假山模型（圖2b）。方法2可較好地還原假山顏色、紋理、形態(tài)等特征，但獲取的三維模型數(shù)據(jù)精度不如方法1高，常用于測量、記錄和模型展示等。由于本研究重點并不在于還原假山的表面紋理形態(tài)，而更關(guān)注假山的整體復雜結(jié)構(gòu)，故選擇第1種建模方式。從最終模型可以看出，雖然局部因點云密度不夠，在建模時與實際假山略有出入，但從整體上來說模型1可以還原實際假山的基本結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)。

1.1.3 假山基本材料屬性

有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，可以對結(jié)構(gòu)的偏移與其應力影響的過程進行預測。操作過程是通過單元劃分實際結(jié)構(gòu)模型，給予邊界條件和已知荷載來求得單元節(jié)點的位移、應變和應力。筆者利用Abaqus有限元軟件，將受力分析引入假山遺產(chǎn)保護研究中。本研究內(nèi)容主要集中于湖石假山、黃石假山及英石假山，查閱文獻確定典型的假山石材（石灰?guī)r、砂巖）的材料性能[13-15]，為Abaqus力學分析積累基本參數(shù)，得到材料參數(shù)見表2?？梢钥闯鍪拈g的基本物理性質(zhì)相差不大。此外，每座假山所用石材種類及基本性能不完全一致，但各假山石材物理力學性質(zhì)的探究不作為本研究的重點內(nèi)容，只做研究方法的一個普遍性探討。且在堆疊假山過程中常常對山石接縫處進行勾縫處理，以此加強假山的整體感，但此步驟不涉及假山的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此本研究不考慮假山內(nèi)部的各類黏合劑影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 整體假山裂縫勘查與力學分析

研究前筆者對江南園林假山進行實地勘查，發(fā)現(xiàn)多個園林中假山均出現(xiàn)明顯裂縫，包括小型景觀置石、假山駁岸以及大型假山山體（表3）。結(jié)果可見，湖石假山裂縫情況較為嚴重，且可供游人攀登的大型假山山腳處均出現(xiàn)明顯裂縫，為考慮游人安全，管理部門已禁止游人攀登游覽。以此為基礎(chǔ)，筆者以假山功能將其分為兩種類型。一類為小型景觀置石，此類假山體量不大，由獨立石峰或疊石組成，以觀景為主要功能。此類置石僅考慮山體自身質(zhì)量并不考慮其他人為受力。二是具備一定的登游、居所功能的大型山體，此類假山內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、體量龐大，除了自身質(zhì)量外往往需要額外承受大量游人或建筑荷載。

2.2 景觀置石的力學分析

由于園林中賞石形狀高度不規(guī)則、周圍空間復雜，需要使用多種設(shè)備協(xié)同采集空間信息。本研究使用Trimble-TX8采集對象主體及周圍空間的點云信息，以精度1 mm進行水平環(huán)繞掃描。使用Geo Slam" Zeb Horizon手持式掃描儀（英國）進行補充掃描，精度為1～3 cm，圍繞主體進行近距離、不規(guī)則路徑掃描，可采集主體細部孔洞特征，同時有效避開周圍喬灌木和建筑的遮擋。后對四大名石進行點云拼合處理、建模。最終獲得四大名石三維點云數(shù)據(jù)和完整模型，結(jié)果見表4。

由于假山模型體積較大且網(wǎng)格面極多，進入Abaqus中計算會耗費巨大的計算機資源，所以需要將模型導入前處理軟件ANSA中，對其進行預處理工作，縮減網(wǎng)格數(shù)量。以冠云峰為例，建模后得到初級模型面網(wǎng)格數(shù)量為3 917 690個，模型能夠精確還原石塊表面空洞及紋理。網(wǎng)格縮減以保持石塊本身幾何形態(tài)為原則，縮減到合適的面網(wǎng)格數(shù)量。以初級模型為原型，縮減90%網(wǎng)格數(shù)量，得到具有378 232面網(wǎng)格的首次縮減模型；第1次縮減后模型僅表面紋理產(chǎn)生虛化，結(jié)構(gòu)形態(tài)未發(fā)生明顯變化，于是繼續(xù)對其進行縮減。第2次縮減后網(wǎng)格數(shù)量為103 740；第3次縮減到37 796面網(wǎng)格模型（圖3）。由圖3可看出模型幾乎丟失表面紋理特征，但仍保留初級模型的幾何形態(tài)。故以第3次網(wǎng)格縮減為最終簡化模型進行計算，既保留精度又減少了計算量。

將網(wǎng)格縮減后的模型導入Abaqus后，對模型進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，保證網(wǎng)格質(zhì)量后設(shè)置參數(shù)。其中參數(shù)設(shè)置包括2個方面，一是輸入材料參數(shù)，二是施加荷載。材料參數(shù)中選定密度、彈性和脆性裂紋3種，根據(jù)表2輸入對應數(shù)值。由于本研究中對假山遺產(chǎn)的保護研究不涉及其他外力因素，荷載設(shè)置為山體本身的質(zhì)量，對模型整體施加重力加速度9.8 m/s2，基座設(shè)置為固定約束。最后設(shè)置顯示動力學分析步，對其進行求解。求解結(jié)果如表4所示。

最終結(jié)果通過應變云圖和應力云圖進行可視化展示，應力為單位面積上作用的力，應變?yōu)槲矬w變形程度的量。由表4可知四大名石均出現(xiàn)明顯的應力及應變集中區(qū)域。由于石頭本身形態(tài)各異，集中點也不盡相同，具體數(shù)值及最大應力應變位置見表5。通過對假山模型進行數(shù)值模擬仿真分析，可以分別確定四大名石的重點監(jiān)測位置。其中最大應力及應變位置大多集中在石體空洞較細部位，與實際中峰石產(chǎn)生裂隙位置相吻合。應集中人力物力在假山局部區(qū)域進行監(jiān)測管理，更好地開展假山遺產(chǎn)的監(jiān)測保護工作。

2.3 假山山洞

古典園林山洞由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，難以分割，堆疊工序復雜，一直是假山研究的重點內(nèi)容[16]。對江南園林假山遺產(chǎn)石體調(diào)研中發(fā)現(xiàn)多處假山山洞均出現(xiàn)明顯裂縫，且底部具有支撐作用的石塊以及山洞頂部的過梁石裂隙情況較為嚴重。目前，大多數(shù)假山山洞面向游客開放，具有可游、可登的功能。而大量游人攀爬、登游穿行等活動是否會導致承重石材開裂、已有裂縫擴大導致山石松動脫落等結(jié)構(gòu)安全性問題，是假山保護及維修中的重點內(nèi)容。

本研究選取何園西園的黃石假山作為研究對象（圖2），以此增加樣本的豐富度。此山全部建立在陸地之上，主體由黃石堆疊而成，伴有少許土方結(jié)構(gòu)，假山中植物較為茂盛。本研究聚焦于黃石假山山洞主體，暫不考慮東側(cè)湖石假山和過道類山洞對其影響。目前山體保存較好，未見明顯山體裂隙。

對于何園西園黃石假山來說，游人登游停留活動往往圍繞山前石徑、山洞內(nèi)部及山頂平面展開。而僅在山頂處，游人質(zhì)量才會對假山產(chǎn)生荷載影響。故為探究大量游人登山對山體造成荷載壓力影響，利用Trimble Real Works 軟件對山頂平臺表面積進行估算推算出山頂可容納最大人數(shù)，并設(shè)置相應人體自重荷載。以1m2/人進行計算，得出此黃石假山山頂最大限度可容納人數(shù)約為14人，按65 kg/人對假山山頂平面進行荷載疊加，以此來建立新的受力模型。此外建立僅受重力的假山山體受力模型與之對比。求解結(jié)果如圖4顯示。計算結(jié)果表明兩種受力模式下，需重點關(guān)注監(jiān)測的假山部位均在黃石假山東側(cè)山腳部分，但分布位置并不相同。在僅受假山自身質(zhì)量的情況下，應力最大值處于正面山洞東側(cè)山腳處（圖4）；在承載巨大人流量的荷載情況下，應力最大值位于側(cè)面山洞靠墻山腳處（圖5）。兩處部位均出現(xiàn)細小裂縫，且黏合劑開始剝落。故此后應對這兩處部位進行針對性監(jiān)測與重點排查工作。

3 討 論

近年來，中國古典園林假山遺產(chǎn)保護方面的問題逐漸受到高度重視。但現(xiàn)階段針對假山的保護大多停留在搶救性保護階段，主要是通過對已出現(xiàn)嚴重破壞的假山進行工程修復，對于假山的結(jié)構(gòu)性保護及預防性保護研究較少。本研究以有限元分析為假山遺產(chǎn)保護研究的切入點，以是否承受額外游人及構(gòu)筑物荷載為依據(jù)，將假山劃分為2種力學模型進行數(shù)值模擬，提供假山山體主要損傷部位的詳細定位，明確假山遺產(chǎn)重點監(jiān)測部位。這對于假山這一復雜形體造園要素的預防性保護具有重要意義。

在磚石建筑文物保護中，現(xiàn)已有研究結(jié)合有限元技術(shù)將磚石建筑裂縫進行可視化存檔工作[16-17]。后續(xù)假山研究也可結(jié)合有限元仿真模型與監(jiān)控系統(tǒng)，判斷目前假山裂縫的演變趨勢以及日后可能產(chǎn)生裂縫的若干情況。對于某些結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的假山，結(jié)合有限元仿真模擬可對其結(jié)構(gòu)體系進行科學的加固與修復。同時也可結(jié)合紅外熱成像、三維掃描、人工實地勘察等方式對假山裂縫進行監(jiān)測，進一步清楚地觀測到假山破壞和局部沉降情況，并對裂隙損傷產(chǎn)生的原因進行詳細分析，為假山遺產(chǎn)的保護提出指導性建議。有限元技術(shù)雖然具有高效性和科學性，為假山結(jié)構(gòu)保護注入了新的活力，但有限元模擬對假山結(jié)構(gòu)的研究尚處于探索階段，還需要繼續(xù)深入、科學地進行研究與探討，以便為有效深入地推進假山遺產(chǎn)保護做出貢獻。

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（責任編輯 吳祝華）