杨娜:登上央视《国家宝藏》的女教授

    近日播出的央视《国家宝藏》聚焦雪域高原对话布达拉宫,我校土建学院杨娜教授登上节目、介绍所负责的布达拉宫结构监测系统。

    

     

    

    

    杨娜教授团队2007年开始开展布达拉宫结构监测相关工作,第一期结构监测系统2012年10月正式运行,第二期结构监测系统2020年8月开

始实施。目前,布达拉宫项目已经培养了博士研究生5名,硕士研究生近20名

    

    

    

节目中杨娜教授介绍布达拉宫健康监测:

    
杨娜教授:我是北京交通大学的杨娜。我们主要负责布达拉宫的结构监测,实时地为布达拉宫做心电图、做CT。

    
国立老师:哟,听着新鲜吗?具体怎么做呢?

    
杨娜教授:就和我们去医院做体检非常相似。需要把传感器装在布达拉宫的建筑本体上。这是温度传感器,实时为我们获取布达拉宫的环境温度。这是位移计,它可以实时监控裂缝宽度的变化。倾斜仪,它可以监控墙体和柱子的倾斜的角度。应变计,是我们装在游客游览的位置比较多的传感器,它监测梁柱的变形,感知到人群荷载对木结构的影响。每天我们看到传输回北京的数据和图像,感觉那就是布达拉宫的心跳

    
国立老师:在北京我们就能看到布达拉宫的心跳?

    
杨娜教授:是的。

    
国立老师:有没有现在就想看看的冲动?

    
观众:有。

    
杨娜教授:我们可以登陆进去,选进红宫,我们可以汇聚其中的一个柱子。这个就是红宫七层回廊一个柱子的应变传感器传回来的数据。

    
国立老师:确实是很像心电图,这个波动的曲线。是不是意味着它有受力的危险?

    
杨娜教授:不是。您看到的幅值特别大,其实是因为我们单位小,一般就是几个微应变,这是正常的。如果构件出现了累积损伤,或者游客碰到它,那么它的平衡位置就会发生异常的波动,我们就会感知到去研判是否需要采取进一步的措施。

    
国立老师:这太先进了。那咱们布达拉宫现在有多少个这样的传感器。

    
杨娜教授:(第一、二期结构监测系统)一共是七百二十个。

    
国立老师:七百二十个。刚才讲了,光地垄就一千多个,那上面的房子也有会上千间,哪够啊?

    
杨娜教授:对于古建筑结构来说,我们特别像给病人看病。你不能全身插满了管子。

    
国立老师:对对。

    
杨娜教授:一定是反复研判,(传感器)必要装才装,不得不装才装。

    
国立老师:现在我听明白了。每一件都要安排在必须的地方,二十四小时守护着布达拉宫的身体情况。听完我感觉放心了。

    
节目最后,国立老师问道:其他三位,你们最深的感触是什么呢?

    
杨娜教授:我们现在正在努力让没有扰动的无接触的传感方式纳入到监测系统。我们不仅仅是要听到布达拉宫,更重要的是要听懂布达拉宫。

    

    

《中国科学报》亦登载杨娜教授团队相关报道:

    

依山垒砌、群楼重叠、殿宇嵯峨,布达拉宫(以下简称布宫)给世人留下了强烈的震撼。

无论是坚实敦厚的花岗墙体、金碧辉煌的金顶、巨大的鎏金宝瓶,还是幢幡辉映,形成红、白、黄三色鲜明对比,分部合筑、层层套接的建筑形体,无不体现藏族古建筑的迷人特色。
          耳边是涤荡心灵的藏乐,台阶、廊下、室内却是游人或急或缓的脚步声、虔诚的叩拜声。这样的振动有没有“打扰”到古建筑结构,历经沧桑的古建筑又向管理者发出了哪些“求救”信号,仅靠人的肉眼无法判别。有这么一支团队——北京交通大学古建筑结构研究团队,他们专注于聆听古建筑的“窃窃私语”。

8月10日,他们准备了5年之久的布达拉宫二期结构监测系统正式启动实施。

    

    一: 布宫能进多少人

    

    杨娜(左四)指挥西经院的人群荷载测试

   

“开放布宫到底能进多少人,游客多了会不会对结构有影响?……”2007年5月,带着一连串疑问,一位援藏干部急匆匆地赶到北京交通大学,商讨布宫客流控制问题。

北京交通大学土木建筑工程学院副院长杨娜很清楚地记得那一天是5月19日。当月31日,从前仅对藏民开放的布宫,其雪城正式对外开放。两个月后,她和团队成员便出现在布宫。

结构安全历来是古建筑保护的重中之重。近年来,尼泊尔地震损毁12座世界文化遗产、巴黎圣母院火灾中尖顶拦腰折断……这些伤害带给世人的都是锥心之痛。而对于像布宫这样的木结构建筑,人多,木结构会发生结构变形,变形到一定程度,自身的恢复就会变得缓慢,甚至不恢复成为累积损伤。此外,由游人增多带来的振动效应、参观安全、参观质量等问题,都决定了做好人流控制势在必行。

杨娜是做钢结构出身,从结构学的角度来说,钢木不分家。他们曾做了大量人群荷载实测,如北京南站。这一次,他们要挑战世上海拔最高、规模最大的宫堡式建筑群。

布宫白天游人如织,夜晚静谧如水。属于科研人员的工作时间,大多是游人散尽的晚上。灯箱师、管理人员充当“游人”“朝拜者”,他们行走的行为习惯,如步频、驻留时间,被团队一一记录,制成图谱。

“一个地方可以进多少人、停留的时间是长是短,都要通过科学的测算。这决定了导游带团进出的时长、布宫合理的参观时间是多少。”杨娜告诉《中国科学报》。

当然,人的行为习惯,不仅取决于参观目的,还取决于吸引他们的建筑、器物。比如,松赞干布与文成公主的雕像所在的法王洞,是布宫中最古老的位置,也是游客、朝拜者最向往的去处。洞内空间狭窄,人流要怎么疏散、怎样控制人流量,这也是杨娜团队的功课。

工作到深夜是常有的事。凌晨三四点从布宫走出来,团队成员、土木建筑工程学院博士生吕梦宁被满天的星斗震撼。她说:“这是一种特别的体验。” 在红山上,这也是一种“特权”,事实上,她有幸成为布宫开馆以来第一个夜间在馆的女性。

在双方合作的第10个年头,也就是2018年,北京交通大学—布达拉宫结构与监测研究中心正式成立。“我们觉得有必要成立这样一个研究中心,因为文物建筑保护,除了外围力量之外,自身人员的培训和成长更要以平台为载体。”杨娜说。

 

     二:你们要培养我的人”

    

    红宫内木结构的变形测量

    

电影《六指琴魔》中,林青霞饰演的黄雪梅疾速拨琴的英姿,印刻在许多电影迷心中,同样也吸引了布宫的工作人员。从《六指琴魔》讲开,团队成员、土木建筑工程学院副教授常鹏采用有效教学结构(BOPPPS)的讲课方式,通过互动,为大家带来了一堂生动的科普讲座《保健医生眼中的布达拉宫》。

听闻北京来的教授开讲,就连周围大昭寺的管理人员也慕名而来,热热闹闹地坐满了一屋。这其实是团队带来的第二场讲座。第一场讲座名为《聆听布达拉宫的窃窃私语》,由杨娜主讲。在她的眼中,万物皆有“语言”,“做结构监测就是要去感知,让它告诉你‘我现在的状态如何”。

怎样去实现这个目标,在科研人员眼中是布传感器。“捕捉万物的语言,翻译成人类能够理解的声音——它的体格如何、是否不舒服、不舒服的地方在哪里、怎么去诊治它,这就是聆听布达拉宫的窃窃私语。”杨娜说。

“对于古建筑结构来说,监测系统就是它的‘保健医生’。保健医生定期检查身体,分析重要指标,这就是‘保健医生眼中的布达拉宫’。”常鹏说,恰好有一类传感器的原理就像琴弦,通过拨动琴弦来测结构的反应,于是便有了讲座开头的那一幕。

实际上,布宫的监测系统早在2012年就安装上了,而在很多人眼中它就是一个形似电话线的仪器,并不清楚它的运行原理。讲座的目的就在于,解释监测系统到底干了什么、它怎样发出信号等。讲座中,在场半数以上的听众都频频点头,“哦,原来是这样”。

“相比较普通参观者,与布宫直接亲密接触的工作人员,更需要科普。我们不指望他们听一次就明白,实际上我们做得更多的是播撒科学保护的种子,第一次提升10个人,第二次可能是20个人。用浅显的语言让不同行业的人,明白他们各自工作的价值,促使他们更好地保护布宫。”杨娜说。这也是布宫的需求。布宫领导曾拉着他们的手,恳切地说:“你们要培养我的人。”

    

   三:眼里不能光是自己专业的事

布宫保护中,团队中的研究生们仿佛化身为身轻如燕的“侠客”,爬上爬下,落得一身灰是常有的事。在杨娜看来,艰辛和品德并没有太大关系,研究建筑结构很重要的一点就是,必须去感知它、触碰它。在一个干净的环境里想当然,显然不是科研应有的态度。

在西藏,杨娜团队最难克服的是高原反应。她随身带着一个笔记本、一个压缩氧气瓶。在那里高原反应会影响一个人的反应、记忆。什么事都随时拿笔记下来,人不舒服马上吸两口氧,成为她在布宫常有的打开方式。

西藏有西藏的节奏,北京有北京的节奏。在这里,不提倡“疲劳作业”。身体稍微有点不舒服,就会被放大。有学生、教师身体不舒服,哪怕是坐飞机头等舱,杨娜都会第一时间要求他们回去。

和古建筑亲密接触,这一要求在杨娜看来,并不只适用于布宫。

在应县木塔的保护工作中,团队新兵、土木建筑工程学院博士后白凡拾级而上,手抚着千年的木筋,激动地说:“那种沧桑和历史感是所有东西无法替代的。它会激发你强烈的职业自豪感,意识到自己正在做一件非常有价值的事情。”对于古建筑保护,杨娜向来坚持一个观点,眼里不能光是自己专业的事“我们常说用专业的角度去看这件事。有时候,专业要画上引号。古建筑领域既需要用专业的角度研究,又千万不能局限于专业的角度。究竟什么是专业?它真正需要的是多学科交叉融合。”

在专业人士眼中,应县木塔倾斜角度早就过了危险界限,修是必然。但是,对于一个重要的保护建筑而言,要不要修复它?什么时候才是最好的时机?必须综合考古、民俗、历史、结构等多方面考虑“那是一种沉甸甸的感觉——既不敢扶正它,又想接触它,同时还要努力做一件有价值的事情。”团队成员、土木建筑工程学院副教授王娟说。同样,眼里不能只盯着传统的方法,还要汲取现代的科技手段、保护理念  

我国“十三五”重点研发计划当中,多个项目涉及绿色建筑、绿色村镇,其中现代木结构是重头戏。现代木结构传承自传统木结构,但也对传统木结构有启示作用。在做贵州吊脚楼等民居建筑的结构改造中,他们采取了节点埋钢片等现代技术手段,使得吊脚楼的底部更稳定,不容易变形,抗震性能更高。“对于古建筑,我们希望它保持性能,别老得太快;对于现代建筑,我们希望性能提升,比原来更舒服。”常鹏说。

 

尽己所学,助力布达拉宫建筑保护。

镂刻不停,于雪域高原书写交大故事。

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