為古建“延年”

記者 李祺瑤

在古都北京，一座座古建筑如明珠散落，飛檐斗拱處，雕梁畫棟間，書寫著悠悠歲月。

數(shù)百年來，這些木結(jié)構(gòu)的建筑飽經(jīng)風霜、雨雪、暴曬，出現(xiàn)各種各樣的“病痛”。老工匠憑經(jīng)驗用錘子敲擊，為古建“體檢”——敲擊聲音清脆，說明古建“身子骨”硬朗;如果聲音發(fā)悶，說明梁柱可能有病害。然而，即便工匠經(jīng)驗再豐富，也難以對病灶具體位置、糟朽程度作精準判斷和快速“對癥下藥”。

前不久舉行的2024年北京市文物行業(yè)職業(yè)技能競賽，讓一處深藏在密云區(qū)郊野間的大院走進公眾視野。按照傳統(tǒng)工藝仿建的明長城墻體、等比例搭建的清陵宮殿以及各種先進的高科技儀器設(shè)備……集于北京木結(jié)構(gòu)古建筑保護科研與實驗基地(以下簡稱基地)，一系列文物保護領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)在這里首秀，亮出文物部門與科研院所的多學科合作成果，為古建筑“延年益壽”提供新解。

北京市考古研究院(北京市文化遺產(chǎn)研究院)遺產(chǎn)預防保護部主任張濤是基地的秘書長，和古建筑打交道近20年，在他眼中，古建筑是不會說話的“百歲老人”，為此，他帶領(lǐng)團隊依托基地開展了一系列科研項目，嘗試為這些“老人”制定出一套健康監(jiān)測和診療方案，讓它們能夠頤養(yǎng)天年。

張濤利用科技手段為古建筑做“體檢”

文保人員利用基地1∶1全尺寸古建筑模型開展實驗

“微創(chuàng)手術(shù)”

基地里，一座仿清代官式建筑的木結(jié)構(gòu)模型格外打眼，放眼望去，像一組榫卯結(jié)構(gòu)的大型“積木”。走進這間“積木”房，面闊三間、四梁八柱的結(jié)構(gòu)一目了然。抬頭看，一段木梁上，鑲嵌著密密麻麻的傳感器和各種顏色的線路，科研人員登上梯子，舉著特制的儀器和工具，為木梁做“微創(chuàng)手術(shù)”。

“這是國內(nèi)首個1∶1全尺寸的古建筑實驗模型。”站在木梁下，張濤解釋，“我們按照古建營造的傳統(tǒng)工法，采用傳統(tǒng)木料，搭建了一座清東陵裕陵的朝房模型，負責施工的都是有著二三十年經(jīng)驗的木工工匠。”利用這一模型，文物工作者和科研人員還原了真實的古建修繕場景，一同開展木結(jié)構(gòu)微創(chuàng)加固研究。

在對古建筑進行結(jié)構(gòu)安全檢測的過程中，文物工作者經(jīng)常會遇到類似的難題：古建筑中，位于最下層、最長的一根梁出現(xiàn)變形或糟朽等“病癥”，而其他位置的梁架結(jié)構(gòu)健康無損。

“很多古建筑都有五架梁或七架梁的結(jié)構(gòu)，如果要修或更換其中一根梁，最傳統(tǒng)的做法是落架大修——需要拆卸整個屋面，從上往下一點點卸掉上層的梁架，將最底層有病害的梁換掉，再把所有梁架、瓦片重新安回去。”張濤坦言，這種修繕方法對古建筑的擾動比較大，“每修一回，古建筑的原始構(gòu)架、歷史信息都會有一定程度的損失。為此，我們開始探索一種不落架的修繕方法，希望通過‘微創(chuàng)手術(shù)’，最大限度保留古建筑細微之處蘊含著的寶貴信息。”

“微創(chuàng)手術(shù)”怎么開展?張濤有個大膽的想法：在變形或糟朽的木結(jié)構(gòu)內(nèi)部“植入”加固材料。他查閱了大量相關(guān)文獻資料，發(fā)現(xiàn)在上個世紀的歐洲，有學者曾提出將金屬材料嵌入木梁中進行加固的方法，“但是在四季分明的北京，這個方法明顯行不通。”張濤話鋒一轉(zhuǎn)，習慣性地向記者科普，“木材和金屬的冷熱收縮率有很大差異，到了夏天，嵌入的金屬傳熱能力比較強，木材膨脹后很容易發(fā)生變形，兩種材料還有可能完全脫開。”

經(jīng)過與研究團隊的一番頭腦風暴，張濤看中了一種力學性能非常優(yōu)異的新材料——碳纖維。它的比重不到鋼的四分之一，但抗拉強度卻是鋼的7至9倍，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域。“碳纖維不僅自重輕，本身還具有一定柔性，幾乎不會影響木結(jié)構(gòu)的荷載。我們可以把它植入木梁里，既能對存在病害的木梁有一定程度補充，還能讓碳纖維隨著木材一起冷熱收縮。”

將設(shè)想付諸實踐的過程，遠比想象中困難。

“最開始策劃這個課題是2018年。從選用碳纖維材料，到前期的縮尺寸模型實驗;從實驗室里的摸索，到基地等比例模型上的實操，我們的研究是一步步呈梯度進行的。”回憶起一路走來的點點滴滴，張濤打開了話匣子。

碳纖維布、碳纖維板、碳纖維桿，哪種材料更適合給古建筑“強健筋骨”?新木材和老舊木材具有不同的含水率和力學性能，植入碳纖維會對它們產(chǎn)生什么影響?單是研究這兩個問題，張濤就跑了三年的實驗室，做了上千次實驗。

“我們和北京工業(yè)大學、北方工業(yè)大學合作，在實驗室里用5∶1縮小尺寸的木梁進行實驗，開槽、植入不同的碳纖維材料，測試木梁加固后的力學性能。”張濤說，一切都要摸索著來，“大量使用新的木構(gòu)件通過測試之后，我們還會從古建修繕工地找一些老舊的木材，再次重復實驗，對前面得出的結(jié)論進行驗證，最終我們發(fā)現(xiàn)碳纖維板是最適合用來加固木梁的材料。”

古建修繕講究慢工出細活，科研人員愿意潛下心來，為“百歲老人”尋得良方。

2023年，基地正式掛牌，張濤和研究團隊有了更廣闊的實驗平臺。前期理論研究已成雛形，這才搭建起1∶1全尺寸的古建筑模型。“這相當于從實驗室轉(zhuǎn)到真實的修繕現(xiàn)場，很多問題難以預料。”張濤打趣道，實際操作的過程中，他才體會到“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”。

最先面臨的問題是，“微創(chuàng)手術(shù)”怎么“開刀”。“在實驗室的操作臺上給木材開槽很容易，但是在基地的古建筑模型里，我們就得蹬著梯子、舉著鋸，給木梁做原位開槽。”張濤笑著補充，為了方便下一步嵌入碳纖維板，這個槽必須是一條等寬等深的直線，“我們反復試了很多遍，經(jīng)常開著開著就跑偏了，或者開完發(fā)現(xiàn)一頭粗一頭細。”

為此，團隊研發(fā)了一套特別的“手術(shù)刀”——兩側(cè)有導軌可以卡在木梁上，保證推動鋸盤時運行的速度、鋸盤的轉(zhuǎn)速、鋸盤切入木梁的深度等數(shù)據(jù)恒定。“每個數(shù)據(jù)我們都要反復調(diào)試，找到最合適的值，保證開出的槽是完美的。”

這僅僅完成了第一步。為了把碳纖維板穩(wěn)穩(wěn)當當?shù)刂踩胫挥?至8毫米的“刀口”里，研究團隊又做了上百次實驗。“我們下了很大功夫，才讓固定碳纖維板的膠瞬間填滿四五米長的槽。”張濤回憶，當時正是夏天最熱的時候，他和團隊成員一遍遍地爬上爬下，不斷嘗試各種注膠方法，研發(fā)了專用注膠工具，調(diào)配出最佳的膠體配比。

開槽，向木梁內(nèi)植入碳纖維板，再注膠，以形狀相近的木條嵌入封口……經(jīng)過“微創(chuàng)手術(shù)”，木梁內(nèi)部有了一根非常結(jié)實的“筋”，力學性能有了大幅提升。“在古建屋面本身的基礎(chǔ)重量上，我們又將總重近10噸的沙袋一袋袋運到屋頂上，測試極端條件下它的最大承重量。”張濤自信地說，測試結(jié)果既令人驚喜又在意料之中，“它的承載力遠高于木結(jié)構(gòu)。”

隱蔽“健骨”

這項“古建筑大木構(gòu)件碳纖維板隱蔽式修繕加固”研究，目前在北京已落地應(yīng)用。今年，經(jīng)過一年多改陳升級、煥新重張的首都博物館中，就有一件“老文物”用上了這項新技術(shù)。

今年春節(jié)假期，首博再次傳出久違的京腔，數(shù)以萬計的觀眾走進老北京民俗展廳，品淳厚民俗，聽梨園京韻。細心的觀眾發(fā)現(xiàn)，不僅展廳全面升級，仿古戲樓的體驗環(huán)境也提升了——張濤和團隊的“微創(chuàng)手術(shù)”就應(yīng)用在這兒。

“2006年，首博仿照陽平會館戲樓復原了這座戲樓，用來展示館藏京劇文物，定時舉辦演出。作為兄弟單位，我們也給首博做過大型木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)安全檢測評估。”張濤回憶，由于復原戲樓時使用的木材含水率偏高，經(jīng)過多年使用，戲樓局部木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了輕微的開裂現(xiàn)象，當時，團隊給首博出具了一份報告，“我們建議，戲樓二層平臺每平方米載荷不要超過200公斤。之后，博物館在使用過程中，通過采取限流等措施來保護建筑和觀眾的安全。”

2022年3月開始，首博閉館全面改造提升基本陳列，也給館內(nèi)文物保護提供了一個契機。

“首博的領(lǐng)導非常注重科學文保理念，特意找到我們尋求合作。”張濤說，首博給研究團隊開出的條件很簡單：不大量拆卸木構(gòu)件，在最小擾動的前提下，提升仿古戲樓看臺的承載力，以便重新開館時能夠多上一些展柜和展品，接待更多的觀眾。“這正好是一次檢驗研究成果的實踐機會。”張濤的語氣中透著興奮。

2023年下半年，研究團隊正式進駐首博，為仿古戲樓及看臺量身定制了一套全面的“健骨”方案。“我們給主梁植入了碳纖維板，開裂的柱子用碳纖維布加固。經(jīng)安全測試，戲樓的承載力得到大幅提升�，F(xiàn)在，看臺可以容納更多觀眾，將來再上一些大的展柜也沒問題。”張濤特意補充說明，整個碳纖維“微創(chuàng)”加固工程的經(jīng)費還不及替換一根梁架結(jié)構(gòu)所需修繕經(jīng)費的十分之一，卻能達到事半功倍的效果，“目前，我們正在編寫相應(yīng)的技術(shù)導則，爭取在木結(jié)構(gòu)文物建筑的修繕加固工程中逐步推廣。”

研究項目在首博的成功應(yīng)用，是張濤和團隊交上的一份滿意答卷。然而，他們并沒有止步于此。

基地中，古建筑實驗模型里，“術(shù)后”的木梁裝上了“心電監(jiān)護”。“木梁性能如何，從監(jiān)測數(shù)據(jù)上就能一目了然。”張濤指著木梁上連接的五顏六色的線路和傳感器說，“我們引入光纖傳感技術(shù)，以最小干預的方式，實現(xiàn)‘微創(chuàng)手術(shù)’后木梁的智能監(jiān)測，它可以實時觀察構(gòu)件的受力、變形情況，以確保文物的安全。”目前，研究團隊也在積極嘗試光學測量及圖像識別等新手段，進一步優(yōu)化監(jiān)測方案。

更多古建筑保護領(lǐng)域的難題亟待解決。

2023年7月，一場特大暴雨，讓北京地區(qū)很多文保單位措手不及。“那一兩個月，我們都在忙著給古建筑排水、搶險。”張濤對此記憶猶新，這場暴雨過后，基地里的幾家科研單位一起開了課題策劃會，“近幾年的文保實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，古建筑現(xiàn)在面臨的問題不單單是承載力不足，還有滲漏，特別是強降雨等極端天氣帶來的威脅。”

因此，對古建筑滲漏點的快速檢測，成為張濤和團隊下一階段研究的重點。“我們做了一些實驗，有了初步的研究設(shè)想。”愛動腦的張濤又提出了一個“新潮”的方案——類似醫(yī)院發(fā)熱門診的紅外熱成像自動識別系統(tǒng)，檢測古建筑的滲漏點也可以用上紅外熱成像儀。

“只不過一個是檢測高溫，一個是檢測低溫。”他解釋，在前期實驗中，拿著紅外熱成像儀向古建筑屋頂一掃，再細微的滲漏點都能找到，“下雨時，我們可以迅速在屋面上找到滲漏點并苫蓋塑料布，雨季過后，再局部修繕屋面。這種方法既快速，針對性又強。”

健康監(jiān)測

基地里，還有一小段高約3米、長約5米的“長城”城墻。仔細看，墻面有些斑駁，一些地方還有淺淺的白色粉筆標記。“這是仿照密云區(qū)明代長城特制的一小段模型，砌磚的材料以及技藝都盡量還原。”張濤說，這段“長城”雖然表面上看著完好，卻是一段“患病”的長城，墻面上每一處標記都代表著不同的病害，相對應(yīng)的，其內(nèi)部有著大小不一、形狀各異的空洞。

這是市考古研究院和北工大合作的“長城城墻病害無損檢測”研究項目。兩家單位合作的緣起要追溯到2019年，“當時，我們配合長城修繕設(shè)計開展了現(xiàn)狀病害勘察工作，對密云區(qū)蟠龍山段長城305至308號敵臺以及周圍的邊墻進行了檢測，發(fā)現(xiàn)墻體已經(jīng)出現(xiàn)了大面積垮塌趨勢，急需進行搶救性修繕。”當年勘察時的場景，張濤還歷歷在目，“這促使我們想要研發(fā)更高效的技術(shù)，來判斷長城墻體是否安全。”

即便是磚石壘就，長城也有“軟肋”。“在修繕現(xiàn)場我們發(fā)現(xiàn)，長城墻體打開后，其實不是實心的。”張濤做了個形象的比喻，“就像夾心巧克力，外皮有兩三層磚，里面是夯土摻著碎磚石塊雜填而成的。這種砌筑形式影響了長城結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。”他進一步舉例，山體的自然沉降、風霜雨雪的侵襲、植被根系生長等因素，都可能導致長城“生病”，出現(xiàn)變形、空鼓、塌陷等。

“大規(guī)模的變形，可以通過遙感技術(shù)和無人機來發(fā)現(xiàn);局部的形狀變化，可以采用三維激光掃描等技術(shù)進行分析判斷。但深藏在內(nèi)部正在生長的病害，是很難從外表看出的。”張濤說，如果能提前定位并識別出來，進行預防性保護，就能避免更大的損傷，這就需要給長城做個“CT”檢查。

如何做“CT”?張濤和研究團隊想到了現(xiàn)代建筑業(yè)中經(jīng)常使用的探地雷達設(shè)備。他解釋，探地雷達在道路橋梁的安全檢測中應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但針對長城特有的地質(zhì)條件和磚石灰土的混合材料組合，如何精確判斷病害類型、位置和程度，都需要更加深入地研究。

此后三年間，張濤和團隊在長城上進行了持續(xù)檢測，積累了大量數(shù)據(jù)。“但是不能拆開長城來驗證我們收集到的數(shù)據(jù)。需要通過逆向模擬試驗，對雷達檢測結(jié)果的精度進行驗證，不斷提升檢測精度。”他說，為此，團隊在基地內(nèi)搭建了一段“病長城”模型。

目前，研究團隊已經(jīng)完成脫空病害的試驗驗證，基本可以確定病害位置、程度與范圍。“對長城墻體不密實、裂隙等其他病害類型的分析仍在進行中，同時，我們也在結(jié)合建筑材料強度等因素開展綜合評估，希望為長城的保護修復提供更加科學、精準的解決方案。”張濤說，近期研究團隊還將走進長城修繕施工現(xiàn)場，進行試驗效果驗證。

依托基地，越來越多的高校、科研院所向市考古研究院拋出橄欖枝。該院副院長葛懷忠說，基地廣納高校、科研院所、勘察設(shè)計與文物保護施工單位、行業(yè)協(xié)會等10多家單位，健全“產(chǎn)學研用”鏈式創(chuàng)新構(gòu)架，搭建古建筑文物保護信息交流平臺和科技創(chuàng)新平臺，加速科技成果的轉(zhuǎn)化，提升古建筑文物保護科技創(chuàng)新水平。

“一群志同道合的朋友，有了一個能夠交流共享的平臺。”張濤說，在基地，從事古建筑相關(guān)研究的機構(gòu)可以拿出各自的看家本領(lǐng)，共同解決文物保護領(lǐng)域亟待解決的問題。

眼下，基地里各種實驗開展得火熱。張濤還關(guān)注到了更“年長”的古建筑——他們和北京交通大學合作，開展了“唐代殿堂型古建筑木結(jié)構(gòu)鋪作層及木架構(gòu)受力性能研究”，涉及全國多處古建筑。團隊希望對山西應(yīng)縣木塔等千年古建筑開展長期健康監(jiān)測，分析游客、交通環(huán)境振動等因素對古建筑結(jié)構(gòu)的影響。

“古建筑保護是門注重實踐的科學，我要堅持到爬不動架子為止。”張濤給自己和基地定了個小目標：“條件成熟時，我們想搭建一個1∶1全尺寸的唐代木結(jié)構(gòu)建筑模型，開展更高價值的專項研究。”