为古建“延年”

　　

　　本报记者 李祺瑶

　　在古都北京，一座座古建筑如明珠散落，飞檐斗拱处，雕梁画栋间，书写着悠悠岁月。

　　数百年来，这些木结构的建筑饱经风霜、雨雪、暴晒，出现各种各样的“病痛”。老工匠凭经验用锤子敲击，为古建“体检”——敲击声音清脆，说明古建“身子骨”硬朗；如果声音发闷，说明梁柱可能有病害。然而，即便工匠经验再丰富，也难以对病灶具体位置、糟朽程度作精准判断和快速“对症下药”。

　　前不久举行的2024年北京市文物行业职业技能竞赛，让一处深藏在密云区郊野间的大院走进公众视野。按照传统工艺仿建的明长城墙体、等比例搭建的清陵宫殿以及各种先进的高科技仪器设备……集于北京木结构古建筑保护科研与实验基地(以下简称基地)，一系列文物保护领域的创新技术在这里首秀，亮出文物部门与科研院所的多学科合作成果，为古建筑“延年益寿”提供新解。

　　北京市考古研究院(北京市文化遗产研究院)遗产预防保护部主任张涛是基地的秘书长，和古建筑打交道近20年，在他眼中，古建筑是不会说话的“百岁老人”，为此，他带领团队依托基地开展了一系列科研项目，尝试为这些“老人”制定出一套健康监测和诊疗方案，让它们能够颐养天年。

　　“微创手术”

　　基地里，一座仿清代官式建筑的木结构模型格外打眼，放眼望去，像一组榫卯结构的大型“积木”。走进这间“积木”房，面阔三间、四梁八柱的结构一目了然。抬头看，一段木梁上，镶嵌着密密麻麻的传感器和各种颜色的线路，科研人员登上梯子，举着特制的仪器和工具，为木梁做“微创手术”。

　　“这是国内首个1∶1全尺寸的古建筑实验模型。”站在木梁下，张涛解释，“我们按照古建营造的传统工法，采用传统木料，搭建了一座清东陵裕陵的朝房模型，负责施工的都是有着二三十年经验的木工工匠。”利用这一模型，文物工作者和科研人员还原了真实的古建修缮场景，一同开展木结构微创加固研究。

　　在对古建筑进行结构安全检测的过程中，文物工作者经常会遇到类似的难题：古建筑中，位于最下层、最长的一根梁出现变形或糟朽等“病症”，而其他位置的梁架结构健康无损。

　　“很多古建筑都有五架梁或七架梁的结构，如果要修或更换其中一根梁，最传统的做法是落架大修——需要拆卸整个屋面，从上往下一点点卸掉上层的梁架，将最底层有病害的梁换掉，再把所有梁架、瓦片重新安回去。”张涛坦言，这种修缮方法对古建筑的扰动比较大，“每修一回，古建筑的原始构架、历史信息都会有一定程度的损失。为此，我们开始探索一种不落架的修缮方法，希望通过‘微创手术’，最大限度保留古建筑细微之处蕴含着的宝贵信息。”

　　“微创手术”怎么开展？张涛有个大胆的想法：在变形或糟朽的木结构内部“植入”加固材料。他查阅了大量相关文献资料，发现在上个世纪的欧洲，有学者曾提出将金属材料嵌入木梁中进行加固的方法，“但是在四季分明的北京，这个方法明显行不通。”张涛话锋一转，习惯性地向记者科普，“木材和金属的冷热收缩率有很大差异，到了夏天，嵌入的金属传热能力比较强，木材膨胀后很容易发生变形，两种材料还有可能完全脱开。”

　　经过与研究团队的一番头脑风暴，张涛看中了一种力学性能非常优异的新材料——碳纤维。它的比重不到钢的四分之一，但抗拉强度却是钢的7至9倍，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。“碳纤维不仅自重轻，本身还具有一定柔性，几乎不会影响木结构的荷载。我们可以把它植入木梁里，既能对存在病害的木梁有一定程度补充，还能让碳纤维随着木材一起冷热收缩。”

　　将设想付诸实践的过程，远比想象中困难。

　　“最开始策划这个课题是2018年。从选用碳纤维材料，到前期的缩尺寸模型实验；从实验室里的摸索，到基地等比例模型上的实操，我们的研究是一步步呈梯度进行的。”回忆起一路走来的点点滴滴，张涛打开了话匣子。

　　碳纤维布、碳纤维板、碳纤维杆，哪种材料更适合给古建筑“强健筋骨”？新木材和老旧木材具有不同的含水率和力学性能，植入碳纤维会对它们产生什么影响？单是研究这两个问题，张涛就跑了三年的实验室，做了上千次实验。

　　“我们和北京工业大学、北方工业大学合作，在实验室里用5∶1缩小尺寸的木梁进行实验，开槽、植入不同的碳纤维材料，测试木梁加固后的力学性能。”张涛说，一切都要摸索着来，“大量使用新的木构件通过测试之后，我们还会从古建修缮工地找一些老旧的木材，再次重复实验，对前面得出的结论进行验证，最终我们发现碳纤维板是最适合用来加固木梁的材料。”

　　古建修缮讲究慢工出细活，科研人员愿意潜下心来，为“百岁老人”寻得良方。

　　2023年，基地正式挂牌，张涛和研究团队有了更广阔的实验平台。前期理论研究已成雏形，这才搭建起1∶1全尺寸的古建筑模型。“这相当于从实验室转到真实的修缮现场，很多问题难以预料。”张涛打趣道，实际操作的过程中，他才体会到“理想很丰满，现实很骨感”。

　　最先面临的问题是，“微创手术”怎么“开刀”。“在实验室的操作台上给木材开槽很容易，但是在基地的古建筑模型里，我们就得蹬着梯子、举着锯，给木梁做原位开槽。”张涛笑着补充，为了方便下一步嵌入碳纤维板，这个槽必须是一条等宽等深的直线，“我们反复试了很多遍，经常开着开着就跑偏了，或者开完发现一头粗一头细。”

　　为此，团队研发了一套特别的“手术刀”——两侧有导轨可以卡在木梁上，保证推动锯盘时运行的速度、锯盘的转速、锯盘切入木梁的深度等数据恒定。“每个数据我们都要反复调试，找到最合适的值，保证开出的槽是完美的。”

　　这仅仅完成了第一步。为了把碳纤维板稳稳当当地植入只有6至8毫米的“刀口”里，研究团队又做了上百次实验。“我们下了很大功夫，才让固定碳纤维板的胶瞬间填满四五米长的槽。”张涛回忆，当时正是夏天最热的时候，他和团队成员一遍遍地爬上爬下，不断尝试各种注胶方法，研发了专用注胶工具，调配出最佳的胶体配比。

　　开槽，向木梁内植入碳纤维板，再注胶，以形状相近的木条嵌入封口……经过“微创手术”，木梁内部有了一根非常结实的“筋”，力学性能有了大幅提升。“在古建屋面本身的基础重量上，我们又将总重近10吨的沙袋一袋袋运到屋顶上，测试极端条件下它的最大承重量。”张涛自信地说，测试结果既令人惊喜又在意料之中，“它的承载力远高于木结构。”

　　隐蔽“健骨”

　　这项“古建筑大木构件碳纤维板隐蔽式修缮加固”研究，目前在北京已落地应用。今年，经过一年多改陈升级、焕新重张的首都博物馆中，就有一件“老文物”用上了这项新技术。

　　今年春节假期，首博再次传出久违的京腔，数以万计的观众走进老北京民俗展厅，品淳厚民俗，听梨园京韵。细心的观众发现，不仅展厅全面升级，仿古戏楼的体验环境也提升了——张涛和团队的“微创手术”就应用在这儿。

　　“2006年，首博仿照阳平会馆戏楼复原了这座戏楼，用来展示馆藏京剧文物，定时举办演出。作为兄弟单位，我们也给首博做过大型木结构建筑的结构安全检测评估。”张涛回忆，由于复原戏楼时使用的木材含水率偏高，经过多年使用，戏楼局部木结构出现了轻微的开裂现象，当时，团队给首博出具了一份报告，“我们建议，戏楼二层平台每平方米载荷不要超过200公斤。之后，博物馆在使用过程中，通过采取限流等措施来保护建筑和观众的安全。”

　　2022年3月开始，首博闭馆全面改造提升基本陈列，也给馆内文物保护提供了一个契机。

　　“首博的领导非常注重科学文保理念，特意找到我们寻求合作。”张涛说，首博给研究团队开出的条件很简单：不大量拆卸木构件，在最小扰动的前提下，提升仿古戏楼看台的承载力，以便重新开馆时能够多上一些展柜和展品，接待更多的观众。“这正好是一次检验研究成果的实践机会。”张涛的语气中透着兴奋。

　　2023年下半年，研究团队正式进驻首博，为仿古戏楼及看台量身定制了一套全面的“健骨”方案。“我们给主梁植入了碳纤维板，开裂的柱子用碳纤维布加固。经安全测试，戏楼的承载力得到大幅提升。现在，看台可以容纳更多观众，将来再上一些大的展柜也没问题。”张涛特意补充说明，整个碳纤维“微创”加固工程的经费还不及替换一根梁架结构所需修缮经费的十分之一，却能达到事半功倍的效果，“目前，我们正在编写相应的技术导则，争取在木结构文物建筑的修缮加固工程中逐步推广。”

　　研究项目在首博的成功应用，是张涛和团队交上的一份满意答卷。然而，他们并没有止步于此。

　　基地中，古建筑实验模型里，“术后”的木梁装上了“心电监护”。“木梁性能如何，从监测数据上就能一目了然。”张涛指着木梁上连接的五颜六色的线路和传感器说，“我们引入光纤传感技术，以最小干预的方式，实现‘微创手术’后木梁的智能监测，它可以实时观察构件的受力、变形情况，以确保文物的安全。”目前，研究团队也在积极尝试光学测量及图像识别等新手段，进一步优化监测方案。

　　更多古建筑保护领域的难题亟待解决。

　　2023年7月，一场特大暴雨，让北京地区很多文保单位措手不及。“那一两个月，我们都在忙着给古建筑排水、抢险。”张涛对此记忆犹新，这场暴雨过后，基地里的几家科研单位一起开了课题策划会，“近几年的文保实践中，我们发现，古建筑现在面临的问题不单单是承载力不足，还有渗漏，特别是强降雨等极端天气带来的威胁。”

　　因此，对古建筑渗漏点的快速检测，成为张涛和团队下一阶段研究的重点。“我们做了一些实验，有了初步的研究设想。”爱动脑的张涛又提出了一个“新潮”的方案——类似医院发热门诊的红外热成像自动识别系统，检测古建筑的渗漏点也可以用上红外热成像仪。

　　“只不过一个是检测高温，一个是检测低温。”他解释，在前期实验中，拿着红外热成像仪向古建筑屋顶一扫，再细微的渗漏点都能找到，“下雨时，我们可以迅速在屋面上找到渗漏点并苫盖塑料布，雨季过后，再局部修缮屋面。这种方法既快速，针对性又强。”

　　健康监测

　　基地里，还有一小段高约3米、长约5米的“长城”城墙。仔细看，墙面有些斑驳，一些地方还有浅浅的白色粉笔标记。“这是仿照密云区明代长城特制的一小段模型，砌砖的材料以及技艺都尽量还原。”张涛说，这段“长城”虽然表面上看着完好，却是一段“患病”的长城，墙面上每一处标记都代表着不同的病害，相对应的，其内部有着大小不一、形状各异的空洞。

　　这是市考古研究院和北工大合作的“长城城墙病害无损检测”研究项目。两家单位合作的缘起要追溯到2019年，“当时，我们配合长城修缮设计开展了现状病害勘察工作，对密云区蟠龙山段长城305至308号敌台以及周围的边墙进行了检测，发现墙体已经出现了大面积垮塌趋势，急需进行抢救性修缮。”当年勘察时的场景，张涛还历历在目，“这促使我们想要研发更高效的技术，来判断长城墙体是否安全。”

　　即便是砖石垒就，长城也有“软肋”。“在修缮现场我们发现，长城墙体打开后，其实不是实心的。”张涛做了个形象的比喻，“就像夹心巧克力，外皮有两三层砖，里面是夯土掺着碎砖石块杂填而成的。这种砌筑形式影响了长城结构的稳定性。”他进一步举例，山体的自然沉降、风霜雨雪的侵袭、植被根系生长等因素，都可能导致长城“生病”，出现变形、空鼓、塌陷等。

　　“大规模的变形，可以通过遥感技术和无人机来发现；局部的形状变化，可以采用三维激光扫描等技术进行分析判断。但深藏在内部正在生长的病害，是很难从外表看出的。”张涛说，如果能提前定位并识别出来，进行预防性保护，就能避免更大的损伤，这就需要给长城做个“CT”检查。

　　如何做“CT”？张涛和研究团队想到了现代建筑业中经常使用的探地雷达设备。他解释，探地雷达在道路桥梁的安全检测中应用已经非常成熟，但针对长城特有的地质条件和砖石灰土的混合材料组合，如何精确判断病害类型、位置和程度，都需要更加深入地研究。

　　此后三年间，张涛和团队在长城上进行了持续检测，积累了大量数据。“但是不能拆开长城来验证我们收集到的数据。需要通过逆向模拟试验，对雷达检测结果的精度进行验证，不断提升检测精度。”他说，为此，团队在基地内搭建了一段“病长城”模型。

　　目前，研究团队已经完成脱空病害的试验验证，基本可以确定病害位置、程度与范围。“对长城墙体不密实、裂隙等其他病害类型的分析仍在进行中，同时，我们也在结合建筑材料强度等因素开展综合评估，希望为长城的保护修复提供更加科学、精准的解决方案。”张涛说，近期研究团队还将走进长城修缮施工现场，进行试验效果验证。

　　依托基地，越来越多的高校、科研院所向市考古研究院抛出橄榄枝。该院副院长葛怀忠说，基地广纳高校、科研院所、勘察设计与文物保护施工单位、行业协会等10多家单位，健全“产学研用”链式创新构架，搭建古建筑文物保护信息交流平台和科技创新平台，加速科技成果的转化，提升古建筑文物保护科技创新水平。

　　“一群志同道合的朋友，有了一个能够交流共享的平台。”张涛说，在基地，从事古建筑相关研究的机构可以拿出各自的看家本领，共同解决文物保护领域亟待解决的问题。

　　眼下，基地里各种实验开展得火热。张涛还关注到了更“年长”的古建筑——他们和北京交通大学合作，开展了“唐代殿堂型古建筑木结构铺作层及木架构受力性能研究”，涉及全国多处古建筑。团队希望对山西应县木塔等千年古建筑开展长期健康监测，分析游客、交通环境振动等因素对古建筑结构的影响。

　　“古建筑保护是门注重实践的科学，我要坚持到爬不动架子为止。”张涛给自己和基地定了个小目标：“条件成熟时，我们想搭建一个1∶1全尺寸的唐代木结构建筑模型，开展更高价值的专项研究。”

　　(北京日报)