为古建“延年”

发布时间:2024-07-24 13:57:19 来源: TG@KZSEO

  

  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)