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“一群志同道合的朋友,有了一個能夠交流共享的平臺?!睆垵f,在基地,從事古建筑相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)可以拿出各自的看家本領(lǐng),共同解決文物保護(hù)領(lǐng)域亟待解決的問題。
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(dāng)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(jìn)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(jìn)行搶救性修繕?!碑?dāng)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?!?/p>
“2006年,首博仿照陽平會館戲樓復(fù)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?!睆垵貞洠捎趶?fù)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(dāng)時,團(tuán)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(hù)建筑和觀眾的安全?!?/p>
即便是磚石壘就,長城也有“軟肋”?!霸谛蘅槵F(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?!彼M(jìn)一步舉例,山體的自然沉降、風(fēng)霜雨雪的侵襲、植被根系生長等因素,都可能導(dǎo)致長城“生病”,出現(xiàn)變形、空鼓、塌陷等。
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(xué)性能有了大幅提升?!霸诠沤ㄎ菝姹旧淼幕A(chǔ)重量上,我們又將總重近10噸的沙袋一袋袋運(yùn)到屋頂上,測試極端條件下它的最大承重量?!睆垵孕诺卣f,測試結(jié)果既令人驚喜又在意料之中,“它的承載力遠(yuǎn)高于木結(jié)構(gòu)?!?/p>
這僅僅完成了第一步。為了把碳纖維板穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)刂踩胫挥?至8毫米的“刀口”里,研究團(tuán)隊又做了上百次實驗?!拔覀兿铝撕艽蠊Ψ颍抛尮潭ㄌ祭w維板的膠瞬間填滿四五米長的槽?!睆垵貞?,當(dāng)時正是夏天最熱的時候,他和團(tuán)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。
基地里,還有一小段高約3米、長約5米的“長城”城墻。仔細(xì)看,墻面有些斑駁,一些地方還有淺淺的白色粉筆標(biāo)記?!斑@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?!睆垵f,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(biāo)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。
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(jìn)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)”。
“大規(guī)模的變形,可以通過遙感技術(shù)和無人機(jī)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(jìn)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(jìn)行預(yù)防性保護(hù),就能避免更大的損傷,這就需要給長城做個“CT”檢查。
經(jīng)過與研究團(tuán)隊的一番頭腦風(fēng)暴,張濤看中了一種力學(xué)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(qiáng)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(bǔ)充,還能讓碳纖維隨著木材一起冷熱收縮?!?/p>
如何做“CT”?張濤和研究團(tuán)隊想到了現(xiàn)代建筑業(yè)中經(jīng)常使用的探地雷達(dá)設(shè)備。他解釋,探地雷達(dá)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。
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?!睆垵χa(bǔ)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(fù)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(xì)?!?/p>
因此,對古建筑滲漏點的快速檢測,成為張濤和團(tuán)隊下一階段研究的重點?!拔覀冏隽艘恍嶒?,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。
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(xué)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(tuán)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。
此后三年間,張濤和團(tuán)隊在長城上進(jìn)行了持續(xù)檢測,積累了大量數(shù)據(jù)?!暗遣荒懿痖_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(dá)檢測結(jié)果的精度進(jìn)行驗證,不斷提升檢測精度?!彼f,為此,團(tuán)隊在基地內(nèi)搭建了一段“病長城”模型。
“只不過一個是檢測高溫,一個是檢測低溫?!彼忉?,在前期實驗中,拿著紅外熱成像儀向古建筑屋頂一掃,再細(xì)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(qiáng)?!?/p>
基地中,古建筑實驗?zāi)P屠?,“術(shù)后”的木梁裝上了“心電監(jiān)護(hù)”?!澳玖盒阅苋绾?,從監(jiān)測數(shù)據(jù)上就能一目了然?!睆垵钢玖荷线B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(yù)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?!蹦壳?,研究團(tuán)隊也在積極嘗試光學(xué)測量及圖像識別等新手段,進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測方案。
“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(jìn)行的。”回憶起一路走來的點點滴滴,張濤打開了話匣子。
“首博的領(lǐng)導(dǎo)非常注重科學(xué)文保理念,特意找到我們尋求合作。”張濤說,首博給研究團(tuán)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?!斑@正好是一次檢驗研究成果的實踐機(jī)會?!睆垵恼Z氣中透著興奮。
2023年下半年,研究團(tuán)隊正式進(jìn)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?!拔覀兘o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。現(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?!睆垵匾庋a(bǔ)充說明,整個碳纖維“微創(chuàng)”加固工程的經(jīng)費(fèi)還不及替換一根梁架結(jié)構(gòu)所需修繕經(jīng)費(fèi)的十分之一,卻能達(dá)到事半功倍的效果,“目前,我們正在編寫相應(yīng)的技術(shù)導(dǎo)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。”
“這是國內(nèi)首個1∶1全尺寸的古建筑實驗?zāi)P?。”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(fù)責(zé)施工的都是有著二三十年經(jīng)驗的木工工匠?!崩眠@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。
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(hù)施工單位、行業(yè)協(xié)會等10多家單位,健全“產(chǎn)學(xué)研用”鏈?zhǔn)絼?chuàng)新構(gòu)架,搭建古建筑文物保護(hù)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(hù)科技創(chuàng)新水平。
ju111.net备用數(shù)百年來,這些木結(jié)構(gòu)的建筑飽經(jīng)風(fēng)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(zhǔn)判斷和快速“對癥下藥”。
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)。
2023年,基地正式掛牌,張濤和研究團(tuán)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(dāng)于從實驗室轉(zhuǎn)到真實的修繕現(xiàn)場,很多問題難以預(yù)料?!睆垵蛉さ溃瑢嶋H操作的過程中,他才體會到“理想很豐滿,現(xiàn)實很骨感”。
目前,研究團(tuán)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?!皩﹂L城墻體不密實、裂隙等其他病害類型的分析仍在進(jìn)行中,同時,我們也在結(jié)合建筑材料強(qiáng)度等因素開展綜合評估,希望為長城的保護(hù)修復(fù)提供更加科學(xué)、精準(zhǔn)的解決方案?!睆垵f,近期研究團(tuán)隊還將走進(jìn)長城修繕施工現(xiàn)場,進(jìn)行試驗效果驗證。
碳纖維布、碳纖維板、碳纖維桿,哪種材料更適合給古建筑“強(qiáng)健筋骨”?新木材和老舊木材具有不同的含水率和力學(xué)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。
“古建筑保護(hù)是門注重實踐的科學(xué),我要堅持到爬不動架子為止?!睆垵o自己和基地定了個小目標(biāo):“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?!?/p>
北京市考古研究院(北京市文化遺產(chǎn)研究院)遺產(chǎn)預(yù)防保護(hù)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(tuán)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。
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(jìn)老北京民俗展廳,品淳厚民俗,聽梨園京韻。細(xì)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(tuán)隊的“微創(chuàng)手術(shù)”就應(yīng)用在這兒。
“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(xiàn)資料,發(fā)現(xiàn)在上個世紀(jì)的歐洲,有學(xué)者曾提出將金屬材料嵌入木梁中進(jìn)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?!睆垵掍h一轉(zhuǎn),習(xí)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(qiáng),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?!?/p>
“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(xì)微之處蘊(yùn)含著的寶貴信息?!?/p>
“我們和北京工業(yè)大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)合作,在實驗室里用5∶1縮小尺寸的木梁進(jìn)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(xué)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(fù)實驗,對前面得出的結(jié)論進(jìn)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?!?/p>
為此,團(tuán)隊研發(fā)了一套特別的“手術(shù)刀”——兩側(cè)有導(dǎo)軌可以卡在木梁上,保證推動鋸盤時運(yùn)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?!懊總€數(shù)據(jù)我們都要反復(fù)調(diào)試,找到最合適的值,保證開出的槽是完美的?!?/p>
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?!澳且粌蓚€月,我們都在忙著給古建筑排水、搶險?!睆垵龑Υ擞洃洩q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(qiáng)降雨等極端天氣帶來的威脅?!?/p>
在對古建筑進(jìn)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。
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游戲版本 V5.3.1 | 大小 70.92M |
系統(tǒng)要求 安卓2.6 | 更新時間 2024-09-24 04:32:48 |
語言 中文 | 開發(fā)商 |
適齡范圍 12+ |
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