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“微創(chuàng)手術(shù)”怎么開(kāi)展？張濤有個(gè)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(gè)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(gè)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(kāi)?！?/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(zhǎng)，和古建筑打交道近20年，在他眼中，古建筑是不會(huì)說(shuō)話的“百歲老人”，為此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)依托基地開(kāi)展了一系列科研項(xiàng)目，嘗試為這些“老人”制定出一套健康監(jiān)測(cè)和診療方案，讓它們能夠頤養(yǎng)天年。

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)”。

如何做“CT”？張濤和研究團(tuán)隊(duì)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(cè)中應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但針對(duì)長(zhǎng)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。

“只不過(guò)一個(gè)是檢測(cè)高溫，一個(gè)是檢測(cè)低溫?！彼忉?，在前期實(shí)驗(yàn)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(diǎn)都能找到，“下雨時(shí)，我們可以迅速在屋面上找到滲漏點(diǎn)并苫蓋塑料布，雨季過(guò)后，再局部修繕屋面。這種方法既快速，針對(duì)性又強(qiáng)?！?/p>

經(jīng)過(guò)與研究團(tuán)隊(duì)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?！疤祭w維不僅自重輕，本身還具有一定柔性，幾乎不會(huì)影響木結(jié)構(gòu)的荷載。我們可以把它植入木梁里，既能對(duì)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。”

最先面臨的問(wèn)題是，“微創(chuàng)手術(shù)”怎么“開(kāi)刀”?！霸趯?shí)驗(yàn)室的操作臺(tái)上給木材開(kāi)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(kāi)槽。”張濤笑著補(bǔ)充，為了方便下一步嵌入碳纖維板，這個(gè)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(kāi)著開(kāi)著就跑偏了，或者開(kāi)完發(fā)現(xiàn)一頭粗一頭細(xì)。”

“大規(guī)模的變形，可以通過(guò)遙感技術(shù)和無(wú)人機(jī)來(lái)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(zhǎng)的病害，是很難從外表看出的。”張濤說(shuō)，如果能提前定位并識(shí)別出來(lái)，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(zhǎng)城做個(gè)“CT”檢查。

2023年7月，一場(chǎng)特大暴雨，讓北京地區(qū)很多文保單位措手不及?！澳且粌蓚€(gè)月，我們都在忙著給古建筑排水、搶險(xiǎn)?！睆垵龑?duì)此記憶猶新，這場(chǎng)暴雨過(guò)后，基地里的幾家科研單位一起開(kāi)了課題策劃會(huì)，“近幾年的文保實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，古建筑現(xiàn)在面臨的問(wèn)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(lái)的威脅?！?/p>

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(huì)對(duì)它們產(chǎn)生什么影響？單是研究這兩個(gè)問(wèn)題，張濤就跑了三年的實(shí)驗(yàn)室，做了上千次實(shí)驗(yàn)。

這是市考古研究院和北工大合作的“長(zhǎng)城城墻病害無(wú)損檢測(cè)”研究項(xiàng)目。兩家單位合作的緣起要追溯到2019年，“當(dāng)時(shí)，我們配合長(zhǎng)城修繕設(shè)計(jì)開(kāi)展了現(xiàn)狀病害勘察工作，對(duì)密云區(qū)蟠龍山段長(zhǎng)城305至308號(hào)敵臺(tái)以及周圍的邊墻進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)墻體已經(jīng)出現(xiàn)了大面積垮塌趨勢(shì)，急需進(jìn)行搶救性修繕?！碑?dāng)年勘察時(shí)的場(chǎng)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(lái)判斷長(zhǎng)城墻體是否安全?！?/p>

因此，對(duì)古建筑滲漏點(diǎn)的快速檢測(cè)，成為張濤和團(tuán)隊(duì)下一階段研究的重點(diǎn)?！拔覀冏隽艘恍?shí)驗(yàn)，有了初步的研究設(shè)想。”愛(ài)動(dòng)腦的張濤又提出了一個(gè)“新潮”的方案——類似醫(yī)院發(fā)熱門診的紅外熱成像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，檢測(cè)古建筑的滲漏點(diǎn)也可以用上紅外熱成像儀。

“我們和北京工業(yè)大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)合作，在實(shí)驗(yàn)室里用5∶1縮小尺寸的木梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開(kāi)槽、植入不同的碳纖維材料，測(cè)試木梁加固后的力學(xué)性能?！睆垵f(shuō)，一切都要摸索著來(lái)，“大量使用新的木構(gòu)件通過(guò)測(cè)試之后，我們還會(huì)從古建修繕工地找一些老舊的木材，再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)前面得出的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，最終我們發(fā)現(xiàn)碳纖維板是最適合用來(lái)加固木梁的材料?！?/p>

為此，團(tuán)隊(duì)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(dòng)鋸盤時(shí)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€(gè)數(shù)據(jù)我們都要反復(fù)調(diào)試，找到最合適的值，保證開(kāi)出的槽是完美的?！?/p>

“2006年，首博仿照陽(yáng)平會(huì)館戲樓復(fù)原了這座戲樓，用來(lái)展示館藏京劇文物，定時(shí)舉辦演出。作為兄弟單位，我們也給首博做過(guò)大型木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)評(píng)估?！睆垵貞洠捎趶?fù)原戲樓時(shí)使用的木材含水率偏高，經(jīng)過(guò)多年使用，戲樓局部木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了輕微的開(kāi)裂現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)給首博出具了一份報(bào)告，“我們建議，戲樓二層平臺(tái)每平方米載荷不要超過(guò)200公斤。之后，博物館在使用過(guò)程中，通過(guò)采取限流等措施來(lái)保護(hù)建筑和觀眾的安全?！?/p>

在對(duì)古建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的過(guò)程中，文物工作者經(jīng)常會(huì)遇到類似的難題：古建筑中，位于最下層、最長(zhǎng)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(wú)損。

365官网足球數(shù)百年來(lái)，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(yàn)用錘子敲擊，為古建“體檢”——敲擊聲音清脆，說(shuō)明古建“身子骨”硬朗；如果聲音發(fā)悶，說(shuō)明梁柱可能有病害。然而，即便工匠經(jīng)驗(yàn)再豐富，也難以對(duì)病灶具體位置、糟朽程度作精準(zhǔn)判斷和快速“對(duì)癥下藥”。

即便是磚石壘就，長(zhǎng)城也有“軟肋”?！霸谛蘅槵F(xiàn)場(chǎng)我們發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)城墻體打開(kāi)后，其實(shí)不是實(shí)心的?！睆垵隽藗€(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)等因素，都可能導(dǎo)致長(zhǎng)城“生病”，出現(xiàn)變形、空鼓、塌陷等。

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(duì)又做了上百次實(shí)驗(yàn)?！拔覀兿铝撕艽蠊Ψ?，才讓固定碳纖維板的膠瞬間填滿四五米長(zhǎng)的槽。”張濤回憶，當(dāng)時(shí)正是夏天最熱的時(shí)候，他和團(tuán)隊(duì)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。

今年春節(jié)假期，首博再次傳出久違的京腔，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的觀眾走進(jìn)老北京民俗展廳，品淳厚民俗，聽(tīng)梨園京韻。細(xì)心的觀眾發(fā)現(xiàn)，不僅展廳全面升級(jí)，仿古戲樓的體驗(yàn)環(huán)境也提升了——張濤和團(tuán)隊(duì)的“微創(chuàng)手術(shù)”就應(yīng)用在這兒。

這項(xiàng)“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(guò)一年多改陳升級(jí)、煥新重張的首都博物館中，就有一件“老文物”用上了這項(xiàng)新技術(shù)。

2023年，基地正式掛牌，張濤和研究團(tuán)隊(duì)有了更廣闊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)到真實(shí)的修繕現(xiàn)場(chǎng)，很多問(wèn)題難以預(yù)料?！睆垵蛉さ?，實(shí)際操作的過(guò)程中，他才體會(huì)到“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”。

基地中，古建筑實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠铮靶g(shù)后”的木梁裝上了“心電監(jiān)護(hù)”。“木梁性能如何，從監(jiān)測(cè)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(shuō)，“我們引入光纖傳感技術(shù)，以最小干預(yù)的方式，實(shí)現(xiàn)‘微創(chuàng)手術(shù)’后木梁的智能監(jiān)測(cè)，它可以實(shí)時(shí)觀察構(gòu)件的受力、變形情況，以確保文物的安全?！蹦壳埃芯繄F(tuán)隊(duì)也在積極嘗試光學(xué)測(cè)量及圖像識(shí)別等新手段，進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案。

開(kāi)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(guò)“微創(chuàng)手術(shù)”，木梁內(nèi)部有了一根非常結(jié)實(shí)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(cè)試極端條件下它的最大承重量?！睆垵孕诺卣f(shuō)，測(cè)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>

“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(shuō)，首博給研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)出的條件很簡(jiǎn)單：不大量拆卸木構(gòu)件，在最小擾動(dòng)的前提下，提升仿古戲樓看臺(tái)的承載力，以便重新開(kāi)館時(shí)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(yàn)研究成果的實(shí)踐機(jī)會(huì)。”張濤的語(yǔ)氣中透著興奮。

“這是國(guó)內(nèi)首個(gè)1∶1全尺寸的古建筑實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀！闭驹谀玖合?，張濤解釋，“我們按照古建營(yíng)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(yàn)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(shí)的古建修繕場(chǎng)景，一同開(kāi)展木結(jié)構(gòu)微創(chuàng)加固研究。

依托基地，越來(lái)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(zhǎng)葛懷忠說(shuō)，基地廣納高校、科研院所、勘察設(shè)計(jì)與文物保護(hù)施工單位、行業(yè)協(xié)會(huì)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(tái)和科技創(chuàng)新平臺(tái)，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。

“一群志同道合的朋友，有了一個(gè)能夠交流共享的平臺(tái)。”張濤說(shuō)，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(wèn)題。

基地里，還有一小段高約3米、長(zhǎng)約5米的“長(zhǎng)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(zhǎng)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(shuō)，這段“長(zhǎng)城”雖然表面上看著完好，卻是一段“患病”的長(zhǎng)城，墻面上每一處標(biāo)記都代表著不同的病害，相對(duì)應(yīng)的，其內(nèi)部有著大小不一、形狀各異的空洞。

“古建筑保護(hù)是門注重實(shí)踐的科學(xué)，我要堅(jiān)持到爬不動(dòng)架子為止?！睆垵o自己和基地定了個(gè)小目標(biāo)：“條件成熟時(shí)，我們想搭建一個(gè)1∶1全尺寸的唐代木結(jié)構(gòu)建筑模型，開(kāi)展更高價(jià)值的專項(xiàng)研究?！?/p>

目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成脫空病害的試驗(yàn)驗(yàn)證，基本可以確定病害位置、程度與范圍。“對(duì)長(zhǎng)城墻體不密實(shí)、裂隙等其他病害類型的分析仍在進(jìn)行中，同時(shí)，我們也在結(jié)合建筑材料強(qiáng)度等因素開(kāi)展綜合評(píng)估，希望為長(zhǎng)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(shuō)，近期研究團(tuán)隊(duì)還將走進(jìn)長(zhǎng)城修繕施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行試驗(yàn)效果驗(yàn)證。

“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(gè)屋面，從上往下一點(diǎn)點(diǎn)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?lè)椒▽?duì)古建筑的擾動(dòng)比較大，“每修一回，古建筑的原始構(gòu)架、歷史信息都會(huì)有一定程度的損失。為此，我們開(kāi)始探索一種不落架的修繕?lè)椒ǎＭㄟ^(guò)‘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>

“最開(kāi)始策劃這個(gè)課題是2018年。從選用碳纖維材料，到前期的縮尺寸模型實(shí)驗(yàn)；從實(shí)驗(yàn)室里的摸索，到基地等比例模型上的實(shí)操，我們的研究是一步步呈梯度進(jìn)行的?！被貞浧鹨宦纷邅?lái)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，張濤打開(kāi)了話匣子。

此后三年間，張濤和團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)城上進(jìn)行了持續(xù)檢測(cè)，積累了大量數(shù)據(jù)。“但是不能拆開(kāi)長(zhǎng)城來(lái)驗(yàn)證我們收集到的數(shù)據(jù)。需要通過(guò)逆向模擬試驗(yàn)，對(duì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的精度進(jìn)行驗(yàn)證，不斷提升檢測(cè)精度?！彼f(shuō)，為此，團(tuán)隊(duì)在基地內(nèi)搭建了一段“病長(zhǎng)城”模型。

2023年下半年，研究團(tuán)隊(duì)正式進(jìn)駐首博，為仿古戲樓及看臺(tái)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(kāi)裂的柱子用碳纖維布加固。經(jīng)安全測(cè)試，戲樓的承載力得到大幅提升?，F(xiàn)在，看臺(tái)可以容納更多觀眾，將來(lái)再上一些大的展柜也沒(méi)問(wèn)題?！睆垵匾庋a(bǔ)充說(shuō)明，整個(gè)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(zhēng)取在木結(jié)構(gòu)文物建筑的修繕加固工程中逐步推廣?！?/p>

眼下，基地里各種實(shí)驗(yàn)開(kāi)展得火熱。張濤還關(guān)注到了更“年長(zhǎng)”的古建筑——他們和北京交通大學(xué)合作，開(kāi)展了“唐代殿堂型古建筑木結(jié)構(gòu)鋪?zhàn)鲗蛹澳炯軜?gòu)受力性能研究”，涉及全國(guó)多處古建筑。團(tuán)隊(duì)希望對(duì)山西應(yīng)縣木塔等千年古建筑開(kāi)展長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，分析游客、交通環(huán)境振動(dòng)等因素對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)的影響。