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多学科融合,保护千年古建

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来源:人民日报

古建筑是凝固的历史,传承着中华优秀传统文化。天津大学建筑历史与遗产保护科研团队在文物建筑保护、古建筑抗震方面持续深耕,揭秘古建筑中“刚柔并济”的防震智慧。

近年来,团队充分运用现代科技手段,对古建木结构的抗震机理进行系统的量化研究。团队的交叉学科融合研究成果在多个古建保护项目中得到应用,为古建保护提供更多技术支撑。

——编者

晨曦初照,阳光轻抚过天津市蓟州区独乐寺观音阁的檐角。亭台楼阁、斗拱飞檐、雕梁画栋,吸引了不少游客前来参观。独乐寺始建于唐代,其主体建筑山门和观音阁重建于公元984年。其中,独乐寺观音阁是我国现存最古老的多层木结构建筑之一。据统计,自重建以后千余年来,独乐寺不仅经受着风吹雨打,更经历20多次地震而不倒。

“古建筑是凝固的历史,传承着中华优秀传统文化。”天津大学建筑历史与遗产保护科研团队负责人丁垚说,多年来,团队在文物建筑保护领域,特别是古建筑抗震方面持续深耕,探索古建筑在保护中利用、在利用中保护。

“刚柔并济”的防震智慧

“唐山大地震时,7层楼高的观音阁并无大碍。”丁垚说,“这还不是观音阁经历过的最大考验。我们查阅地方志《蓟州志》,里面记载了清代的一次地震,后经测定可能高达8.0级。”

历经强震而安然无恙,独乐寺内有一套“刚柔并济”的防震秘技。经过团队对观音阁的实地测量和研究分析,其整体设计本身就有一定的抗震优势。观音阁的平面约为长宽2∶1的矩形,中间空间最大,两边房间等比例缩小,使得结构更加稳定,也能兼顾实用和美观。硕大飘逸的屋顶增加了自重,也让观音阁遭遇地震时更具稳定性。

“想象一下,一把椅子放在地上,一推就倒了,如果上面放上重物,则不太容易被推倒。这是我国大型建筑设计的一个特点。”丁垚说。

“对于许多传统古建筑来说,四周看似稳固的朱红大柱,其实反而容易成为地震中的薄弱环节。”天津大学教授、团队成员张凤梧说,古代木结构建筑的一大弱点,就是众多立柱相互之间较为独立,在遇到强震造成的水平晃动时容易倾覆,导致整体垮塌。

张凤梧分析,独乐寺观音阁在墙体内部暗藏了许多斜撑,将立柱之间不稳定的四边形变为稳定的三角形,强化了柱网结构的整体性、稳定性。承重柱也并非只有一排,而是外檐柱18根,内檐柱10根,构成了一个大圈套小圈的回字形双层柱网。柱子间又通过梁桁斗拱等构件的连接,防止柱头、柱脚的移动。

“在‘刚’的基础上,还要预留出应对地震变形的‘柔’性余量和空间。”丁垚轻拍立柱,将其中奥秘娓娓道来——这些立柱并非与地面垂直,而是向建筑中心微微倾斜,这就是古人有意而为之的侧脚设计。当立柱受地震影响而晃动时,如果立柱垂直于地面放置,非常容易外倾倒塌。侧脚设计预留出晃动空间,则不至于立刻失稳,可更好地应对震动。

构件之间形成天然的“耗能减震器”

地震对建筑的伤害,既有上下震动,也有左右晃动。面对地震带来的水平方向的破坏,观音阁内部也暗藏玄机。

“高层建筑的中部比较脆弱,地震来袭时容易折损、扭曲、变形。古人非常有智慧,他们在观音阁的中间增加了一个暗层。”跟随丁垚登上观音阁,沿着千年前留下的木梯拾级而上,到了二层就会看到一个独特的夹层空间。俯身穿过一道高度仅一米左右的暗门,就进入了一片漆黑的暗层空间。

在手电灯光的照射下,可见梁桁斗拱相互咬合拼接,厚重泥墙里的木骨秸秆、柱子上千年前刀劈斧凿的痕迹都一览无余。与其他空间不同,这里在不同方向增加了很多斜向支撑,让暗层具备了很多三角形结构,更加稳固。

离开暗层,继续攀登,就到了观音阁的上层空间。走近观看,中空的井口形状也发生了变化。先是从一层顶部的长方形变成六角形,再到顶部变成八角形的藻井。

“对于多层建筑来说,每一层如果采用相似的几何形状,稳定性相较采取不同几何形状的建筑来说就会差一些。”丁垚说,井口形状的变化,不仅巧妙地增加了二层活动空间,也让古建筑的抗震结构更加稳定。

除此之外,木构件以榫卯工艺连接在一起,也增加了古建筑的稳定性。丁垚说,构件间留有适当的变形余量和空隙,形成天然“耗能减震器”,地震时,构件之间产生的微小错动和变形,在摩擦力的作用下会消耗大量地震能量,从而减少对建筑的冲击。

“斗拱飞檐、榫卯工艺,都蕴藏着匠心与力学结合的美。”丁垚说。

利用现代科技助力保护修缮

嗡鸣声中,无人机腾空而起,对独乐寺观音阁进行细致的航拍测绘。操作无人机的是天津大学建筑学院的研究生张伟,他专注地盯着屏幕上实时传回的画面,“通过无人机航拍,我们能够获取建筑群的整体布局和屋顶细节,便捷地采集立体化三维数据。”

在现代科技的帮助下,古建木结构的抗震机理正在系统量化。丁垚介绍,近年来,团队逐步将三维激光扫描、低空遥感等技术运用到古建筑测绘领域,形成了“空地一体化”的协同数据采集模式。

“现代科技既能让我们更深入地了解验证古人的建造理念,量化古建结构的抗震性能,也能通过系统的技术体系为预防性保护提供支撑。”张凤梧说,近年来,团队积极引入全站仪、三维激光扫描、摄影测量、探地雷达与无损检测设备等手段,对多处明清木构建筑开展了系统性调查与文献梳理,对古建木结构进行材料学、力学、结构学等方面的分析,识别威胁结构安全的各类病害,为制定针对性保护措施提供依据。

多年来,团队的交叉学科融合研究成果已在多个古建保护项目中得到应用:通过三维数据建模、人工智能识别、定期图像对比,“明长城全线图像与三维数据库”为8800多公里的明长城监测预警保护提供助力;通过精准捕捉文物本体发生的亚毫米级微小病变,“文物病变智能原位监测系统”为故宫、颐和园等历史建筑保驾护航……自2007年起,团队先后参与天津文庙、广东会馆、宝坻天尊阁等木构古建筑的修缮工程,逐步形成了一套完整的工作流程,建立了“检测—建模—评估—干预”的技术体系。

此外,新技术还为古建筑的防震监测预警筑起“防护墙”。2025年,团队在独乐寺开展地震灾害风险精细化评估,将便携式超声波木材检测仪放置在独乐寺墙角一侧,不多时,阻力值、应力波等数据跃然“屏”上。“经检测,这部分区域不存在因老化而产生的内部裂隙和腐朽空洞。”张凤梧说。

“我们不仅要了解古建筑的历史价值,还要用现代科学的方法读懂它的结构语言,有的放矢地精准监测预警,这样才能真正做到‘最小干预,最大保护’。”丁垚说。

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