古建筑是凝固的歷史，傳承著中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。天津大學(xué)建筑歷史與遺產(chǎn)保護(hù)科研團(tuán)隊(duì)在文物建筑保護(hù)、古建筑抗震方面持續(xù)深耕，揭秘古建筑中“剛?cè)岵?jì)”的防震智慧。

近年來，團(tuán)隊(duì)充分運(yùn)用現(xiàn)代科技手段，對(duì)古建木結(jié)構(gòu)的抗震機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的量化研究。團(tuán)隊(duì)的交叉學(xué)科融合研究成果在多個(gè)古建保護(hù)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，為古建保護(hù)提供更多技術(shù)支撐。

——編  者

 

晨曦初照，陽光輕撫過天津市薊州區(qū)獨(dú)樂寺觀音閣的檐角。亭臺(tái)樓閣、斗拱飛檐、雕梁畫棟，吸引了不少游客前來參觀。獨(dú)樂寺始建于唐代，其主體建筑山門和觀音閣重建于公元984年。其中，獨(dú)樂寺觀音閣是我國現(xiàn)存最古老的多層木結(jié)構(gòu)建筑之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自重建以后千余年來，獨(dú)樂寺不僅經(jīng)受著風(fēng)吹雨打，更經(jīng)歷20多次地震而不倒。

“古建筑是凝固的歷史，傳承著中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。”天津大學(xué)建筑歷史與遺產(chǎn)保護(hù)科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人丁垚說，多年來，團(tuán)隊(duì)在文物建筑保護(hù)領(lǐng)域，特別是古建筑抗震方面持續(xù)深耕，探索古建筑在保護(hù)中利用、在利用中保護(hù)。

“剛?cè)岵?jì)”的防震智慧

“唐山大地震時(shí)，7層樓高的觀音閣并無大礙。”丁垚說，“這還不是觀音閣經(jīng)歷過的最大考驗(yàn)。我們查閱地方志《薊州志》，里面記載了清代的一次地震，后經(jīng)測(cè)定可能高達(dá)8.0級(jí)。”

歷經(jīng)強(qiáng)震而安然無恙，獨(dú)樂寺內(nèi)有一套“剛?cè)岵?jì)”的防震秘技。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)對(duì)觀音閣的實(shí)地測(cè)量和研究分析，其整體設(shè)計(jì)本身就有一定的抗震優(yōu)勢(shì)。觀音閣的平面約為長(zhǎng)寬2∶1的矩形，中間空間最大，兩邊房間等比例縮小，使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，也能兼顧實(shí)用和美觀。碩大飄逸的屋頂增加了自重，也讓觀音閣遭遇地震時(shí)更具穩(wěn)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，則不太容易被推倒。這是我國大型建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。”丁垚說。

“對(duì)于許多傳統(tǒng)古建筑來說，四周看似穩(wěn)固的朱紅大柱，其實(shí)反而容易成為地震中的薄弱環(huán)節(jié)。”天津大學(xué)教授、團(tuán)隊(duì)成員張鳳梧說，古代木結(jié)構(gòu)建筑的一大弱點(diǎn)，就是眾多立柱相互之間較為獨(dú)立，在遇到強(qiáng)震造成的水平晃動(dòng)時(shí)容易傾覆，導(dǎo)致整體垮塌。

張鳳梧分析，獨(dú)樂寺觀音閣在墻體內(nèi)部暗藏了許多斜撐，將立柱之間不穩(wěn)定的四邊形變?yōu)榉€(wěn)定的三角形，強(qiáng)化了柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。承重柱也并非只有一排，而是外檐柱18根，內(nèi)檐柱10根，構(gòu)成了一個(gè)大圈套小圈的回字形雙層柱網(wǎng)。柱子間又通過梁桁斗拱等構(gòu)件的連接，防止柱頭、柱腳的移動(dòng)。

“在‘剛’的基礎(chǔ)上，還要預(yù)留出應(yīng)對(duì)地震變形的‘柔’性余量和空間。”丁垚輕拍立柱，將其中奧秘娓娓道來——這些立柱并非與地面垂直，而是向建筑中心微微傾斜，這就是古人有意而為之的側(cè)腳設(shè)計(jì)。當(dāng)立柱受地震影響而晃動(dòng)時(shí)，如果立柱垂直于地面放置，非常容易外傾倒塌。側(cè)腳設(shè)計(jì)預(yù)留出晃動(dòng)空間，則不至于立刻失穩(wěn)，可更好地應(yīng)對(duì)震動(dòng)。

構(gòu)件之間形成天然的“耗能減震器”

地震對(duì)建筑的傷害，既有上下震動(dòng)，也有左右晃動(dòng)。面對(duì)地震帶來的水平方向的破壞，觀音閣內(nèi)部也暗藏玄機(jī)。

“高層建筑的中部比較脆弱，地震來襲時(shí)容易折損、扭曲、變形。古人非常有智慧，他們?cè)谟^音閣的中間增加了一個(gè)暗層。”跟隨丁垚登上觀音閣，沿著千年前留下的木梯拾級(jí)而上，到了二層就會(huì)看到一個(gè)獨(dú)特的夾層空間。俯身穿過一道高度僅一米左右的暗門，就進(jìn)入了一片漆黑的暗層空間。

在手電燈光的照射下，可見梁桁斗拱相互咬合拼接，厚重泥墻里的木骨秸稈、柱子上千年前刀劈斧鑿的痕跡都一覽無余。與其他空間不同，這里在不同方向增加了很多斜向支撐，讓暗層具備了很多三角形結(jié)構(gòu)，更加穩(wěn)固。

離開暗層，繼續(xù)攀登，就到了觀音閣的上層空間。走近觀看，中空的井口形狀也發(fā)生了變化。先是從一層頂部的長(zhǎng)方形變成六角形，再到頂部變成八角形的藻井。

“對(duì)于多層建筑來說，每一層如果采用相似的幾何形狀，穩(wěn)定性相較采取不同幾何形狀的建筑來說就會(huì)差一些。”丁垚說，井口形狀的變化，不僅巧妙地增加了二層活動(dòng)空間，也讓古建筑的抗震結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

除此之外，木構(gòu)件以榫卯工藝連接在一起，也增加了古建筑的穩(wěn)定性。丁垚說，構(gòu)件間留有適當(dāng)?shù)淖冃斡嗔亢涂障?，形成天?ldquo;耗能減震器”，地震時(shí)，構(gòu)件之間產(chǎn)生的微小錯(cuò)動(dòng)和變形，在摩擦力的作用下會(huì)消耗大量地震能量，從而減少對(duì)建筑的沖擊。

“斗拱飛檐、榫卯工藝，都蘊(yùn)藏著匠心與力學(xué)結(jié)合的美。”丁垚說。

利用現(xiàn)代科技助力保護(hù)修繕

嗡鳴聲中，無人機(jī)騰空而起，對(duì)獨(dú)樂寺觀音閣進(jìn)行細(xì)致的航拍測(cè)繪。操作無人機(jī)的是天津大學(xué)建筑學(xué)院的研究生張偉，他專注地盯著屏幕上實(shí)時(shí)傳回的畫面，“通過無人機(jī)航拍，我們能夠獲取建筑群的整體布局和屋頂細(xì)節(jié)，便捷地采集立體化三維數(shù)據(jù)。”

在現(xiàn)代科技的幫助下，古建木結(jié)構(gòu)的抗震機(jī)理正在系統(tǒng)量化。丁垚介紹，近年來，團(tuán)隊(duì)逐步將三維激光掃描、低空遙感等技術(shù)運(yùn)用到古建筑測(cè)繪領(lǐng)域，形成了“空地一體化”的協(xié)同數(shù)據(jù)采集模式。

“現(xiàn)代科技既能讓我們更深入地了解驗(yàn)證古人的建造理念，量化古建結(jié)構(gòu)的抗震性能，也能通過系統(tǒng)的技術(shù)體系為預(yù)防性保護(hù)提供支撐。”張鳳梧說，近年來，團(tuán)隊(duì)積極引入全站儀、三維激光掃描、攝影測(cè)量、探地雷達(dá)與無損檢測(cè)設(shè)備等手段，對(duì)多處明清木構(gòu)建筑開展了系統(tǒng)性調(diào)查與文獻(xiàn)梳理，對(duì)古建木結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料學(xué)、力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等方面的分析，識(shí)別威脅結(jié)構(gòu)安全的各類病害，為制定針對(duì)性保護(hù)措施提供依據(jù)。

多年來，團(tuán)隊(duì)的交叉學(xué)科融合研究成果已在多個(gè)古建保護(hù)項(xiàng)目中得到應(yīng)用：通過三維數(shù)據(jù)建模、人工智能識(shí)別、定期圖像對(duì)比，“明長(zhǎng)城全線圖像與三維數(shù)據(jù)庫”為8800多公里的明長(zhǎng)城監(jiān)測(cè)預(yù)警保護(hù)提供助力；通過精準(zhǔn)捕捉文物本體發(fā)生的亞毫米級(jí)微小病變，“文物病變智能原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”為故宮、頤和園等歷史建筑保駕護(hù)航……自2007年起，團(tuán)隊(duì)先后參與天津文廟、廣東會(huì)館、寶坻天尊閣等木構(gòu)古建筑的修繕工程，逐步形成了一套完整的工作流程，建立了“檢測(cè)—建模—評(píng)估—干預(yù)”的技術(shù)體系。

此外，新技術(shù)還為古建筑的防震監(jiān)測(cè)預(yù)警筑起“防護(hù)墻”。2025年，團(tuán)隊(duì)在獨(dú)樂寺開展地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化評(píng)估，將便攜式超聲波木材檢測(cè)儀放置在獨(dú)樂寺墻角一側(cè)，不多時(shí)，阻力值、應(yīng)力波等數(shù)據(jù)躍然“屏”上。“經(jīng)檢測(cè)，這部分區(qū)域不存在因老化而產(chǎn)生的內(nèi)部裂隙和腐朽空洞。”張鳳梧說。

“我們不僅要了解古建筑的歷史價(jià)值，還要用現(xiàn)代科學(xué)的方法讀懂它的結(jié)構(gòu)語言，有的放矢地精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警，這樣才能真正做到‘最小干預(yù)，最大保護(hù)’。”丁垚說。

 

《人民日?qǐng)?bào)》（2026年01月12日 第 06 版）

（責(zé)編：張若涵）