淺談古建筑修繕修復(fù)過程中的新技術(shù)

文物承載燦爛文明，傳承歷史文化，維系民族精神，是老祖宗留給我們的寶貴遺產(chǎn)，是加強(qiáng)社會(huì)主義精神文明建設(shè)的深厚滋養(yǎng)，是增強(qiáng)文化自覺和文化自信的重要載體。文物建筑和中華文明相伴相生，是最為重要的歷史文化載體之一。從六千多年前的河姆渡遺址干欄式建筑，到五千多年前半坡遺址木骨泥墻建筑，直到殷商時(shí)期初步形成中國特有的木構(gòu)架體系和建筑風(fēng)格；從秦代的阿房宮到遼代的應(yīng)縣木塔，再到蘇州園林、北京故宮，中國古代建筑經(jīng)歷數(shù)千年滄桑，仍然繁榮興盛。

北京建城三千多年、建都八百多年，擁有世界文化遺產(chǎn)七處，文物遺存三千余處，城市布局獨(dú)樹一幟，是中華文明源遠(yuǎn)流長的偉大見證和一張“金名片”。正如梁思成先生所說：“中國木構(gòu)體系竟能在如此廣袤的地域和長達(dá)四千年的時(shí)間中長存不敗，且至今還在應(yīng)用而不易其基本特征，這一現(xiàn)象，只有中華文明的延續(xù)性可以與之相提并論。”如今，保護(hù)好這張“金名片”，更需要先進(jìn)技術(shù)的支撐。

過去，在古建筑行業(yè)都是老工人師傅拿著小錘子敲擊木構(gòu)件，檢查其是否有糟朽、空鼓的情況，判斷其是否有倒塌的危險(xiǎn)，是否有安全隱患。木構(gòu)件材質(zhì)狀況仍然停留在目測、敲擊、依靠經(jīng)驗(yàn)定性，這種方法無法杜絕人為誤差，為古建筑的結(jié)構(gòu)安全留下了重大隱患。

2005年，北京香山有一座牌樓突然倒塌；2009年，位于北京東城區(qū)的左宗棠（清光緒年間曾任軍機(jī)大臣）故居也塌了一個(gè)角。近年來，福建、杭州等地發(fā)生了多起古建筑突然倒塌的情況。因此，如何準(zhǔn)確檢測、評價(jià)古建筑結(jié)構(gòu)的安全性能就是我們必須要解決的問題，也是保護(hù)古建筑“長命百歲”的先決條件。為此我們開展了一系列研究，并制定《古建筑結(jié)構(gòu)安全性鑒定技術(shù)規(guī)范

一、微鉆阻力儀

木材作為一種生物材料，本身具有易腐、易蛀的特性，要是不能及早發(fā)現(xiàn)木頭的“心臟病”，等到古建筑倒塌了再采取補(bǔ)救措施就晚了。

可怎么才能發(fā)現(xiàn)木頭是否得了“心臟病”呢？總不能把夠年頭的古建筑木質(zhì)構(gòu)件都卸下來檢查吧。過去，古建筑行業(yè)都是靠有經(jīng)驗(yàn)的老師傅用錘子敲打，聽聲音來判斷。檢測木構(gòu)件“空心”病害的傳統(tǒng)方法是“敲擊檢測法”。操作人員逐點(diǎn)敲擊木構(gòu)件，通過辨別敲擊聲音的不同找到“空心”所在。敲擊法依賴個(gè)人推斷，對材質(zhì)相同的非空心區(qū)和空心區(qū)，其敲擊聲在波形和頻譜上存在較大差異。

盡管上述方法非常實(shí)用，但受主觀因素的影響，在工程實(shí)踐中容易引起爭議。人耳能辨別出空心區(qū)的敲擊聲有異，這在波形圖上反映非常明顯，即空心區(qū)所發(fā)出聲音的波形在時(shí)域上呈強(qiáng)烈的對稱性，確實(shí)有點(diǎn)像“鼓”的振動(dòng)，而賦存狀況較好的區(qū)域卻顯得相對“沉悶”，兩者差異較大。能被人耳所感知，并加以區(qū)分。這種方法也是通過人為主觀判斷，容易產(chǎn)生誤差。但這樣的方法只能大致了解木頭有沒有空心，至于空心有多大，出現(xiàn)在哪個(gè)部位，糟朽程度如何，就不清楚了。就像醫(yī)生診斷心臟病一樣，光靠聽診器怎么能知道究竟心臟哪里出了問題呢？

于是，我們引進(jìn)了一種新儀器——微鉆阻力儀，靠著它，我們就像長了一雙透視眼，可以“看透”木心了。

微鉆阻力儀原本不是用于古建筑，而是用來檢測古樹的，既然可以檢測古樹，應(yīng)該也可以檢測古建筑的木頭吧？可古建筑中的木頭和活著的古樹畢竟有許多不同之處，這就需要我們摸索經(jīng)驗(yàn)，找出適合木質(zhì)構(gòu)件的測量數(shù)據(jù)。

微鉆阻力儀像一個(gè)長方形的鐵盒子，里面裝有一個(gè)60厘米長、直徑只有1.5毫米的細(xì)長鉆頭，用它打進(jìn)木頭里，只在木頭表面留下一個(gè)看不見的小眼，對古建筑沒有什么損傷。通過連接在鉆頭后面的傳感器，可以顯示出木頭內(nèi)部的情況。儀器吐出的紙帶上的曲線就像心電圖的曲線，隨著微型鉆頭不斷鉆進(jìn)，曲線出現(xiàn)高低不平的變化。如果曲線突然從一個(gè)高峰跌落，經(jīng)過一段低谷之后又開始上升，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們就能判斷這根木頭出現(xiàn)了空心，連空心的大小都一目了然。阻力儀缺陷判定方法是：阻力儀檢測曲線與探針的進(jìn)入過程同步進(jìn)行，如下面曲線圖的橫坐標(biāo)為探針進(jìn)入木材的深度，縱坐標(biāo)為阻力儀檢測值，阻力儀檢測值的高低與走勢反應(yīng)了木構(gòu)件的健康狀況。阻力儀檢測曲線中阻力儀檢測值較高、早晚材（曲線中表現(xiàn)為波谷和波峰）差異明顯的為健康區(qū)域，阻力儀檢測曲線中阻力儀檢測值較低、早晚材差異變小的為缺陷區(qū)域。

一般在一根木頭上打下2到3個(gè)孔，就能確定空心有多長，是整根木頭都空了，還是空了幾分之一或一半，之后就可以確定醫(yī)治方案了：空心小的，可以想法修補(bǔ)；空心厲害的，就要及時(shí)換掉。

二、地質(zhì)雷達(dá)

別以為古建筑中只有木頭會(huì)出問題，其實(shí)磚也一樣。就拿長城來說，最早的長城修建于2000多年前的春秋戰(zhàn)國時(shí)代，而現(xiàn)存的長城遺跡主要是建于14世紀(jì)的明代長城。長城城墻看起來很厚，實(shí)際上是磚砌的外皮，里面都是夯土。幾百年風(fēng)霜雨雪的滲透，長城城墻也會(huì)出現(xiàn)空心塌陷的毛病。

對付磚墻，不能用打孔鉆探的方法。怎么辦？我們聯(lián)想到醫(yī)生給病人做透視。能不能給城墻也做做透視呢？于是我們又引進(jìn)了一種新技術(shù)——地質(zhì)雷達(dá)電磁波檢測法，這是通過發(fā)射天線向被測介質(zhì)發(fā)射高頻寬帶脈沖電磁波，經(jīng)過一些復(fù)雜的干涉過程后被接受天線捕獲，然后通過反射信號與接受信號進(jìn)行程序處理，最后在屏幕上顯示出空鼓剖面圖。

探地雷達(dá)是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，在地面通過發(fā)射天線將信號送入地下，經(jīng)地層界面或目的體反射后返回地面，再由接收天線接收電磁波反射信號，通過對電磁波反射信號的時(shí)頻特征和振幅特征進(jìn)行分析，了解地層或目的體特征信息的方法。探地雷達(dá)廣泛應(yīng)用于考古、巖溶探測、砼路面板底脫空檢測、隧道襯砌質(zhì)量評價(jià)及路基分層等方面。

現(xiàn)在新開挖的地鐵普遍使用一種探地雷達(dá)。盾構(gòu)機(jī)開進(jìn)地底后，需要了解前方的地質(zhì)狀況，比如有沒有空洞，因?yàn)檫@種地底空洞很可能是存在地下水的標(biāo)志，一旦挖破，水沖出來，昂貴的盾構(gòu)機(jī)就可能徹底報(bào)銷。

探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波可以掃描前方20米的地層，拿來掃描長城城墻應(yīng)該沒問題。我們把探地雷達(dá)拉到長城，把它貼到城墻上。在探地雷達(dá)的“慧眼”下，城墻里的空洞、塌陷，都被照了個(gè)清楚。有問題的地方可以提前預(yù)警，需要維修時(shí)也能有的放矢。

三、紅外熱成像儀

紅外熱成像儀能用紅外相機(jī)測得文物表面的溫度并生成描繪溫度分布的熱譜圖，是一種與文物無接觸、無損的成像檢測法。紅外熱成像記錄文物表面光學(xué)特性（發(fā)射率）的區(qū)別和現(xiàn)有溫度梯度下的溫度差別。二維高分辨率的紅外相機(jī)能測得物體發(fā)出的電磁輻射，并通過軟件的顏色代碼轉(zhuǎn)換成像。所測得的總輻射量取決于測量物發(fā)出的輻射、反射的輻射以及傳輸過程中的輻射增減。對古建筑空洞缺陷部位通過紅外熱成像法進(jìn)行無損檢測的理論基礎(chǔ)源自熱傳導(dǎo)理論。在靜止的基礎(chǔ)狀態(tài)下，物體和其所處的環(huán)境溫度相等。

物體表面可測得其平均溫度。若某部分的溫度改變，會(huì)導(dǎo)致熱流傳導(dǎo)直至再次到達(dá)溫度平衡狀態(tài)。這個(gè)平衡補(bǔ)償過程。首先取決于介質(zhì)的熱導(dǎo)率。若表面下方有空洞，加熱后會(huì)導(dǎo)致表面溫度的差異。空洞部位的空氣具有較強(qiáng)的隔熱作用，因此空洞上的表面部分受到加熱后升溫較快、冷卻較慢。而（無空洞時(shí)）與表面緊密相連的部位能更快地傳導(dǎo)表面所吸收的熱量，因此其表面溫度也會(huì)相應(yīng)較低。（紅外熱成像譜圖中望板2號部位溫度明顯高于其他位置，現(xiàn)場勘察該處望板確實(shí)存在劣化現(xiàn)象。）

有了這些先進(jìn)的技術(shù)，使我國古建筑無損檢測手段從定性判定逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔每茖W(xué)儀器定量檢測，檢測技術(shù)從表層探測向深層分析過渡，無損檢測精度有了很大提高。我們把新技術(shù)應(yīng)用到古建筑修繕修復(fù)過程中，快速準(zhǔn)確判定木構(gòu)件的糟朽程度及病害類型，為修繕設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為建立古建筑健康檔案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推動(dòng)前期木構(gòu)件無損檢測成為科學(xué)系統(tǒng)保護(hù)木構(gòu)件古建筑的基本前提和必備環(huán)節(jié)。