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“很多古建筑都有五架梁或七架梁的结构,如果要修或更换其中一根梁,最传统的做法是落架大修——需要拆卸整个屋面,从上往下一点点卸掉上层的梁架,将最底层有病害的梁换掉,再把所有梁架、瓦片重新安回去。”张涛坦言,这种修缮方法对古建筑的扰动比较大,“每修一回,古建筑的原始构架、历史信息都会有一定程度的损失。为此,我们开始探索一种不落架的修缮方法,希望通过‘微创手术’,最大限度保留古建筑细微之处蕴含着的宝贵信息。”
“微创手术”怎么开展?张涛有个大胆的想法:在变形或糟朽的木结构内部“植入”加固材料。他查阅了大量相关文献资料,发现在上个世纪的欧洲,有学者曾提出将金属材料嵌入木梁中进行加固的方法,“但是在四季分明的北京,这个方法明显行不通。”张涛话锋一转,习惯性地向记者科普,“木材和金属的冷热收缩率有很大差异,到了夏天,嵌入的金属传热能力比较强,木材膨胀后很容易发生变形,两种材料还有可能完全脱开。”
经过与研究团队的一番头脑风暴,张涛看中了一种力学性能非常优异的新材料——碳纤维。它的比重不到钢的四分之一亚搏app入口,但抗拉强度却是钢的7至9倍亚搏app入口,被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。“碳纤维不仅自重轻,本身还具有一定柔性,几乎不会影响木结构的荷载。我们可以把它植入木梁里,既能对存在病害的木梁有一定程度补充,还能让碳纤维随着木材一起冷热收缩。”
“我们和北京工业大学、北方工业大学合作,在实验室里用5∶1缩小尺寸的木梁进行实验,开槽、植入不同的碳纤维材料,测试木梁加固后的力学性能。”张涛说,一切都要摸索着来,“大量使用新的木构件通过测试之后,我们还会从古建修缮工地找一些老旧的木材,再次重复实验,对前面得出的结论进行验证,最终我们发现碳纤维板是最适合用来加固木梁的材料。”
最先面临的问题是,“微创手术”怎么“开刀”。“在实验室的操作台上给木材开槽很容易,但是在基地的古建筑模型里,我们就得蹬着梯子、举着锯,给木梁做原位开槽。”张涛笑着补充,为了方便下一步嵌入碳纤维板,这个槽必须是一条等宽等深的直线,“我们反复试了很多遍,经常开着开着就跑偏了,或者开完发现一头粗一头细。”
开槽,向木梁内植入碳纤维板,再注胶,以形状相近的木条嵌入封口……经过“微创手术”,木梁内部有了一根非常结实的“筋”,力学性能有了大幅提升。“在古建屋面本身的基础重量上,我们又将总重近10吨的沙袋一袋袋运到屋顶上,测试极端条件下它的最大承重量。”张涛自信地说,测试结果既令人惊喜又在意料之中,“它的承载力远高于木结构。”
“2006年,首博仿照阳平会馆戏楼复原了这座戏楼,用来展示馆藏京剧文物,定时举办演出。作为兄弟单位,我们也给首博做过大型木结构建筑的结构安全检测评估。”张涛回忆,由于复原戏楼时使用的木材含水率偏高,经过多年使用,戏楼局部木结构出现了轻微的开裂现象,当时,团队给首博出具了一份报告,“我们建议,戏楼二层平台每平方米载荷不要超过200公斤。之后,博物馆在使用过程中,通过采取限流等措施来保护建筑和观众的安全。”
2023年下半年,研究团队正式进驻首博,为仿古戏楼及看台量身定制了一套全面的“健骨”方案。“我们给主梁植入了碳纤维板,开裂的柱子用碳纤维布加固。经安全测试,戏楼的承载力得到大幅提升。现在,看台可以容纳更多观众,将来再上一些大的展柜也没问题。”张涛特意补充说明,整个碳纤维“微创”加固工程的经费还不及替换一根梁架结构所需修缮经费的十分之一,却能达到事半功倍的效果,“目前,我们正在编写相应的技术导则,争取在木结构文物建筑的修缮加固工程中逐步推广。”
基地中亚搏app入口,古建筑实验模型里,“术后”的木梁装上了“心电监护”。“木梁性能如何,从监测数据上就能一目了然。”张涛指着木梁上连接的五颜六色的线路和传感器说,“我们引入光纤传感技术,以最小干预的方式,实现‘微创手术’后木梁的智能监测,它可以实时观察构件的受力、变形情况,以确保文物的安全。”目前,研究团队也在积极尝试光学测量及图像识别等新手段亚搏app入口,进一步优化监测方案。
2023年7月,一场特大暴雨,让北京地区很多文保单位措手不及。“那一两个月,我们都在忙着给古建筑排水、抢险。”张涛对此记忆犹新,这场暴雨过后,基地里的几家科研单位一起开了课题策划会,“近几年的文保实践中,我们发现,古建筑现在面临的问题不单单是承载力不足,还有渗漏,特别是强降雨等极端天气带来的威胁。”
基地里,还有一小段高约3米、长约5米的“长城”城墙。仔细看,墙面有些斑驳,一些地方还有浅浅的白色粉笔标记。“这是仿照密云区明代长城特制的一小段模型,砌砖的材料以及技艺都尽量还原。”张涛说,这段“长城”虽然表面上看着完好,却是一段“患病”的长城,墙面上每一处标记都代表着不同的病害,相对应的,其内部有着大小不一、形状各异的空洞。
这是市考古研究院和北工大合作的“长城城墙病害无损检测”研究项目。两家单位合作的缘起要追溯到2019年,“当时,我们配合长城修缮设计开展了现状病害勘察工作,对密云区蟠龙山段长城305至308号敌台以及周围的边墙进行了检测,发现墙体已经出现了大面积垮塌趋势,急需进行抢救性修缮。”当年勘察时的场景,张涛还历历在目,“这促使我们想要研发更高效的技术,来判断长城墙体是否安全。”
即便是砖石垒就,长城也有“软肋”。“在修缮现场我们发现,长城墙体打开后,其实不是实心的。”张涛做了个形象的比喻,“就像夹心巧克力,外皮有两三层砖,里面是夯土掺着碎砖石块杂填而成的。这种砌筑形式影响了长城结构的稳定性。”他进一步举例亚搏app入口,山体的自然沉降、风霜雨雪的侵袭、植被根系生长等因素,都可能导致长城“生病”,出现变形、空鼓、塌陷等。
目前亚搏app入口,研究团队已经完成脱空病害的试验验证,基本可以确定病害位置、程度与范围。“对长城墙体不密实、裂隙等其他病害类型的分析仍在进行中,同时,我们也在结合建筑材料强度等因素开展综合评估,希望为长城的保护修复提供更加科学、精准的解决方案。”张涛说,近期研究团队还将走进长城修缮施工现场,进行试验效果验证。
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