淺談古建筑修繕修復過程中的新技術(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)，是加強社會主義精神文明建設的深厚滋養(yǎng)，是增強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，直到殷商時期初步形成中國特有的木構(gòu)架體系和建筑風格；從秦代的阿房宮到遼代的應縣木塔，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，城市布局獨樹一幟，是中華文明源遠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四千年的時間中長存不敗，且至今還在應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，保護好這張“金名片”，更需要先進技術(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，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大臣）故居也塌了一個角。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，如何準確檢測、評價古建筑結(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用，但受主觀因素的影響，在工程實踐中容易引起爭議。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)出聲音的波形在時域上呈強烈的對稱性，確實有點像“鼓”的振動，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，找出適合木質(zhì)構(gòu)件的測量數(shù)據(jù)。

微鉆阻力儀像一個長方形的鐵盒子，里面裝有一個60厘米長、直徑只有1.5毫米的細長鉆頭，用它打進木頭里，只在木頭表面留下一個看不見的小眼，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，曲線出現(xiàn)高低不平的變化。如果曲線突然從一個高峰跌落，經(jīng)過一段低谷之后又開始上升，根據(jù)經(jīng)驗，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入過程同步進行，如下面曲線圖的橫坐標為探針進入木材的深度，縱坐標為阻力儀檢測值，阻力儀檢測值的高低與走勢反應了木構(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；空心厲害的，就要及時換掉。

二、地質(zhì)雷達

別以為古建筑中只有木頭會出問題，其實磚也一樣。就拿長城來說，最早的長城修建于2000多年前的春秋戰(zhàn)國時代，而現(xiàn)存的長城遺跡主要是建于14世紀的明代長城。長城城墻看起來很厚，實際上是磚砌的外皮，里面都是夯土。幾百年風霜雨雪的滲透，長城城墻也會出現(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？于是我們又引進了一種新技術(shù)——地質(zhì)雷達電磁波檢測法，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行程序處理，最后在屏幕上顯示出空鼓剖面圖。

探地雷達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頻特征和振幅特征進行分析，了解地層或目的體特征信息的方法。探地雷達廣泛應用于考古、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。盾構(gòu)機開進地底后，需要了解前方的地質(zhì)狀況，比如有沒有空洞，因為這種地底空洞很可能是存在地下水的標志，一旦挖破，水沖出來，昂貴的盾構(gòu)機就可能徹底報銷。

探地雷達發(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該沒問題。我們把探地雷達拉到長城，把它貼到城墻上。在探地雷達的“慧眼”下，城墻里的空洞、塌陷，都被照了個清楚。有問題的地方可以提前預警，需要維修時也能有的放矢。

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行無損檢測的理論基礎(chǔ)源自熱傳導理論。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，會導致熱流傳導直至再次到達溫度平衡狀態(tài)。這個平衡補償過程。首先取決于介質(zhì)的熱導率。若表面下方有空洞，加熱后會導致表面溫度的差異。空洞部位的空氣具有較強的隔熱作用，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）與表面緊密相連的部位能更快地傳導表面所吸收的熱量，因此其表面溫度也會相應較低。（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存在劣化現(xiàn)象。）

有了這些先進的技術(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)應用到古建筑修繕修復過程中，快速準確判定木構(gòu)件的糟朽程度及病害類型，為修繕設計提供依據(jù)，為建立古建筑健康檔案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推動前期木構(gòu)件無損檢測成為科學系統(tǒng)保護木構(gòu)件古建筑的基本前提和必備環(huán)節(jié)。