?科技賦能，共同守護(hù)下的古韻新生

作者：卜丁

被訪(fǎng)者：西安理工大學(xué)教授，朱才輝

首發(fā)：文物陜西

近期，西安理工大學(xué)研發(fā)的一項(xiàng)“磚、土古遺址病害機(jī)理及修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)”科技創(chuàng)新成果為古老文化遺產(chǎn)帶來(lái)新生，應(yīng)用電磁和面波探測(cè)、“水·土·電”監(jiān)測(cè)、“病害動(dòng)態(tài)”評(píng)估、“改性材料修復(fù)”“無(wú)拉應(yīng)力原則的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)”等多種相互結(jié)合的先進(jìn)技術(shù)和方法，在西安鐘鼓樓、西安城墻、秦阿房宮遺址、榆林衛(wèi)城等文物保護(hù)中發(fā)揮相應(yīng)作用，并榮獲陜西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

給西安鐘樓做“體檢”

當(dāng)清晨第一縷陽(yáng)光掠過(guò)西安鐘樓的檐角，仿佛又能聽(tīng)到這座古老建筑響起的洪亮鐘聲。鐘樓作為古城西安的標(biāo)志性建筑，不僅以造型完美、規(guī)模宏大著稱(chēng)，更是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

它見(jiàn)證了無(wú)數(shù)的歷史變遷，卻在歲月的侵蝕下漸顯疲態(tài)，多數(shù)磚混結(jié)構(gòu)的古建筑普遍存在著諸如裂縫、滲水或是結(jié)構(gòu)老化等問(wèn)題，600多歲的西安鐘樓基座，同樣存在這樣的風(fēng)險(xiǎn)。在為這座珍貴的明代建筑“就診”之前，如何精確監(jiān)測(cè)病害發(fā)展和有效修復(fù)而不損害古建筑基座的原貌，成為文物保護(hù)工作中的一大難題。

由西安理工大學(xué)教授朱才輝帶領(lǐng)的文物科技保護(hù)團(tuán)隊(duì)首先采用了一種叫做電磁波法（GPR）和面波法（SWS）的無(wú)損探測(cè)技術(shù)，結(jié)合微損探測(cè)手段，在不破壞文物的情況下深入其內(nèi)部，查看墻體是否有裂縫或其他損傷。相當(dāng)于讓古建筑的基座去醫(yī)院做“CT掃描”，清楚了解到古建筑基座的“身體狀況”，就像是給鐘樓做了一個(gè)“無(wú)痛體檢”，不會(huì)對(duì)鐘樓造成任何損害。

除了給古建筑基座做“體檢”，還要預(yù)防長(zhǎng)期雨水入侵導(dǎo)致地下水位變化或是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降等突發(fā)情況。該團(tuán)隊(duì)又用到了如土·水特征（SWCC）、水分場(chǎng)（TDR）和電阻率場(chǎng)（SER）等技術(shù)，以了解鐘樓基座內(nèi)部的水份分布和結(jié)構(gòu)狀況，就像用一個(gè)高精度的探測(cè)器來(lái)探測(cè)鐘樓的“內(nèi)臟”。

朱才輝團(tuán)隊(duì)提出一種“由表及里、內(nèi)外聯(lián)動(dòng)”的監(jiān)控方法，給鐘樓安裝一個(gè)全方位的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控它的健康狀況，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就能及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

此外，該團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出一套基于“土·水·電”多場(chǎng)耦合體系的病害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法，除做好監(jiān)控還要給鐘樓出具全面的“體檢報(bào)告”，這些水分場(chǎng)、電阻場(chǎng)、電磁波和聲波等相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù)，不僅可以了解鐘樓現(xiàn)在的健康狀況，還可以預(yù)測(cè)它未來(lái)的“健康”趨勢(shì)。

做阿房宮值班“醫(yī)生”

全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位阿房宮遺址為秦代宮殿建筑遺址，在歲月的侵蝕下正遭遇著系列保護(hù)難題，比如遺址的結(jié)構(gòu)需要加固以防坍塌，環(huán)境的變化需要密切監(jiān)控以避免損害，病害風(fēng)險(xiǎn)需要及時(shí)評(píng)估以防止惡化。

阿房宮前殿遺址

如何讓這些古代的土堆重新“說(shuō)話(huà)”，講述它們的故事，也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。朱才輝團(tuán)隊(duì)需要在不破壞遺址原貌的同時(shí)，找到合適的材料和技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)制定出長(zhǎng)遠(yuǎn)的保護(hù)計(jì)劃，確保阿房宮能夠抵御未來(lái)的風(fēng)雨。

針對(duì)阿房宮遺址的保護(hù)，西安理工大學(xué)研發(fā)的“病害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法”不僅能夠全面了解遺址的現(xiàn)狀，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的病害風(fēng)險(xiǎn)。這種方法的核心在于其“動(dòng)態(tài)”特性，它不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)評(píng)估，能夠持續(xù)跟蹤土遺址在不同環(huán)境條件下的微小變化。通過(guò)安裝的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，該團(tuán)隊(duì)能夠收集到關(guān)于土遺址結(jié)構(gòu)變形、穩(wěn)定性、病害發(fā)展及環(huán)境響應(yīng)等多方面的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)隨后被輸入到評(píng)估系統(tǒng)中，進(jìn)行深入地分析和評(píng)估。

評(píng)估系統(tǒng)的智能算法能夠根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，對(duì)遺址的病害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，就像給遺址配備了24小時(shí)值班的“醫(yī)生”，隨時(shí)準(zhǔn)備診斷并報(bào)告任何可能出現(xiàn)的健康問(wèn)題，這種方法還包括對(duì)遺址保護(hù)措施的效果評(píng)估。通過(guò)對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和保護(hù)措施實(shí)施前后的變化，評(píng)估現(xiàn)有保護(hù)措施的有效性，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)多次討論、多次修改方案、多次模型實(shí)驗(yàn)，最終采用“病害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法”“改性材料”“提升修復(fù)工藝”等多種結(jié)合方式，成功地解決土遺址修復(fù)中的難題，這些創(chuàng)新技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用就像為阿房宮遺址編織一張保護(hù)的網(wǎng)，讓它在歷史的風(fēng)雨中更加穩(wěn)固。

在城墻安裝“穩(wěn)定器”

西安城墻是國(guó)內(nèi)現(xiàn)存最完整的古城垣之一，同樣是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。城墻墻體沉降是需要關(guān)注的問(wèn)題之一，這些微弱的沉降肉眼無(wú)法感知，需要精密的儀器來(lái)對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)。

如何在保護(hù)的同時(shí)兼顧城墻的開(kāi)放使用，朱才輝團(tuán)隊(duì)在深入探究城墻的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和病害成因后，為城墻定制一套合身的“穩(wěn)定器”，有效抵御歲月的侵蝕。

朱才輝介紹，“穩(wěn)定器”的專(zhuān)業(yè)名詞是“基于無(wú)拉應(yīng)力原則的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)”，聽(tīng)起來(lái)可能有點(diǎn)復(fù)雜，但其實(shí)它就像是一個(gè)聰明的建筑師在建造房屋時(shí)會(huì)考慮的不讓建筑基礎(chǔ)出現(xiàn)“開(kāi)裂、拉壞”的控制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是確保建筑的地基非常穩(wěn)固，不會(huì)因?yàn)榈孛娴某两刀艿接绊?。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以更有效地保護(hù)古建筑，讓它們即使在不穩(wěn)定的地面上也能穩(wěn)穩(wěn)地站立。

還用一些數(shù)值分析和理論解析的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬地鐵施工中，城墻會(huì)不會(huì)受到傷害，會(huì)有哪些傷害。還通過(guò)原位測(cè)試技術(shù)了解現(xiàn)役城墻的磚土材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)。

該團(tuán)隊(duì)提出修正的“PECK公式”和“剛度修正法（BGI）”預(yù)測(cè)公式，這些數(shù)學(xué)模型結(jié)合土體變形特性和結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整的預(yù)測(cè)技術(shù)，預(yù)測(cè)城墻在未來(lái)可能面臨的變形風(fēng)險(xiǎn)，方便管理者提前做好應(yīng)對(duì)之策。

這些創(chuàng)新技術(shù)的集成應(yīng)用，不僅為城墻的保護(hù)提供了科學(xué)的決策支持，更為觀眾提供了一個(gè)安全、可靠的參觀環(huán)境，讓人們?cè)诟惺軞v史厚重的同時(shí)，也能享受到現(xiàn)代科技帶來(lái)的便捷與安心。

朱才輝表示，基于“PECK公式”的“剛度修正法（BGI）”預(yù)測(cè)方法可用于預(yù)測(cè)和評(píng)估“磚·土”結(jié)構(gòu)在不同荷載條件下的穩(wěn)定性和變形情況，在陜西多個(gè)古建項(xiàng)目中用來(lái)預(yù)測(cè)建筑物或基礎(chǔ)設(shè)施在臨近城市地下空間工程施工影響下的變形風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施來(lái)加固或修復(fù)，以確保結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全。

為榆林衛(wèi)城“打封閉”

位于榆林市的“榆林衛(wèi)城”又名“駝城”，為明代城防設(shè)施，是明延綏鎮(zhèn)軍事、政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通中心和長(zhǎng)城要塞，在歷史上具有重要的戰(zhàn)略地位，為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

如何抵御自然侵蝕和修復(fù)因歷史變遷而造成損傷，是榆林衛(wèi)城保護(hù)面臨的重大挑戰(zhàn)。面對(duì)這些難題，朱才輝團(tuán)隊(duì)不僅需要研發(fā)出適應(yīng)榆林特殊地質(zhì)環(huán)境的“改性修復(fù)材料”，還要制定出一套既科學(xué)又可行的修復(fù)工藝流程。這一過(guò)程充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，從材料的選擇到工藝的優(yōu)化，每一步都需要精心設(shè)計(jì)和反復(fù)試驗(yàn)。

如果說(shuō)朱才輝團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的無(wú)損探測(cè)技術(shù)是對(duì)城墻深處的“臨床體檢”，那么“改性修復(fù)材料”就是對(duì)不同文物“病灶”的“對(duì)癥下藥”。

據(jù)朱才輝介紹，所謂的“改性修復(fù)材料”好比是骨科醫(yī)生治病用的“封閉針”，這些材料可以很好地與城墻原有材料融合，同時(shí)具備更強(qiáng)的耐久性和穩(wěn)定性。使用這些材料進(jìn)行修復(fù)，不僅能治愈城墻的“傷口”，還能讓它更“健康長(zhǎng)壽”。

其中用糯米灰漿和桐油混合而成的改性材料和一種叫做“ACS”的改性材料，它由包括偏高嶺土、氫氧化鈣和微硅粉等多種不同成分混合而成。這種材料就像是給古遺址的病害修復(fù)提供營(yíng)養(yǎng)劑，幫助它恢復(fù)堅(jiān)固和穩(wěn)定。

除了給榆林衛(wèi)城墻體“打封閉”，團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了幾種特別的“理療技術(shù)”，對(duì)古遺址裂縫采用粘接砌筑修復(fù)法，就像是給裂縫做一次精細(xì)的縫合手術(shù)；對(duì)墻體脫落采用裂縫注漿修復(fù)法，就像是給墻體做一次深層的“滋養(yǎng)”；對(duì)表面的剝蝕采用噴涂法，就像是給皮膚做一次全面的“護(hù)膚”。

朱才輝感嘆，以上項(xiàng)目的成功實(shí)施得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、省科學(xué)技術(shù)廳、高校、實(shí)驗(yàn)室、文物保護(hù)機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)（機(jī)械、工程）單位的幫助、指導(dǎo)和配合，共同解決文物保護(hù)中的眾多技術(shù)難題，讓文物保護(hù)工作者看到科技與文化相結(jié)合的無(wú)限可能，讓古老文物得到新生，這是對(duì)歷史的尊重也是對(duì)未來(lái)負(fù)責(zé)。