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古建保護(hù)新技術(shù)在密云試驗

發(fā)布時間:2024-03-25 15:23:00來源: 北京日報

  密云區(qū)西田各莊鎮(zhèn),田野邊寬敞的大院子,是北京市文物古建公司的一處基地。這處基地占地7800平方米,其中藏著不少“文物”寶貝,不僅有各種古色古香的亭臺樓閣、雕梁畫柱,甚至還有一段長城磚墻,一些木結(jié)構(gòu)上還裝上了密密麻麻的傳感器和各色線路。

  “基地內(nèi)的建筑都是仿建的,主要用來進(jìn)行文物修復(fù)與預(yù)防性保護(hù)的科研課題的數(shù)據(jù)采集。去年,基地被北京市文物局授牌為北京木結(jié)構(gòu)古建筑保護(hù)科研與實驗基地?!被刎?fù)責(zé)人李福文介紹,不少文物修復(fù)的新技術(shù)目前正在這里開展試驗。

  為長城拍“CT”

  走進(jìn)院內(nèi),最先進(jìn)入視線的是一小段“長城”城墻,高約3米,長度約5米,墻面略有些斑駁,一些地方還有淺淺的白色粉筆標(biāo)記?!斑@是仿照密云明代長城特制的一小段模型,砌磚的材料以及技藝都盡量還原?!崩罡N恼f。

  即便是磚石壘就,長城也會生病。“比如山體的自然沉降、風(fēng)霜雨水的侵襲、溫濕度的變化、植被根系生長、白蟻蛀蟲啃噬等,都可能造成長城的損傷,形成空鼓、塌陷等病害。大規(guī)模的變形,可以通過遙感技術(shù)和無人機(jī)來發(fā)現(xiàn),局部的形狀變化可以采用三維激光掃描等技術(shù)進(jìn)行分析判斷,但如果是深藏在內(nèi)部正在生長的病害,是很難從外表看出的。如果能提前定位并識別出來,進(jìn)行預(yù)防性保護(hù),就能避免更大的破壞和損傷。”來自北京工業(yè)大學(xué)的錢威說,這就需要給長城做一個“CT”檢查。

  給長城做“CT”?聽起來難度不小?!捌鋵嵱玫木褪乾F(xiàn)代建筑業(yè)中經(jīng)常會使用到的探地雷達(dá)設(shè)備?!卞X威解釋說,這個技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于道路、橋梁的病害檢測,它能夠利用高頻電磁波的反射來探測建筑的內(nèi)部情況。“有了探地雷達(dá)的輔助,可以對長城病害的范圍、類型進(jìn)行識別,為后續(xù)的保護(hù)和修繕工作提供數(shù)據(jù)參考。目前我們正在對這項技術(shù)在長城上的應(yīng)用進(jìn)行探索?!?/p>

  木梁上的“微創(chuàng)”手術(shù)

  自“長城”處再向內(nèi)走,還矗立著不少木建筑,這里也正在進(jìn)行一項頗有意思的試驗——利用碳纖維對古建筑進(jìn)行加固。

  說起碳纖維,很多人并不陌生。這是一種力學(xué)性能非常優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,但抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7至9倍,被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域。

  北京地區(qū)古建筑大多是木結(jié)構(gòu)為主,相比于傳統(tǒng)鐵箍加固的方式,輕便結(jié)實價廉的碳纖維布效果更佳?!安贿^,這一方法弊端也很明顯,使用時需要像包扎傷口一樣包很多圈,不僅看著丑,還會遮擋住建筑本身的模樣?!卞X威說,保留住建筑本身的細(xì)節(jié)是非常重要的,很多木構(gòu)件的細(xì)微之處蘊(yùn)含著寶貴的信息。

  既要保證加固效果,又要兼顧細(xì)節(jié)與美觀,研究人員進(jìn)行了一次大膽嘗試——給木構(gòu)件做“手術(shù)”,以微創(chuàng)的形式向內(nèi)部植入碳纖維板。“我們在基地內(nèi)搭建了一處清式硬山建筑足尺模型,在它的大梁上進(jìn)行實驗?!卞X威解釋說,先在木梁的底部開一個小小的槽,注入膠,再向內(nèi)植入碳纖維板,以性狀相近的木條嵌入封口。經(jīng)過這次“微創(chuàng)”手術(shù),大梁內(nèi)部有了一根非常結(jié)實的“筋”,從外觀上基本看不出差別,力學(xué)性能卻有了很大的改變。

  植入了碳纖維板的木梁,承重到底如何?“確實提升了不少。我們請來工人幫助科研團(tuán)隊進(jìn)行了測試,在古建本身的基礎(chǔ)重量之上,又將近十噸的沙袋單獨(dú)攤放到大梁之上,承重沒有問題?!崩罡N慕榻B說。

  為“術(shù)后”木梁進(jìn)行智能監(jiān)測

  在木梁的承重實驗中,智能監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。就在這座清代建筑模型的木梁之上,鑲嵌著密密麻麻的傳感器和各種顏色的線路,它們共同形成了一個智能監(jiān)測系統(tǒng),方便研究人員對建筑的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行實時觀察?!靶g(shù)后”木梁性能如何,從數(shù)據(jù)上就能一目了然。

  “在我們的課題研究中,數(shù)字化技術(shù)支撐是非常重要的。這些傳感器能夠直觀地告訴我們不同位置受力和形變的情況,從而判斷古建安全的警戒值。”錢威說。

  今年,基地的多項研究還將繼續(xù)開展新的實驗。錢威透露,接下來研究團(tuán)隊即將引入一套新的監(jiān)測設(shè)備,并且在旁邊的另一根梁上再進(jìn)行一次“微創(chuàng)”手術(shù)植入碳纖維板,兩邊進(jìn)行比較?!靶碌脑O(shè)備主要是靈敏度會再提升,一方面看看兩套監(jiān)測設(shè)備的差別,另外還要再對填充膠的比例和種類進(jìn)行新的嘗試?!?/p>

  密云區(qū)西田各莊鎮(zhèn),田野邊寬敞的大院子,是北京市文物古建公司的一處基地。這處基地占地7800平方米,其中藏著不少“文物”寶貝,不僅有各種古色古香的亭臺樓閣、雕梁畫柱,甚至還有一段長城磚墻,一些木結(jié)構(gòu)上還裝上了密密麻麻的傳感器和各色線路。

  “基地內(nèi)的建筑都是仿建的,主要用來進(jìn)行文物修復(fù)與預(yù)防性保護(hù)的科研課題的數(shù)據(jù)采集。去年,基地被北京市文物局授牌為北京木結(jié)構(gòu)古建筑保護(hù)科研與實驗基地?!被刎?fù)責(zé)人李福文介紹,不少文物修復(fù)的新技術(shù)目前正在這里開展試驗。

  為長城拍“CT”

  走進(jìn)院內(nèi),最先進(jìn)入視線的是一小段“長城”城墻,高約3米,長度約5米,墻面略有些斑駁,一些地方還有淺淺的白色粉筆標(biāo)記?!斑@是仿照密云明代長城特制的一小段模型,砌磚的材料以及技藝都盡量還原?!崩罡N恼f。

  即便是磚石壘就,長城也會生病?!氨热缟襟w的自然沉降、風(fēng)霜雨水的侵襲、溫濕度的變化、植被根系生長、白蟻蛀蟲啃噬等,都可能造成長城的損傷,形成空鼓、塌陷等病害。大規(guī)模的變形,可以通過遙感技術(shù)和無人機(jī)來發(fā)現(xiàn),局部的形狀變化可以采用三維激光掃描等技術(shù)進(jìn)行分析判斷,但如果是深藏在內(nèi)部正在生長的病害,是很難從外表看出的。如果能提前定位并識別出來,進(jìn)行預(yù)防性保護(hù),就能避免更大的破壞和損傷?!眮碜员本┕I(yè)大學(xué)的錢威說,這就需要給長城做一個“CT”檢查。

  給長城做“CT”?聽起來難度不小。“其實用的就是現(xiàn)代建筑業(yè)中經(jīng)常會使用到的探地雷達(dá)設(shè)備。”錢威解釋說,這個技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于道路、橋梁的病害檢測,它能夠利用高頻電磁波的反射來探測建筑的內(nèi)部情況。“有了探地雷達(dá)的輔助,可以對長城病害的范圍、類型進(jìn)行識別,為后續(xù)的保護(hù)和修繕工作提供數(shù)據(jù)參考。目前我們正在對這項技術(shù)在長城上的應(yīng)用進(jìn)行探索?!?/p>

  木梁上的“微創(chuàng)”手術(shù)

  自“長城”處再向內(nèi)走,還矗立著不少木建筑,這里也正在進(jìn)行一項頗有意思的試驗——利用碳纖維對古建筑進(jìn)行加固。

  說起碳纖維,很多人并不陌生。這是一種力學(xué)性能非常優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,但抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7至9倍,被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域。

  北京地區(qū)古建筑大多是木結(jié)構(gòu)為主,相比于傳統(tǒng)鐵箍加固的方式,輕便結(jié)實價廉的碳纖維布效果更佳?!安贿^,這一方法弊端也很明顯,使用時需要像包扎傷口一樣包很多圈,不僅看著丑,還會遮擋住建筑本身的模樣?!卞X威說,保留住建筑本身的細(xì)節(jié)是非常重要的,很多木構(gòu)件的細(xì)微之處蘊(yùn)含著寶貴的信息。

  既要保證加固效果,又要兼顧細(xì)節(jié)與美觀,研究人員進(jìn)行了一次大膽嘗試——給木構(gòu)件做“手術(shù)”,以微創(chuàng)的形式向內(nèi)部植入碳纖維板?!拔覀冊诨貎?nèi)搭建了一處清式硬山建筑足尺模型,在它的大梁上進(jìn)行實驗?!卞X威解釋說,先在木梁的底部開一個小小的槽,注入膠,再向內(nèi)植入碳纖維板,以性狀相近的木條嵌入封口。經(jīng)過這次“微創(chuàng)”手術(shù),大梁內(nèi)部有了一根非常結(jié)實的“筋”,從外觀上基本看不出差別,力學(xué)性能卻有了很大的改變。

  植入了碳纖維板的木梁,承重到底如何?“確實提升了不少。我們請來工人幫助科研團(tuán)隊進(jìn)行了測試,在古建本身的基礎(chǔ)重量之上,又將近十噸的沙袋單獨(dú)攤放到大梁之上,承重沒有問題?!崩罡N慕榻B說。

  為“術(shù)后”木梁進(jìn)行智能監(jiān)測

  在木梁的承重實驗中,智能監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。就在這座清代建筑模型的木梁之上,鑲嵌著密密麻麻的傳感器和各種顏色的線路,它們共同形成了一個智能監(jiān)測系統(tǒng),方便研究人員對建筑的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行實時觀察?!靶g(shù)后”木梁性能如何,從數(shù)據(jù)上就能一目了然。

  “在我們的課題研究中,數(shù)字化技術(shù)支撐是非常重要的。這些傳感器能夠直觀地告訴我們不同位置受力和形變的情況,從而判斷古建安全的警戒值。”錢威說。

  今年,基地的多項研究還將繼續(xù)開展新的實驗。錢威透露,接下來研究團(tuán)隊即將引入一套新的監(jiān)測設(shè)備,并且在旁邊的另一根梁上再進(jìn)行一次“微創(chuàng)”手術(shù)植入碳纖維板,兩邊進(jìn)行比較?!靶碌脑O(shè)備主要是靈敏度會再提升,一方面看看兩套監(jiān)測設(shè)備的差別,另外還要再對填充膠的比例和種類進(jìn)行新的嘗試?!?/p>

(責(zé)編:郭爽)

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