浅谈古建筑修缮修复过程中的新技术

文物承载灿烂文明，传承历史文化，维系民族精神，是老祖宗留给我们的宝贵遗产，是加强社会主义精神文明建设的深厚滋养，是增强文化自觉和文化自信的重要载体。文物建筑和中华文明相伴相生，是最为重要的历史文化载体之一。从六千多年前的河姆渡遗址干栏式建筑，到五千多年前半坡遗址木骨泥墙建筑，直到殷商时期初步形成中国特有的木构架体系和建筑风格；从秦代的阿房宫到辽代的应县木塔，再到苏州园林、北京故宫，中国古代建筑经历数千年沧桑，仍然繁荣兴盛。

北京建城三千多年、建都八百多年，拥有世界文化遗产七处，文物遗存三千余处，城市布局独树一帜，是中华文明源远流长的伟大见证和一张“金名片”。正如梁思成先生所说：“中国木构体系竟能在如此广袤的地域和长达四千年的时间中长存不败，且至今还在应用而不易其基本特征，这一现象，只有中华文明的延续性可以与之相提并论。”如今，保护好这张“金名片”，更需要先进技术的支撑。

过去，在古建筑行业都是老工人师傅拿着小锤子敲击木构件，检查其是否有糟朽、空鼓的情况，判断其是否有倒塌的危险，是否有安全隐患。木构件材质状况仍然停留在目测、敲击、依靠经验定性，这种方法无法杜绝人为误差，为古建筑的结构安全留下了重大隐患。

2005年，北京香山有一座牌楼突然倒塌；2009年，位于北京东城区的左宗棠（清光绪年间曾任军机大臣）故居也塌了一个角。近年来，福建、杭州等地发生了多起古建筑突然倒塌的情况。因此，如何准确检测、评价古建筑结构的安全性能就是我们必须要解决的问题，也是保护古建筑“长命百岁”的先决条件。为此我们开展了一系列研究，并制定《古建筑结构安全性鉴定技术规范

一、微钻阻力仪

木材作为一种生物材料，本身具有易腐、易蛀的特性，要是不能及早发现木头的“心脏病”，等到古建筑倒塌了再采取补救措施就晚了。

可怎么才能发现木头是否得了“心脏病”呢？总不能把够年头的古建筑木质构件都卸下来检查吧。过去，古建筑行业都是靠有经验的老师傅用锤子敲打，听声音来判断。检测木构件“空心”病害的传统方法是“敲击检测法”。操作人员逐点敲击木构件，通过辨别敲击声音的不同找到“空心”所在。敲击法依赖个人推断，对材质相同的非空心区和空心区，其敲击声在波形和频谱上存在较大差异。

尽管上述方法非常实用，但受主观因素的影响，在工程实践中容易引起争议。人耳能辨别出空心区的敲击声有异，这在波形图上反映非常明显，即空心区所发出声音的波形在时域上呈强烈的对称性，确实有点像“鼓”的振动，而赋存状况较好的区域却显得相对“沉闷”，两者差异较大。能被人耳所感知，并加以区分。这种方法也是通过人为主观判断，容易产生误差。但这样的方法只能大致了解木头有没有空心，至于空心有多大，出现在哪个部位，糟朽程度如何，就不清楚了。就像医生诊断心脏病一样，光靠听诊器怎么能知道究竟心脏哪里出了问题呢？

于是，我们引进了一种新仪器——微钻阻力仪，靠着它，我们就像长了一双透视眼，可以“看透”木心了。

微钻阻力仪原本不是用于古建筑，而是用来检测古树的，既然可以检测古树，应该也可以检测古建筑的木头吧？可古建筑中的木头和活着的古树毕竟有许多不同之处，这就需要我们摸索经验，找出适合木质构件的测量数据。

微钻阻力仪像一个长方形的铁盒子，里面装有一个60厘米长、直径只有1.5毫米的细长钻头，用它打进木头里，只在木头表面留下一个看不见的小眼，对古建筑没有什么损伤。通过连接在钻头后面的传感器，可以显示出木头内部的情况。仪器吐出的纸带上的曲线就像心电图的曲线，随着微型钻头不断钻进，曲线出现高低不平的变化。如果曲线突然从一个高峰跌落，经过一段低谷之后又开始上升，根据经验，我们就能判断这根木头出现了空心，连空心的大小都一目了然。阻力仪缺陷判定方法是：阻力仪检测曲线与探针的进入过程同步进行，如下面曲线图的横坐标为探针进入木材的深度，纵坐标为阻力仪检测值，阻力仪检测值的高低与走势反应了木构件的健康状况。阻力仪检测曲线中阻力仪检测值较高、早晚材（曲线中表现为波谷和波峰）差异明显的为健康区域，阻力仪检测曲线中阻力仪检测值较低、早晚材差异变小的为缺陷区域。

一般在一根木头上打下2到3个孔，就能确定空心有多长，是整根木头都空了，还是空了几分之一或一半，之后就可以确定医治方案了：空心小的，可以想法修补；空心厉害的，就要及时换掉。

二、地质雷达

别以为古建筑中只有木头会出问题，其实砖也一样。就拿长城来说，最早的长城修建于2000多年前的春秋战国时代，而现存的长城遗迹主要是建于14世纪的明代长城。长城城墙看起来很厚，实际上是砖砌的外皮，里面都是夯土。几百年风霜雨雪的渗透，长城城墙也会出现空心塌陷的毛病。

对付砖墙，不能用打孔钻探的方法。怎么办？我们联想到医生给病人做透视。能不能给城墙也做做透视呢？于是我们又引进了一种新技术——地质雷达电磁波检测法，这是通过发射天线向被测介质发射高频宽带脉冲电磁波，经过一些复杂的干涉过程后被接受天线捕获，然后通过反射信号与接受信号进行程序处理，最后在屏幕上显示出空鼓剖面图。

探地雷达是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，在地面通过发射天线将信号送入地下，经地层界面或目的体反射后返回地面，再由接收天线接收电磁波反射信号，通过对电磁波反射信号的时频特征和振幅特征进行分析，了解地层或目的体特征信息的方法。探地雷达广泛应用于考古、岩溶探测、砼路面板底脱空检测、隧道衬砌质量评价及路基分层等方面。

现在新开挖的地铁普遍使用一种探地雷达。盾构机开进地底后，需要了解前方的地质状况，比如有没有空洞，因为这种地底空洞很可能是存在地下水的标志，一旦挖破，水冲出来，昂贵的盾构机就可能彻底报销。

探地雷达发射的电磁波可以扫描前方20米的地层，拿来扫描长城城墙应该没问题。我们把探地雷达拉到长城，把它贴到城墙上。在探地雷达的“慧眼”下，城墙里的空洞、塌陷，都被照了个清楚。有问题的地方可以提前预警，需要维修时也能有的放矢。

三、红外热成像仪

红外热成像仪能用红外相机测得文物表面的温度并生成描绘温度分布的热谱图，是一种与文物无接触、无损的成像检测法。红外热成像记录文物表面光学特性（发射率）的区别和现有温度梯度下的温度差别。二维高分辨率的红外相机能测得物体发出的电磁辐射，并通过软件的颜色代码转换成像。所测得的总辐射量取决于测量物发出的辐射、反射的辐射以及传输过程中的辐射增减。对古建筑空洞缺陷部位通过红外热成像法进行无损检测的理论基础源自热传导理论。在静止的基础状态下，物体和其所处的环境温度相等。

物体表面可测得其平均温度。若某部分的温度改变，会导致热流传导直至再次到达温度平衡状态。这个平衡补偿过程。首先取决于介质的热导率。若表面下方有空洞，加热后会导致表面温度的差异。空洞部位的空气具有较强的隔热作用，因此空洞上的表面部分受到加热后升温较快、冷却较慢。而（无空洞时）与表面紧密相连的部位能更快地传导表面所吸收的热量，因此其表面温度也会相应较低。（红外热成像谱图中望板2号部位温度明显高于其他位置，现场勘察该处望板确实存在劣化现象。）

有了这些先进的技术，使我国古建筑无损检测手段从定性判定逐步转变为利用科学仪器定量检测，检测技术从表层探测向深层分析过渡，无损检测精度有了很大提高。我们把新技术应用到古建筑修缮修复过程中，快速准确判定木构件的糟朽程度及病害类型，为修缮设计提供依据，为建立古建筑健康档案提供基础数据，推动前期木构件无损检测成为科学系统保护木构件古建筑的基本前提和必备环节。