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(tái)樓閣、雕梁畫柱，甚至還有一段長(zhǎng)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(lái)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(shí)驗(yàn)基地。”基地負(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(kāi)展試驗(yàn)。

　　為長(zhǎng)城拍“CT”

　　走進(jìn)院內(nèi)，最先進(jìn)入視線的是一小段“長(zhǎng)城”城墻，高約3米，長(zhǎng)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。“這是仿照密云明代長(zhǎng)城特制的一小段模型，砌磚的材料以及技藝都盡量還原。”李福文說(shuō)。

　　即便是磚石壘就，長(zhǎng)城也會(huì)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(zhǎng)、白蟻蛀蟲啃噬等，都可能造成長(zhǎng)城的損傷，形成空鼓、塌陷等病害。大規(guī)模的變形，可以通過(guò)遙感技術(shù)和無(wú)人機(jī)來(lái)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(zhǎng)的病害，是很難從外表看出的。如果能提前定位并識(shí)別出來(lái)，進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)，就能避免更大的破壞和損傷。”來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)的錢威說(shuō)，這就需要給長(zhǎng)城做一個(gè)“CT”檢查。

　　給長(zhǎng)城做“CT”？聽(tīng)起來(lái)難度不小。“其實(shí)用的就是現(xiàn)代建筑業(yè)中經(jīng)常會(huì)使用到的探地雷達(dá)設(shè)備。”錢威解釋說(shuō)，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于道路、橋梁的病害檢測(cè)，它能夠利用高頻電磁波的反射來(lái)探測(cè)建筑的內(nèi)部情況。“有了探地雷達(dá)的輔助，可以對(duì)長(zhǎng)城病害的范圍、類型進(jìn)行識(shí)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(duì)這項(xiàng)技術(shù)在長(zhǎng)城上的應(yīng)用進(jìn)行探索。”

　　木梁上的“微創(chuàng)”手術(shù)

　　自“長(zhǎng)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(xiàng)頗有意思的試驗(yàn)——利用碳纖維對(duì)古建筑進(jìn)行加固。

　　說(shuō)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(shí)價(jià)廉的碳纖維布效果更佳。“不過(guò)，這一方法弊端也很明顯，使用時(shí)需要像包扎傷口一樣包很多圈，不僅看著丑，還會(huì)遮擋住建筑本身的模樣。”錢威說(shuō)，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?cè)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(shí)驗(yàn)。”錢威解釋說(shuō)，先在木梁的底部開(kāi)一個(gè)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(guò)這次“微創(chuàng)”手術(shù)，大梁內(nèi)部有了一根非常結(jié)實(shí)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(shí)提升了不少。我們請(qǐng)來(lái)工人幫助科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了測(cè)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(méi)有問(wèn)題。”李福文介紹說(shuō)。

　　為“術(shù)后”木梁進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)

　　在木梁的承重實(shí)驗(yàn)中，智能監(jiān)測(cè)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(gè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便研究人員對(duì)建筑的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。“術(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(shuō)。

　　今年，基地的多項(xiàng)研究還將繼續(xù)開(kāi)展新的實(shí)驗(yàn)。錢威透露，接下來(lái)研究團(tuán)隊(duì)即將引入一套新的監(jiān)測(cè)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。“新的設(shè)備主要是靈敏度會(huì)再提升，一方面看看兩套監(jiān)測(cè)設(shè)備的差別，另外還要再對(duì)填充膠的比例和種類進(jìn)行新的嘗試。”

　　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(tái)樓閣、雕梁畫柱，甚至還有一段長(zhǎng)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(lái)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(shí)驗(yàn)基地。”基地負(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(kāi)展試驗(yàn)。

　　為長(zhǎng)城拍“CT”

　　走進(jìn)院內(nèi)，最先進(jìn)入視線的是一小段“長(zhǎng)城”城墻，高約3米，長(zhǎng)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。“這是仿照密云明代長(zhǎng)城特制的一小段模型，砌磚的材料以及技藝都盡量還原。”李福文說(shuō)。

　　即便是磚石壘就，長(zhǎng)城也會(huì)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(zhǎng)、白蟻蛀蟲啃噬等，都可能造成長(zhǎng)城的損傷，形成空鼓、塌陷等病害。大規(guī)模的變形，可以通過(guò)遙感技術(shù)和無(wú)人機(jī)來(lái)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(zhǎng)的病害，是很難從外表看出的。如果能提前定位并識(shí)別出來(lái)，進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)，就能避免更大的破壞和損傷。”來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)的錢威說(shuō)，這就需要給長(zhǎng)城做一個(gè)“CT”檢查。

　　給長(zhǎng)城做“CT”？聽(tīng)起來(lái)難度不小。“其實(shí)用的就是現(xiàn)代建筑業(yè)中經(jīng)常會(huì)使用到的探地雷達(dá)設(shè)備。”錢威解釋說(shuō)，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于道路、橋梁的病害檢測(cè)，它能夠利用高頻電磁波的反射來(lái)探測(cè)建筑的內(nèi)部情況。“有了探地雷達(dá)的輔助，可以對(duì)長(zhǎng)城病害的范圍、類型進(jìn)行識(shí)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(duì)這項(xiàng)技術(shù)在長(zhǎng)城上的應(yīng)用進(jìn)行探索。”

　　木梁上的“微創(chuàng)”手術(shù)

　　自“長(zhǎng)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(xiàng)頗有意思的試驗(yàn)——利用碳纖維對(duì)古建筑進(jìn)行加固。

　　說(shuō)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(shí)價(jià)廉的碳纖維布效果更佳。“不過(guò)，這一方法弊端也很明顯，使用時(shí)需要像包扎傷口一樣包很多圈，不僅看著丑，還會(huì)遮擋住建筑本身的模樣。”錢威說(shuō)，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?cè)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(shí)驗(yàn)。”錢威解釋說(shuō)，先在木梁的底部開(kāi)一個(gè)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(guò)這次“微創(chuàng)”手術(shù)，大梁內(nèi)部有了一根非常結(jié)實(shí)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(shí)提升了不少。我們請(qǐng)來(lái)工人幫助科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了測(cè)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(méi)有問(wèn)題。”李福文介紹說(shuō)。

　　為“術(shù)后”木梁進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)

　　在木梁的承重實(shí)驗(yàn)中，智能監(jiān)測(cè)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(gè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便研究人員對(duì)建筑的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。“術(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(shuō)。

　　今年，基地的多項(xiàng)研究還將繼續(xù)開(kāi)展新的實(shí)驗(yàn)。錢威透露，接下來(lái)研究團(tuán)隊(duì)即將引入一套新的監(jiān)測(cè)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。“新的設(shè)備主要是靈敏度會(huì)再提升，一方面看看兩套監(jiān)測(cè)設(shè)備的差別，另外還要再對(duì)填充膠的比例和種類進(jìn)行新的嘗試。”