作者：卜丁

被訪者：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“磚、土古遺址病害機理及修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)”科技創(chuàng)新成果為古老文化遺產(chǎn)帶來新生，應(yīng)用電磁和面波探測、“水·土·電”監(jiān)測、“病害動態(tài)”評估、“改性材料修復(fù)”“無拉應(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)步獎二等獎。

給西安鐘樓做“體檢”

當(dāng)清晨第一縷陽光掠過西安鐘樓的檐角，仿佛又能聽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，更是全國重點文物保護(hù)單位。

它見證了無數(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)老化等問題，600多歲的西安鐘樓基座，同樣存在這樣的風(fēng)險。在為這座珍貴的明代建筑“就診”之前，如何精確監(jiān)測病害發(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)隊首先采用了一種叫做電磁波法（GPR）和面波法（SWS）的無損探測技術(shù)，結(jié)合微損探測手段，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“無痛體檢”，不會對鐘樓造成任何損害。

除了給古建筑基座做“體檢”，還要預(yù)防長期雨水入侵導(dǎo)致地下水位變化或是結(jié)構(gòu)強度下降等突發(fā)情況。該團(tuán)隊又用到了如土·水特征（SWCC）、水分場（TDR）和電阻率場（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，就像用一個高精度的探測器來探測鐘樓的“內(nèi)臟”。

朱才輝團(tuán)隊提出一種“由表及里、內(nèi)外聯(lián)動”的監(jiān)控方法，給鐘樓安裝一個全方位的健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控它的健康狀況，一旦發(fā)現(xiàn)問題就能及時發(fā)出預(yù)警。

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

做阿房宮值班“醫(yī)生”

全國重點文物保護(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)險需要及時評估以防止惡化。

阿房宮前殿遺址

如何讓這些古代的土堆重新“說話”，講述它們的故事，也是一項挑戰(zhàn)。朱才輝團(tuán)隊需要在不破壞遺址原貌的同時，找到合適的材料和技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，同時制定出長遠(yuǎn)的保護(hù)計劃，確保阿房宮能夠抵御未來的風(fēng)雨。

針對阿房宮遺址的保護(hù)，西安理工大學(xué)研發(fā)的“病害動態(tài)監(jiān)測與評估方法”不僅能夠全面了解遺址的現(xiàn)狀，還能及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的病害風(fēng)險。這種方法的核心在于其“動態(tài)”特性，它不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)評估，能夠持續(xù)跟蹤土遺址在不同環(huán)境條件下的微小變化。通過安裝的傳感器和監(jiān)測設(shè)備，該團(tuán)隊能夠收集到關(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)隨后被輸入到評估系統(tǒng)中，進(jìn)行深入地分析和評估。

評估系統(tǒng)的智能算法能夠根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，對遺址的病害風(fēng)險進(jìn)行實時預(yù)警，就像給遺址配備了24小時值班的“醫(yī)生”，隨時準(zhǔn)備診斷并報告任何可能出現(xiàn)的健康問題，這種方法還包括對遺址保護(hù)措施的效果評估。通過對比監(jiān)測數(shù)據(jù)和保護(hù)措施實施前后的變化，評估現(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)過多次討論、多次修改方案、多次模型實驗，最終采用“病害動態(tài)監(jiān)測與評估方法”“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”

西安城墻是國內(nèi)現(xiàn)存最完整的古城垣之一，同樣是全國重點文物保護(hù)單位。城墻墻體沉降是需要關(guān)注的問題之一，這些微弱的沉降肉眼無法感知，需要精密的儀器來對它進(jìn)行檢測。

如何在保護(hù)的同時兼顧城墻的開放使用，朱才輝團(tuán)隊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”的專業(yè)名詞是“基于無拉應(yīng)力原則的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)”，聽起來可能有點復(fù)雜，但其實它就像是一個聰明的建筑師在建造房屋時會考慮的不讓建筑基礎(chǔ)出現(xiàn)“開裂、拉壞”的控制。簡單來說就是確保建筑的地基非常穩(wěn)固，不會因為地面的沉降而受到影響。這個標(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，通過計算機來模擬地鐵施工中，城墻會不會受到傷害，會有哪些傷害。還通過原位測試技術(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)隊提出修正的“PECK公式”和“剛度修正法（BGI）”預(yù)測公式，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)測技術(shù)，預(yù)測城墻在未來可能面臨的變形風(fēng)險，方便管理者提前做好應(yīng)對之策。

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安全、可靠的參觀環(huán)境，讓人們在感受歷史厚重的同時，也能享受到現(xiàn)代科技帶來的便捷與安心。

朱才輝表示，基于“PECK公式”的“剛度修正法（BGI）”預(yù)測方法可用于預(yù)測和評估“磚·土”結(jié)構(gòu)在不同荷載條件下的穩(wěn)定性和變形情況，在陜西多個古建項目中用來預(yù)測建筑物或基礎(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，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，并采取相應(yīng)的措施來加固或修復(fù)，以確保結(jié)構(gòu)的長期穩(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、交通中心和長城要塞，在歷史上具有重要的戰(zhàn)略地位，為全國重點文物保護(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)。面對這些難題，朱才輝團(tuán)隊不僅需要研發(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。這一過程充滿挑戰(zhàn)，從材料的選擇到工藝的優(yōu)化，每一步都需要精心設(shè)計和反復(fù)試驗。

如果說朱才輝團(tuán)隊開發(fā)的無損探測技術(shù)是對城墻深處的“臨床體檢”，那么“改性修復(fù)材料”就是對不同文物“病灶”的“對癥下藥”。

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，同時具備更強的耐久性和穩(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)提供營養(yǎng)劑，幫助它恢復(fù)堅固和穩(wěn)定。

除了給榆林衛(wèi)城墻體“打封閉”，團(tuán)隊還發(fā)明了幾種特別的“理療技術(shù)”，對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，以上項目的成功實施得到國家自然科學(xué)基金委員會、省科學(xué)技術(shù)廳、高校、實驗室、文物保護(hù)機構(gòu)、設(shè)計（機械、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)合的無限可能，讓古老文物得到新生，這是對歷史的尊重也是對未來負(fù)責(zé)。