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为什么要保护古建筑论文(我们为什么要保护古建筑)

2021年11月3日,人民大会堂举行隆重表彰大会,2020年度国家科学技术进步奖揭晓。在获奖单位名单中,众多大专院校和科研院所中间,“故宫博物院”几个字犹如一众现代理工男中藏着的一位古典美人,矜持婉约,扇裁而立。

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确实,不仅故宫博物院,整个文博行业都是首次获此殊荣。为故宫博物院捧回这个大奖的,是故宫学研究所研究馆员周乾博士。

为故宫牵缘科技大奖

初冬的早晨,和周乾约好在神武门碰面。神武门在故宫的最北端,高大的宫墙威严肃穆,橙黄的庑殿顶在朝霞的映衬下闪着金光,郭沫若先生所题的“故宫博物院”五个大字凝重而极富神韵。

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王川 摄

远远地,只见一人从神武门疾步而出。藏蓝色西服配白色旅游鞋,和此前周乾传来的在人民大会堂领奖时的照片一样。此人正是周乾。

简短寒暄之后,随周乾进宫。在高大的红墙间七拐八绕,转到一处安静的小院。从工作人员出入的小门进去,豁然开朗,房屋是绿色琉璃瓦硬山顶,在一片红墙黄顶的富丽堂皇中显得安静而斯文。“这就是故宫学研究所,我办公的地方。”周乾主动介绍,“这里以前是皇子们读书的地方,叫南三所,俗称阿哥所。单院长当年说,这里以前就是读书之地,现在用来搞学术研究也合适。”周乾说的单院长是故宫博物院前院长单霁翔。

一直往里走,到了最西端的一间房屋,门口柱子上贴着一张B5白纸,上面写着两个字“周乾”,不禁让人想起“对古建筑最小扰动”的工作原则。

采访是从国家科技进步奖说起的。601岁的紫禁城是如何和科技进步联系起来的呢?

荣获国家科技进步一等奖的《中国城镇建筑遗产多尺度保护理论、关键技术及应用》项目,是由东南大学、中国建筑设计研究院、中国城市规划设计研究院、故宫博物院、中科院遥感与数字地球所、中建八局和浙江大学共同完成的,这是我国建筑学领域首次产生国家科技进步奖一等奖。在这个获奖单位名单中,“故宫博物院”几个字显得与众不同,格外典雅。

故宫博物院得以参与这个项目,主要是科学评估了中国明清官式木构古建筑的抗震机制,提出了榫卯节点加固的改进方法,建立了明清官式木构古建筑不同构造、节点及结构整体精细化有限元分析模型,提升了我国木结构文物的科学保护水平。

“这个大奖对故宫博物院来说是一项荣誉,是对几代故宫人科学保护古建筑的一种肯定。”说着周乾站起身,“走,咱们去太和殿现场看一下。”

初进宫遇上太和殿

紫禁城外朝中轴线上,矗立着三座重要的建筑,由南至北分别是太和殿、中和殿、保和殿,其中太和殿俗称金銮殿,是紫禁城内规模最大、等级最高、体量最大的建筑,也是中国现存最大的木结构宫殿建筑。这里是皇帝举行重要仪式的地方,也是见证很多重要历史时刻的地方。

“我很幸运,一进宫就遇上了太和殿。”周乾幽默地说。

2003年,周乾从北京工业大学硕士毕业,所学专业是防灾减灾与防护工程,侧重于建筑结构分析与安全评估。毕业前,周乾和几名同学一起,参加了一场人才招聘会,就是在这个大集般的人才招聘会上,周乾投了多份简历,其中一份投给了故宫博物院。

很快,一家建筑设计院决定录用周乾。正当周乾准备去当一名建筑设计师的时候,故宫博物院也向周乾抛来了橄榄枝。

尽管之前只去过一次故宫,但这个世界上最大的神秘古代宫殿群还是对周乾产生了巨大的吸引力。这个曾经的帝王之家,今日的文化圣殿,是中国传统建筑文化之经典。“进宫!”周乾从此放弃了从事建筑设计的职业前景,来到故宫。“一入宫门深似海。”周乾笑着说,“故宫的学问太深了。”

初进宫周乾被分配在古建部,来报到才知道,当时整个故宫只有周乾一个人是学建筑结构专业的。不仅如此,木构古建的结构分析与安全评估,在国内起步也只有二三十年,真正从事这项工作的工程师,屈指可数。

周乾是幸运的,一进宫就赶上了太和殿百年大修。太和殿自1697年至2003年,三百余年间还从未经历过大修。“古代工匠营建修缮建筑都是采用口传心授的方式,由师傅传给徒弟,主要凭的是经验,太和殿之前的几次修缮也都是采用这样的方式。这次大修,领导要求我现场勘查后进行结构力学计算,再进行安全评估,拿出修缮建议。”这段18年前的往事,周乾至今记忆犹新。

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早年在故宫太和殿屋顶工作照

周乾被院里委任负责古建筑结构安全分析与评估工作,在这千载难逢的机遇中,周乾被古人的建筑智慧深深折服,同时也开始思考,如何更好地保护这些美轮美奂的古代宫殿。此后两年的时间里,周乾为太和殿进行了一系列“体检”,从安全角度为太和殿大修提供了重要的施工依据。

2008年,历时两年的太和殿大修终于完工,周乾在勘查计算分析后提出的修缮建议,均被采纳。今天我们看到的太和殿,就是此次大修后的样子。“这次太和殿大修,反映了中国古建筑保护人员具备了对文物采取及时有效保护的能力和水平。”周乾不无自豪地说。

从太和殿开始,故宫古建开始大面积“体检”,故宫角楼、神武门、英华殿、慈宁花园临溪亭、乾隆花园建筑群、咸福宫建筑群、建福宫建筑群……迄今已有39座古建完成了建筑安全评估。从现代结构力学的角度为故宫古建筑“体检”,这还是头一遭。

工地现场就是灵感源泉

周乾从小就爱动脑子,小时候虽然功课并不拔尖,但凡事好问个“为什么”,到了大学,爱琢磨的周乾如鱼得水,成绩很快在同学中脱颖而出,参加工作之后,这个好习惯更是被他发挥得淋漓尽致。

在太和殿大修时,一个突出的问题就是榫卯节点的加固。周乾和同事勘查发现:太和殿三次间正身顺梁出现较为严重的榫头下沉问题,下沉量约为0.1米,且与榫头相连接的童柱卯口出现开裂,而顺梁的其他部位完好。

这是怎么回事呢?周乾一面向有经验的同事学习古建筑大木构造的基本知识,一面查询相关文献,并结合有限元分析方法,建立顺梁的力学分析模型。他发现榫头破坏的主要原因是屋顶传给顺梁的重量过大,导致榫头局部受力破坏。之所以破坏发生在榫卯节点位置,而顺梁其他部位完好,主要原因是榫头与卯口在制作过程中削除了部分截面,使得该部位的抵抗力降低。

经过反复研究比较,周乾提供了几种可行的加固方案,经过专家论证,工程最终采用了传统“龙门戗”式支顶的方法加固顺梁。加固后的顺梁至今完好。

5年后,周乾从北京工业大学土木工程专业(在职)博士毕业,博士论文题目是“中国古建筑榫卯结构抗震性能与加固方法研究”,这篇论文的研究对象,就是太和殿大修工程中那根下沉顺梁的榫头。

2008年5月12日,四川汶川映秀镇发生了里氏8.0级特大地震,震中最大烈度达11度。位于距映秀镇189公里的剑阁县觉苑寺,在此次地震中受到了一定的破坏。同年7月,应当地文物保护部门请求,经国家文物局推荐,周乾和同单位古建部、工程管理处的同事共7人赴觉苑寺,开展古建筑群的震害勘查和评估。

这次评估的对象包括觉苑寺大雄宝殿、藏经楼、东西厢房、观音阁、陆游馆、文昌宫等多座建筑。交通不便、条件简陋、烈日暴晒、余震频发,周乾和队友们想方设法克服各种困难,一周之内拍摄照片3000余张,完成古建筑结构安全评估初步分析报告约3万字。

作为团队中唯一的力学专业成员,开展震后评估的重任无疑落在了周乾肩上。每天不到五点,天还没亮周乾就早早起床,仔细分析前一天勘查的照片资料,绘制当天需要勘查建筑的草图,调试各种勘查设备。天亮出发,周乾和队友们珍惜每一秒时间,拍照、画图、测量、讨论、记录,不放过古建筑每一个细节,努力做到完整、完善、科学地记录古建筑的震后现状。晚上回到驻地,大家又一起讨论古建筑保护的相关问题,定制第二天的工作计划。

知道灾区急需评估报告,回京后,周乾马不停蹄地整理勘查的图像和数据资料,迅速建立了古建筑的地震评估力学模型,模拟汶川地震作用对上述古建筑的破坏,分析不同古建筑的震害原因,提出了科学有效的保护建议。这些建议后来均为当地文物管理部门采纳。

机会总是眷顾那些有准备的人。完成对觉苑寺古建筑群的震害评估及抗震加固相关工作后,周乾根据自己的研究心得,从力学专业角度出发,撰写了《汶川地震古建筑震害研究》《汶川地震导致的壁画文物震害研究——以广元市觉苑寺大雄宝殿壁画为例》《汶川地震古建筑轻度震害研究》《汶川地震含嵌固墙体木结构震害分析》《墙倒屋不塌是我国古建筑木结构的重要抗震机理》等论文,较为全面地解读了我国古建筑木结构的构造特征、抗震机理、震害特点,以及力学分析模型的建立方法、抗震性能评定方法、科学保护与加固方法等,对于我国古建筑的抗震保护与维修加固提供了宝贵的图像和数据资料。

解码古人抗震智慧

每每站在宫殿前,端详宫殿的一梁一柱,一门一窗,周乾都有一种和古人对话的感觉——紫禁城里这么多秘密,你能破解多少?

自1420年至今,北京地区发生了大大小小的地震有222次,紫禁城均安然无恙。这其中的秘密是什么呢?

中国古建筑则以木结构为最常见,怕火但抗震性能良好。木结构古建具体是如何抗震减震的呢?能不能对其进行精准分析呢?在勘查太和殿的过程中,周乾逐渐萌生了一个大胆的想法:用现代科学解码古建秘密。

“这是柱顶石,也叫柱础。”周乾指着大殿檐柱根部的一块不起眼的石头说,“柱顶石是古代中国建筑装饰艺术的一个缩影,其主要作用就是缓冲地震。”

木制的柱子在地面很容易霉变腐败,所以垫上柱顶石,使柱子高于地面防止腐变。仔细看,柱子并不是插进柱顶石中,而是平摆浮放在柱顶石上的,立柱与柱顶石并不存在拉接关系,柱顶石顶面面积大于木柱截面面积,在发生地震时,柱子根部反复在柱顶石表面滑动,地震结束后可基本恢复到初始状态,缓冲了地震的破坏作用,具有四两拨千斤的效果。

紫禁城的营建颇像搭积木,这种“搭建”的营建方式,充分体现了中国传统木作的精巧和科学。永乐四年(1406年),明成祖朱棣下诏,以南京皇宫为蓝本,兴建北京皇宫。营建紫禁城一共用了14年时间,其中11年用于准备工作,包括去全国各地开采各种木材和石材,再运输到北京,其中过程历尽艰辛。立柱和梁枋采用榫卯方式连接,正是采取了这样的方式,古代工匠将木构件预先加工好,在现场直接安装,真正“搭建”完成紫禁城9000多间房屋,只用了短短3年时间。

紫禁城的宫殿多为庑殿顶和歇山顶,硕大的屋顶披着橙黄色的琉璃瓦,和端庄大气的红墙共同组成华丽威严的皇家色调,在黄瓦红墙之间,是青绿色的额枋以及镶着金边的斗拱。

一个个斗形和弓形的木构件环环搭扣又层层叠加,紧密而有序,尽现中国古建繁复之美。斗拱,为了满足高大宫殿屋顶出檐深远的要求而生,并逐渐发展成为屋檐下一道美丽的风景。

“斗拱是集建筑力学和美学于一体的典型。”周乾说自己在古建面前,总是习惯一边欣赏一边琢磨,喜欢从专业角度观察古建的科学原理。

“斗拱的力学智慧精华在于它的抗震本领。斗拱由木材制成,很容易产生变形并可以迅速恢复原状,斗拱在竖向由一层层构件叠加起来,就像一层层弹簧连起来。发生地震时,斗拱像弹簧一样反复做压缩、复原运动,不断消弱地震力。”周乾讲得妙趣横生,“斗拱还能产生自动恢复功能,犹如不倒翁,这是因为斗拱上部体积大但构件单体截面尺寸小,下部体积小但构件单体截面尺寸大。斗拱的重心位于斗拱的下方,在水平地震力的作用下,尽管产生摇摆但不易倾覆。”

周乾指着斗拱最底层的坐斗说:“坐斗截面尺寸最大,增大了斗拱与其底部的接触面。斗拱这种弹簧特性,从科学的角度称为‘隔震’。”周乾形象地打了一个比方,“就像霍元甲接西方拳师的拳头,倒退几步,以柔克刚。”

爱上“讲故事”的科普达人

每一座古建筑背后都有一个时代的故事,每一座古建筑都是一部木头与砖石构建的史书。作为一名古建筑专家,周乾近年来热衷于“讲故事”,讲故宫的故事,讲古建筑的故事。这样的“跨界”,源于一次偶然的经历。

2015年5月的一天,周乾推着自行车,由东向西穿过午门北广场时,遇到一名导游正兴高采烈地指着太和门屋顶,给游客们讲屋顶小兽的来源。导游说,在很久以前,天上有很多神仙,他们在一起做游戏,累了后就下凡到人间,落在屋顶上,变成了小兽。这不是胡说吗?屋顶设置小兽是因为屋脊部位的铺瓦泥很厚,导致瓦件下滑,古代工匠为了避免这个问题,在瓦上固定了铁钉,铁钉长期暴露在空气中会锈蚀,因而工匠在铁钉上做了套兽的造型。

这件事使得周乾陷入了深思。故宫古建筑有着博大的文化和历史内涵,需要去弘扬和传承,但前提是需要准确地对其进行解读。于是,周乾萌发了“准确讲好故宫故事”的想法。

从2016年开始,周乾陆续在国内多个高校、博物馆、图书馆开展故宫古建筑文化讲座,平均每年有五十余场,成为一名地道的文化使者。《故宫古建筑的力与美》《紫禁城古建筑营建思想》《图说紫禁城中轴线古建筑》《故宫古建小兽像》《故宫宫廷生活设施解密》《太和殿——建筑技艺、建筑美学与建筑文化》……每一场讲座都广受欢迎。

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登上中科院格致论道讲坛《太和殿》演讲

除了讲座,周乾还撰写了大量的适合于公众阅读的故宫古建筑文章,《紫禁城也有“报警神器”》解读了清代紫禁城内的警报装置——石别拉的构造特点和使用方法;《紫禁城里说“透风”》科普了紫禁城古建筑墙体内的立柱很少糟朽的空气动力学原理;《紫禁城的黄金外衣是怎么“穿”上的》揭秘了紫禁城金碧辉煌外观与古建筑“贴金”技艺的关系;《“一亩三分地”:古代农业发展的朴素哲学观》诠释了“一亩三分地”说法的来源及明清帝王鼓励春耕的主要做法;《雍正父子“发明”的机械风扇》介绍了紫禁城清代帝王研发的机械风扇及使用方法;《古建筑修复竟敢“偷梁换柱”》再现了故宫太和殿大修时采用的“偷梁换柱”加固技术……这些文章科学、客观、真实地解读故宫古建筑包含的古代科学、历史、文化和艺术,内容丰富有趣,周乾也坐实了古建筑界“科普达人”的称号。

从工程师、高级工程师到研究馆员,从古建专家到文化使者、科普达人,人生不设限,职场就没有天花板。周乾说:“这种无限可能正是故宫带给我的,我非常幸运。”


来源 北京日报 | 记者 刘扬

编辑 王琼

流程编辑 吴越

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文章名称:《为什么要保护古建筑论文(我们为什么要保护古建筑)》
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