不可移動文物安全穩(wěn)定風險防控現(xiàn)狀與思考

葛家琪 柴曉明 劉金泰

摘要：應(yīng)縣木塔歷經(jīng)千百年環(huán)境劣化損傷和近代戰(zhàn)爭創(chuàng)傷，近年傾斜總量和傾斜趨勢不斷加劇。然而社會各界對木塔“是否存在失穩(wěn)倒塌風險、采用何種措施防控失穩(wěn)風險”等方面至今沒有達成共識。通過對不可移動文物安全穩(wěn)定風險科學內(nèi)涵的再理解和防控現(xiàn)狀的分析，從應(yīng)縣木塔自身結(jié)構(gòu)離散體模型特征出發(fā)，對其風險劣化損傷機理、穩(wěn)定承載機理及性能提升措施等關(guān)鍵科學技術(shù)問題進行思考，提出研究方向建議復(fù)建等比例木塔，開展傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建造技藝、連接界面耦合性能和內(nèi)部劣化損傷識別方法等基礎(chǔ)研究;研究木塔靜力穩(wěn)定風險評估準則缺失的現(xiàn)實瓶頸問題，盡早制定針對木塔傾斜失穩(wěn)風險現(xiàn)狀的應(yīng)急措施方案;完善木塔動力穩(wěn)定風險評估準則，為消除木塔穩(wěn)定風險的措施裝備開發(fā)提供理論依據(jù);基于大科學裝置開展大科學研究，實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)古建筑安全穩(wěn)定風險防控理論方法創(chuàng)新。同時提出，在應(yīng)縣木塔穩(wěn)定風險防控研究與保護應(yīng)用實踐基礎(chǔ)上，基于擬建的國家文化遺產(chǎn)科技創(chuàng)新中心大科學裝置，針對不可移動文物安全面臨的關(guān)鍵科學技術(shù)瓶頸問題，開展跨領(lǐng)域、多學科的大科學研究，必將全面推進我國不可移動文物安全穩(wěn)定風險防控理論方法的創(chuàng)新建立和技術(shù)裝備的發(fā)展應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：不可移動文物;離散體模型特征;穩(wěn)定承載機理;應(yīng)縣木塔;性能提升措施;國家文化遺產(chǎn)科技創(chuàng)新中心

引言

文物是人類歷史文化和技術(shù)文明的信息載體。不可移動文物具有體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，千百年暴露于大自然環(huán)境中。在各類風險源耦合物理場所致劣化作用下，文物存在損傷、甚至倒塌等安全穩(wěn)定風險。損傷可以修補、倒塌也可以修復(fù)，但是都會造成文物所蘊含的人類歷史價值、文明信息不可估量且無法挽回的損失。國內(nèi)外對此開展了大量的研究和實踐，然而不可移動文物安全穩(wěn)定損毀事故依然常見[1-3]，仍是國際性重大科學技術(shù)難題。

應(yīng)縣木塔（以下簡稱“木塔”）始建于遼清寧二年（1056年），已經(jīng)屹立近千年。木塔主體高度約65米，底層面寬約30米，沿豎向有5個作為佛教閣樓的明層和4個作為閣樓基座的暗層。明層由內(nèi)槽8根柱、外槽24根柱、普柏枋與闌額構(gòu)成，暗層分成鋪作層和平坐層，暗層木構(gòu)件之間通過鋪作巧妙插接，形成整體剛度非常大的結(jié)構(gòu)層。沿豎向間隔布置的明、暗層在滿足多層寺院功能的同時，使木塔整體結(jié)構(gòu)剛?cè)岵婢吡己玫呢Q向與水平、靜力與動力承載能力，代表著中國古建筑營造技術(shù)文明的巔峰，也是中國古典“以柔克剛”哲學思想的完整體現(xiàn)。

木塔歷經(jīng)千百年風吹、日曬、雨淋、地震等劣化損傷累積，還能夠屹立不倒，歷代工匠的恰當維修功不可沒。但是進入近現(xiàn)代之后，幾次戰(zhàn)爭對木塔造成了局部嚴重殘損。由于其時國力薄弱、傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)營造技術(shù)能力嚴重下降，1935年“修復(fù)”時在不明木塔穩(wěn)定機理的情況下，對其部分關(guān)鍵部件予以拆除，遭受八百余年來“最大的厄運”[4]。近年木塔傾斜的趨勢及總量不斷加劇[5]，存在著局部甚至整體失穩(wěn)風險。然而文物歷史、科學研究、工程技術(shù)等社會各界對木塔“是否存在失穩(wěn)倒塌風險、采用何種措施防控失穩(wěn)風險”等方面至今無法達成共識，迫切需要對不可移動文物安全穩(wěn)定風險科學內(nèi)涵、防控理論方法缺失等現(xiàn)狀和根源進行深入思考。

一、不可移動文物安全穩(wěn)定風險

（一）風險源類別

國際文物保護和修復(fù)研究中心（ICCROM）把世界文化遺產(chǎn)面臨的風險分類為火災(zāi)、地震、洪水、武裝沖突、海嘯、人類活動（故意破壞、盜竊、掠奪、縱火、爆炸性工具的使用、突發(fā)交通事故）、不當維護、工業(yè)污染等，還應(yīng)包括風吹、日曬、雨雪、地基沉降等風險源。以上風險源從文物安全穩(wěn)定保護維度可劃分為三類：第一類如火山爆發(fā)或地震引發(fā)的海嘯、暴雨引發(fā)的山洪，以及戰(zhàn)爭等科技手段無法抗拒也難以進行科學預(yù)防的風險，只能通過文物整體遷移、國際立法等規(guī)避風險。第二類是火災(zāi)、雷擊、洪水、人為破壞、盜竊、動物損壞等基本不與風、雨、雪、地震等風險源物理場發(fā)生耦合作用的孤立型風險，可通過防火、防雷、防洪、防盜、防畜等各自成體系的安防措施控制文物風險。第三類是風吹、日曬、雨雪、人類正?；顒雍奢d、地基沉降、工業(yè)振動、地震等，該類風險源形成的物理場會對文物造成損傷，在日?；蚨虝r間內(nèi)對文物不構(gòu)成威脅，但該類風險源造成的損傷會不斷累積而發(fā)生耦合作用效應(yīng);該類風險致文物損傷涉及文物本體基本性能、建筑結(jié)構(gòu)力學、巖土工程力學、水文、地質(zhì)、氣象、地震等多學科融合，是復(fù)雜的耦合系統(tǒng)科學技術(shù)問題。

（二）安全穩(wěn)定風險識別

對于不同組合的“風險源+載體+防控目標”，安全穩(wěn)定性有著不同的科學內(nèi)涵?，F(xiàn)代工程界將廣義的安全性定義為各種荷載作用下保護重要圍護設(shè)施不受損害、人員不受傷害，以及防止結(jié)構(gòu)破壞倒塌的能力，是結(jié)構(gòu)工程最重要的質(zhì)量指標[6];工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載和其他作用的影響下處于某種平衡狀態(tài)，或在外界擾動下雖然偏離其平衡位置，但外界擾動停止后仍能自動回到初始平衡位置，稱其具有穩(wěn)定性[7]，即結(jié)構(gòu)具有防結(jié)構(gòu)倒塌破壞的能力。在實際工程安全風險控制時，狹義地將前一種能力定義為安全性，后一種能力定義為穩(wěn)定性，這已成為工程界的習慣和共識。不可移動文物經(jīng)歷千百年環(huán)境劣化侵蝕，隨著劣化損傷的不斷累積或遭遇地震、強風等突發(fā)物理場增量作用，文物會進入危險狀態(tài)，現(xiàn)象上分為文物損傷危險和倒塌破壞兩種極限狀態(tài)，與風險評價對應(yīng)的就是文物的安全性和穩(wěn)定性。

不可移動文物在日常風吹、日曬、雨雪、人類活動荷載、地基沉降、工業(yè)振動、小震等多物理場耦合作用下，會發(fā)生老化、裂縫、變形、強度降低等劣化損傷效應(yīng)。當這些劣化損傷總量控制在人類正常生產(chǎn)、活動時所能接受的狀態(tài)，以及文物歷史、藝術(shù)價值損失所能接受的狀態(tài)，即定義為“安全極限”狀態(tài)。反之就為不安全極限狀態(tài)，如：我國大量古建筑、石窟寺等不可移動文物雖然沒有倒塌風險，但普遍存在老化、裂縫、變形過大，對其內(nèi)飾壁畫、雕塑等產(chǎn)生損害，造成歷史文化信息缺失，甚至局部脫落，造成人員傷害和更大的歷史文化價值損失。

工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題主要有平衡分岔失穩(wěn)和極值點失穩(wěn)，其中極值點失穩(wěn)主要針對含初始缺陷的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，是不可移動文物實際最常遇到的失穩(wěn)類型。不可移動文物作為人類社會歷史文明的載體已存在千百年，各種風險源造成的劣化損傷也在不斷累積。當劣化損傷的累積量達到某一臨界狀態(tài)，會由量變發(fā)生質(zhì)變，即：風險源物理場增量微?。ㄉ踔敛辉黾樱┣闆r下，劣化損傷量仍持續(xù)加大直至文物整體結(jié)構(gòu)失去平衡，定義為達到“靜力穩(wěn)定”極限狀態(tài)而倒塌破壞，正是“千里之堤，潰于蟻穴”的道理。如：平遙古城南城墻年久失修倒塌，扶風法門寺塔開裂倒塌，麥積山石窟歷史上曾經(jīng)發(fā)生過大規(guī)模的山體巖體垮塌破壞，西安明代秦王府城墻局部突然坍塌。山西應(yīng)縣木塔由于近千年風險源物理場耦合作用造成的損傷累積過大，存在局部甚至整體靜力失穩(wěn)的風險（圖1）。

風險源造成的劣化損傷也可能并未致使文物達到靜力穩(wěn)定極限狀態(tài)（失穩(wěn)臨界點），但若遭遇非正常突發(fā)自然災(zāi)害（如地震、強風等），損傷突然加大而造成文物整體失去平衡，定義為達到“動力穩(wěn)定”極限狀態(tài)而倒塌破壞。如汶川地震中綿陽安縣文星塔和鹽亭筆塔倒塌及大量磚石質(zhì)古建筑震損;甘肅武威天梯山石窟僅在1927年的武威大地震中就震毀洞窟十余處，2008年的汶川大地震中許多石窟寺遺產(chǎn)都受到了嚴重且不可修復(fù)的破壞;古建筑木結(jié)構(gòu)具有較好的防震能力，在強震作用下常有“墻倒而屋不塌”的良好表現(xiàn)，汶川地震中僅有都江堰二王廟戲樓及東西配殿等少量倒塌（圖2），但許多古建筑產(chǎn)生難以修復(fù)的嚴重變形，加大了其在日常風險源作用下靜力失穩(wěn)的風險程度。

總之，不可移動文物歷經(jīng)千百年風吹、日曬、雨雪、地震等各類風險源侵蝕的劣化損傷后，盡管在正常使用狀態(tài)的多物理場耦合作用下屹立不倒，但仍存在兩類典型損毀風險：一是風險劣化損傷累積量加大，會造成文物本體局部脫落傷人、內(nèi)飾壁畫等文物價值受損等安全隱患;二是千百年劣化損傷累積量足夠大到由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變而發(fā)生靜力失穩(wěn)，或是在地震等突發(fā)自然災(zāi)害下發(fā)生動力失穩(wěn)。

（三）劣化損傷風險分析

外部各類風險源的耦合物理場量值與其對文物本體產(chǎn)生的劣化損傷程度之間，存在內(nèi)在聯(lián)系的科學規(guī)律，即劣化機理。它取決于文物本體材料構(gòu)件尺度、構(gòu)造連接方式（榫卯、斗拱、灰縫等）、營造技藝、整體幾何形制、地基基礎(chǔ)條件等基本性能要素，相同的風險源對不同文物會造成不同的劣化損傷程度。揭示劣化機理主要依靠理論數(shù)值模型研究、實驗?zāi)Ｐ蜋z測和文物本體監(jiān)測相結(jié)合的風險分析方法。 首先是建立符合文物機理特征的風險分析數(shù)值模型。通過數(shù)值模型的靜、動力學仿真分析，求解風險物理場對文物的劣化損傷程度。風險分析數(shù)值模型的正確性與可直接檢測到的文物材料、連接形式、整體幾何形制和外部損傷程度有關(guān)，同時與難以直接檢測得到的文物構(gòu)造連接界面的耦合性能（如榫卯、灰縫的摩擦系數(shù)）、本體已累積的內(nèi)部損傷程度等有著很大的關(guān)系，甚至對文物劣化損傷總量的分析預(yù)測的準確性起著決定作用。

由于目前的無損檢測裝備和性能參數(shù)識別方法還難以獲得文物本體各種界面耦合性能參數(shù)和內(nèi)部劣化損傷累積程度，又不允許從文物本體中進行大量采樣去開展實驗，合理可行的辦法是建設(shè)科研實驗中心。在科研實驗中心中模擬各類風險源耦合物理場，系統(tǒng)開展世界文化遺產(chǎn)及國家重要不可移動文物的大比例模型實驗.得到文物模型實驗檢測數(shù)據(jù);同時結(jié)合該類文物現(xiàn)場本體實測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以及風險損傷數(shù)值分析結(jié)果，進行相互對比分析校驗，研究確定文物劣化損傷程度的風險分析方法。

（四）安全穩(wěn)定風險準則

通過風險分析得到不可移動文物在風險源耦合物理場作用下的劣化損傷累積量值后，判別文物是否處于不可接受的損傷極限狀態(tài)，還需要研究風險判別準則，即文物的安全指標與穩(wěn)定閥值。

不可移動文物的“安全指標”是指文物在原始狀態(tài)或者采用當時經(jīng)濟和科技能力下的性能提升措施裝備后，各類日常風險源耦合物理場對文物造成的劣化損傷程度，為人們的認識可以接受的一種度量。文物的“穩(wěn)定閾值”是指文物在日常風險源作用的劣化損傷累加過程中繼續(xù)保持整體平衡狀態(tài)的能力，或者在遭遇非正常風險源（如地震等）作用下經(jīng)歷振蕩后自行恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，是文物整體從安全狀態(tài)到失穩(wěn)狀態(tài)之間損傷累積的冗余量，為人們的認識可以接受的一種度量。

不可移動文物的安全性與穩(wěn)定性是文物本體抵抗各類風險造成劣化損傷的能力，它與損傷累積總量之間有著內(nèi)在聯(lián)系的科學規(guī)律，即文物有其自身的承載機理。文物安全穩(wěn)定性能是文物自身所具備的能力，它與風險源無關(guān)，而是取決于文物本體的材料、構(gòu)造連接方式及其界面耦合性能、營造技藝、整體幾何形制等基本性能要素。文物安全穩(wěn)定承載機理的研究是建立合理的數(shù)值分析模型、試驗?zāi)Ｐ?，?yīng)用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方法，逐級增加風險源耦合物理場量，獲得文物劣化損傷積累不斷加大到不安全狀態(tài)、再到失穩(wěn)臨界點，直至破壞的“風險源耦合物理場增量文物結(jié)構(gòu)劣化損傷累積量”非線性全過程性能曲線。

在獲得外界環(huán)境因素的風險源耦合場與文物本體劣化損傷的相互作用關(guān)系后，如何確定“為人們的認識可以接受的度量”，仍然是一個非常關(guān)鍵也很艱難的決策過程。需要自然科學、文物保護兩方面專家系統(tǒng)共同工作，確定文物安全穩(wěn)定風險判別準則。

不可移動文物首先是作為人類歷史中生活、生產(chǎn)活動的物質(zhì)載體。自然科學方面的專家系統(tǒng)通過研究“風險源耦合物理場增量文物結(jié)構(gòu)劣化損傷累積量”非線性全過程性能曲線[9][10]，判別文物結(jié)構(gòu)作為物質(zhì)載體從安全狀態(tài)直至失穩(wěn)點之前的危險性能否被接受，據(jù)此得到結(jié)構(gòu)的安全指標與穩(wěn)定閾值如圖3、4所示。

文物同時又是人類活動歷史的文明載體。各類風險源造成的劣化損傷同時也對文物的歷史、藝術(shù)等價值造成損失，必須由考古、歷史、文化和藝術(shù)等方面的文物專家系統(tǒng)，對劣化損傷造成的文物歷史、藝術(shù)等價值損失進行評估，確定文物價值損失能否被接受，得到文物價值損失允許度。

（五）風險評價與防控

文物安全穩(wěn)定風險防控的首要工作是科學的風險評價，包括兩方面工作：一是各類風險源對文物造成損傷的劣化機理研究，確定文物劣化損傷程度;二是文物自身安全穩(wěn)定性能的承載機理研究，確定文物安全指標、穩(wěn)定閾值和價值損失允許度。將風險源對文物造成的劣化損傷程度與文物安全指標、穩(wěn)定閾值進行對比，并對文物價值損失進行評估后，進行風險分級;再依據(jù)文物保護的最小干預(yù)和可逆等原則，采用不同級別的安全穩(wěn)定風險防控性能提升措施。

二、不可移動文物安全穩(wěn)定風險防

控現(xiàn)狀

隨著我國社會經(jīng)濟進入高質(zhì)量發(fā)展階段和對民族文化自信的高度重視，文物保護事業(yè)已進入搶救性與預(yù)防性保護并重的發(fā)展階段，對科學技術(shù)研究和應(yīng)用提出了新的更高要求。為貫徹文物預(yù)防性保護理念，必須解決如何識別風險、有何措施預(yù)防風險、如何合理利用措施裝備降低風險等重大科學技術(shù)問題，圍繞不可移動文物安全穩(wěn)定風險識別、風險分析、風險評價以及風險防控中的關(guān)鍵問題展開系統(tǒng)性研究，形成全鏈條風險管理體系。然而，我國不可移動文物安全穩(wěn)定風險的防控現(xiàn)狀與保護利用的迫切需求之間，還存在很大的能力差距。

（一）文物本體基本性能檢測和內(nèi)部損傷識別等手段方法缺失，是造成國內(nèi)外不可移動文物安全穩(wěn)定理論發(fā)展緩慢現(xiàn)狀的首個瓶頸問題

不可移動文物本體的材料性能、構(gòu)件尺寸、連接構(gòu)造及其界面耦合性能（如摩擦系數(shù)）、整體幾何形制及其已有劣化損傷程度等基本性能要素，是不可移動文物劣化機理分析與承載機理研究的基礎(chǔ)，也是文物安全穩(wěn)定性能風險評價與防控技術(shù)措施應(yīng)用的依據(jù)。然而我國不可移動文物形制復(fù)雜，對于大尺度、復(fù)雜拓撲的結(jié)構(gòu)，如木結(jié)構(gòu)中的大型斗棋、磚石結(jié)構(gòu)中墻體砌法和拐角連接、石窟寺的巖體結(jié)構(gòu)等，現(xiàn)有的無損檢測技術(shù)，如聲發(fā)射、超聲、熱紅外和雷達等，難以甚至無法獲得準確的建筑形制、連接界面耦合性能參數(shù)、內(nèi)部累積損傷量等基本性能參數(shù)，這是國內(nèi)外不可移動文物安全穩(wěn)定理論發(fā)展嚴重滯后的首個瓶頸問題，亟待開發(fā)針對各類損傷的新型無損檢測裝備和風險劣化所致內(nèi)部損傷的識別方法。

（二）風險分析模型與評價準則依照現(xiàn)代工程理論方法，是不可移動文物安全穩(wěn)定風險程度“無法認知”等不正確觀念形成的根源

木結(jié)構(gòu)古建筑通過榫卯、斗棋連接構(gòu)造及營造過程中產(chǎn)生的預(yù)壓力和重力摩擦力實現(xiàn)木構(gòu)件連接，形成結(jié)構(gòu)承載能力;磚石質(zhì)古建筑主要以灰縫界面之間的粘結(jié)力和重力摩擦力實現(xiàn)砌體連接，形成結(jié)構(gòu)承載能力。古建筑結(jié)構(gòu)歷經(jīng)千百年劣化，預(yù)壓力、粘結(jié)力基本喪失而呈現(xiàn)出以摩擦力為主的離散體模型特征，土遺址、石窟寺的材料和結(jié)構(gòu)的離散體特征更為突出。不可移動文物本體結(jié)構(gòu)均具有非線性離散體模型特征。現(xiàn)代建筑則依靠鋼筋與砼之間化學粘結(jié)力和鋼結(jié)構(gòu)的焊接連接實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載能力，現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)均具有彈塑性連續(xù)體模型特征。相同材質(zhì)、構(gòu)件、連接構(gòu)造方式、整體幾何形制的結(jié)構(gòu)，若連接界面耦合性能（粘結(jié)強度、摩擦系數(shù)）不同，其風險致本體損傷程度、穩(wěn)定承載能力存在差異[11-13]，甚至可能會發(fā)生質(zhì)的變化。圖5顯示的是某磚石質(zhì)塔在相同加速度幅值及頻譜地震作用下，磚縫間摩擦系數(shù)不同時，其防地震倒塌能力相差較大，且摩擦系數(shù)低時防地震倒塌能力反而更高。因此，古建筑、石窟寺、土遺址等不可移動文物與現(xiàn)代建筑和巖土工程具有不同的風險分析模型.進而有著不同劣化損傷機理和安全穩(wěn)定承載機理。

目前國內(nèi)外不可移動文物風險劣化損傷分析模型以及安全指標、穩(wěn)定閥值等風險評價準則，依據(jù)的是現(xiàn)代工程的理論方法及規(guī)范標準，甚至沒有結(jié)構(gòu)靜力安全穩(wěn)定性能指標體系，是不科學、不完善的。這是造成不可移動文物安全穩(wěn)定風險程度“不可知”、防控措施“不可靠”等不正確觀念現(xiàn)狀問題的根源。亟須建立基于不可移動文物本體結(jié)構(gòu)離散體模型特征的風險評估理論方法。

（三）目前文物安全穩(wěn)定性能提升多采用對抗風險的加固措施，不符合我國不可移動文物“以柔克剛”的承載機理，不適用

不可移動文物屹立千百年，既存在日常風險源劣化損傷積累造成的靜力失穩(wěn)風險，又面臨突發(fā)自然災(zāi)害下?lián)p傷量劇增而造成的動力失穩(wěn)風險。在突發(fā)自然災(zāi)害（如地震）作用下，不可移動文物本體結(jié)構(gòu)離散體力學模型特征，會致使古建筑結(jié)構(gòu)連接界面發(fā)生滑移和節(jié)點轉(zhuǎn)動、石窟寺和古城墻等會出現(xiàn)裂縫，雖加大了損傷，但有效耗散了風險源物理場的能量，保證文物整體不失穩(wěn)。這是不可移動文物歷經(jīng)千百年滄桑還得以生存的根本，其安全承載機理與“以柔克剛”的中國古典哲學一脈相承。

然而，目前我國不可移動文物安全穩(wěn)定風險防控主要沿用現(xiàn)代工程對抗風險的理念和加固方法，可增強其在正常風險源及小震作用下的安全性能，卻限制了文物在非正常自然災(zāi)害（如大震）發(fā)生時原本固有的耗能能力，反而會降低其動力穩(wěn)定承載能力。近年發(fā)生的歷次地震中，時常出現(xiàn)古建筑加固后震損程度加大甚至倒塌的案例。另一方面，不可移動文物修繕、加固、維護應(yīng)盡量保持其原有風貌，以確保歷史信息的原真性，而現(xiàn)行加固措施需侵入文物本體，難以實現(xiàn)最小干預(yù)文物本體且措施可逆的原則。這是文物保護領(lǐng)域懷疑現(xiàn)代工程加固技術(shù)可靠性，甚至產(chǎn)生文物安全穩(wěn)定防控“無計可施論”的根源。亟待開發(fā)與不可移動文物結(jié)構(gòu)離散體模型特征與承載機理相適應(yīng)的，兼顧靜力穩(wěn)定與動力穩(wěn)定性能提升要求的措施裝備。

（四）已建風險監(jiān)控系統(tǒng)，存在“只監(jiān)測損傷，不預(yù)測風險”的現(xiàn)實問題

預(yù)防性保護強調(diào)的是文物風險的正確識別、科學預(yù)測和預(yù)先防控。建立全面風險監(jiān)測系統(tǒng)與管控機制是提高文物保護有效性的重要舉措。目前我國對世界文化遺產(chǎn)地及國家重要不可移動文物，已建立了大量風險監(jiān)控系統(tǒng)。然而，由于判別文物危險狀態(tài)的安全指標、穩(wěn)定閾值及其理論方法的缺失，現(xiàn)有文物風險監(jiān)控系統(tǒng)沒有建立起環(huán)境風險監(jiān)測數(shù)據(jù)與風險分析模型、本體劣化機理與安全穩(wěn)定性能預(yù)警值之間的科學關(guān)系，難以為不可移動文物安全穩(wěn)定風險正確識別、科學預(yù)測和預(yù)先防控提供支撐。

（五）現(xiàn)有實驗條件能力不足以支撐文物劣化損傷與承載機理研究，是造成其安全穩(wěn)定風險防控套用現(xiàn)代工程理論方法現(xiàn)狀的主要原因之一

截至目前，我國已有的文物保護實驗室規(guī)模小、功能單一，還沒有一個能完整承擔不可移動文物保護科學理論創(chuàng)新研究和技術(shù)方法攻關(guān)的實驗中心。能夠開展不同風險源耦合物理場下不可移動文物風險分析模型、劣化損傷機理、穩(wěn)定承載機理系統(tǒng)性研究，支撐相關(guān)理論方法創(chuàng)新的大科學裝置，在國際上也還是空白。這是國內(nèi)外不可移動文物安全穩(wěn)定風險防控套用現(xiàn)代工程理論方法的主要原因之一。

三、應(yīng)縣木塔安全穩(wěn)定風險防控現(xiàn)狀與思考

中華人民共和國成立以來，國家高度重視應(yīng)縣木塔穩(wěn)定風險問題，多年來開展了大量研究、監(jiān)測和論證。研究者們對木塔的穩(wěn)定性能展開了多尺度、多維度的研究[14-17]。

風險監(jiān)測與損傷劣化機理研究方面，目前已完成了木塔材料、形制等基本信息和外觀可見的殘損檢測，配備了風險監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到近年傾斜加劇等風險現(xiàn)象，為木塔穩(wěn)定風險研究與防控管理決策提供了基礎(chǔ)[18]。但由于現(xiàn)行不可移動文物保護理論研究還沒有針對木塔內(nèi)部劣化損傷量化識別方法，對損傷發(fā)展機理認識不清;對木塔損傷（如傾斜）發(fā)展到什么程度會導(dǎo)致木塔倒塌還沒有理論判別方法和準則，已有的風險監(jiān)控系統(tǒng)暫時還不能起到預(yù)警作用。

風險分析模型方面，現(xiàn)有木塔劣化損傷分析多基于考慮材料、連接非線性影響的連續(xù)體有限元模型，不能反映木塔自身結(jié)構(gòu)實際離散體模型特征及其不具備損傷自恢復(fù)性能的特性，也因此造成至今不能正確解讀木塔風險劣化損傷發(fā)展機理和穩(wěn)定承載機理的現(xiàn)實狀況。安全指標、穩(wěn)定閾值即風險準則方面，研究者結(jié)合木塔局部模型試驗、數(shù)值分析，并參照現(xiàn)代工程抗震規(guī)范標準，按照基本完好、輕微損壞、中等損壞、嚴重破壞和倒塌五種抗震性能化水平，給定了木塔層間位移角抗震性能指標[19]。然而木塔現(xiàn)在面臨的主要穩(wěn)定風險是劣化損傷累積造成的靜力失穩(wěn)，若是利用以抗震性能研究為主得出的穩(wěn)定閥值來評判木塔靜力穩(wěn)定是不適用的。穩(wěn)定性能提升措施方面，許多造詣深厚的古建筑學者和結(jié)構(gòu)工程專家，已經(jīng)認識到以對抗風險為主的加固方法并不適用于古建筑，但是由于國內(nèi)外對古建筑穩(wěn)定風險的基本理論方法研究嚴重不足，至今沒有找到明確的方向。

基于木塔傾斜總量與趨勢加劇的危險現(xiàn)狀，以及文物與科學、學術(shù)與工程等社會各界在木塔“是否存在失穩(wěn)風險、采用何種措施防控失穩(wěn)風險”等方面至今無法達成共識的嚴峻現(xiàn)實，提出以下木塔安全穩(wěn)定風險防控的思考與建議。

（一）復(fù)建等比例木塔，開展傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建造技藝、連接界面耦合性能和內(nèi)部劣化損傷識別方法等基礎(chǔ)研究

應(yīng)縣木塔作為中國乃至世界上唯一存在近千年的純遼代木結(jié)構(gòu)古塔，其建筑形制和構(gòu)件尺度模數(shù)取自漢唐以來木結(jié)構(gòu)成熟經(jīng)驗，連接構(gòu)造遵循了遼代木結(jié)構(gòu)營造工藝。木塔明、暗層相間布置，暗層通過各種鋪作構(gòu)件插接，將松散的構(gòu)件圍合成具有強大承載力的空間結(jié)構(gòu)，木塔的構(gòu)造與建造工藝與殿堂式木結(jié)構(gòu)古建筑有著明顯不同。然而遺憾的是，有關(guān)木塔建造的原始信息資料幾乎為零。因此木塔安全穩(wěn)定的保護維修首先必須圍繞木塔特殊建筑形制，開展傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)構(gòu)造和建造技藝研究，培養(yǎng)一批技藝精湛的木作工匠。在未能充分掌握木塔特有的形制構(gòu)造、不能熟練把握傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建造技藝前，貿(mào)然對木塔進行拆解大修是不負責任的，將存在巨大風險。

木塔的材料性能、連接構(gòu)造及其界面耦合性能、劣化積累損傷程度等基本性能參數(shù)是其穩(wěn)定風險評價與防控措施應(yīng)用的基礎(chǔ)和依據(jù)。首先需要研發(fā)適用于文物現(xiàn)狀特征的無損檢測手段，解決文物本體基本性能參數(shù)的獲得與損傷累積程度識別問題。

現(xiàn)代工程以鋼、鋼筋砼等標準工業(yè)化彈（塑）性材料為主，是“先設(shè)計，后建造”，設(shè)計建設(shè)的原則就是在正常風險源物理場作用下處于彈性不損傷狀態(tài)，在非正常風險源（如中度大地震）作用下處于有損傷但基本可自恢復(fù)狀態(tài)。通過開展與本體相同材料的構(gòu)件、連接節(jié)點試樣以及縮尺整體模型的大量實驗，獲取基本性能參數(shù)、研究整體結(jié)構(gòu)承載機理，據(jù)此建立現(xiàn)代工程安全穩(wěn)定設(shè)計理論方法。

不可移動文物連接構(gòu)造及建造技藝隨著不同時代而不斷發(fā)展變化，歷經(jīng)千百年能存活下來的每個古建筑的基本信息和性能都存在自身特性，沒有規(guī)律性可查，完全不具備現(xiàn)代建筑的標準化特點;其結(jié)構(gòu)離散體模型特征致使各種風險源造成的劣化損傷基本不能自恢復(fù)而不斷累積。不可移動文物是“已存在，待評估”，不可能從文物本體中大量（甚至不允許）提取試驗樣件，更由于文物結(jié)構(gòu)中存在千百年多物理場耦合作用下的劣化累積損傷，現(xiàn)代工程由局部試驗檢測數(shù)據(jù)信息去研究評價結(jié)構(gòu)整體性能的“由局部知整體”研究方法，對于不可移動文物是不可行的。

需要建立適用于木塔本體結(jié)構(gòu)離散體模型特征的基本性能檢測與累積損傷識別方法。按與木塔相近材料、相同構(gòu)造與建造技藝，同等比例復(fù)建木塔系列足尺（大比例）局部模型和整體模型，模擬不同連接界面耦合性能參數(shù)和木塔本體各類損傷;開展日常狀態(tài)的單風險物理場、多風險源耦合物理場作用下和人工激勵作用下，木塔本體的和各類不同參數(shù)和損傷復(fù)制模型的性能檢測;通過對比分析，探究診斷木塔內(nèi)部劣化損傷的部位、程度，以及連接界面耦合性能參數(shù)的識別方法。探索適用于木塔本體結(jié)構(gòu)模型特征的“由整體測試知局部性能”的“中醫(yī)號脈式”方法，為建立木塔安全穩(wěn)定理論方法奠定基礎(chǔ)。

（二）研究木塔靜力穩(wěn)定風險評估準則缺失的現(xiàn)實瓶頸問題，盡早制定針對木塔傾斜失穩(wěn)風險現(xiàn)狀的應(yīng)急措施方案

木塔經(jīng)歷這千百年來的自然環(huán)境侵蝕、地基沉降、人類活動荷載、地震及戰(zhàn)爭等多風險源物理場耦合作用，已產(chǎn)生非常嚴重的老化、變形、開裂等劣化損傷，近年更呈現(xiàn)出傾斜總量和趨勢加劇的嚴峻現(xiàn)狀，各級政府和社會各界對木塔的穩(wěn)定風險現(xiàn)狀異常擔憂。

目前，國內(nèi)外古建筑穩(wěn)定風險防控均是依據(jù)現(xiàn)代工程理論方法。應(yīng)縣木塔所具備的高寬比現(xiàn)狀，按現(xiàn)代建筑理論方法評價是完全不存在整體穩(wěn)定風險的?，F(xiàn)代建筑由于彈塑性連續(xù)體模型特征以及“先設(shè)計、后施工”的程序，其建造原則就是在設(shè)計使用年限內(nèi)的各類風險耦合物理場作用下處于彈性或可自恢復(fù)微損傷狀態(tài)，在極端風險源（如罕遇大地震作用）下處于不發(fā)生失穩(wěn)倒塌狀態(tài)。因此，除超大跨度鋼結(jié)構(gòu)外，現(xiàn)代工程基本不存在風險損傷累積造成的靜力穩(wěn)定問題。也因此國內(nèi)外很少開展工程結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定的理論方法研究，造成了古建筑靜力穩(wěn)定風險分析理論缺失、沒有失穩(wěn)風險評估準則可依據(jù)的現(xiàn)實瓶頸問題。

這是社會各界對木塔“嚴重傾斜的現(xiàn)狀，是否會導(dǎo)致失穩(wěn)倒塌”存在巨大爭議的根源。亟須研究建立與木塔自身機理特征相符的靜力穩(wěn)定理論分析方法和風險評價準則，盡早制定針對木塔傾斜失穩(wěn)風險現(xiàn)狀的應(yīng)急措施方案。

（三）完善木塔動力穩(wěn)定風險評估準則，為消除木塔穩(wěn)定風險的措施裝備開發(fā)提供理論依據(jù) 地震、強風作為單一風險源一般不會對木結(jié)構(gòu)古建筑構(gòu)成威脅，大量理論分析研究和地震災(zāi)害現(xiàn)象表明，中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)具有良好的防地震動力穩(wěn)定性能。但是，各類自然環(huán)境及人為破壞對木塔產(chǎn)生的劣化損傷累積程度已達到1/120（塔高）的水平變形，局部立柱接近脫落邊緣。在此狀態(tài)下，若遭遇非正常突發(fā)自然災(zāi)害（如地震、強風等），極易造成木塔結(jié)構(gòu)失去平衡而發(fā)生動力失穩(wěn)倒塌破壞，成為壓垮木塔的最后一擊。以地震、強風為代表的突發(fā)自然災(zāi)害是國內(nèi)外文化遺產(chǎn)發(fā)生失穩(wěn)倒塌的重要風險因素。

在地震或其他極端荷載作用下，木塔通過結(jié)構(gòu)榫卯、斗棋等連接節(jié)點的界面摩擦、轉(zhuǎn)動耗散能量，而現(xiàn)代建筑節(jié)點具有剛性連接的特點，主要通過自身體系變形、材料的延性耗散能量，木塔結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代工程具有不同的動力耗能承載機理特征，現(xiàn)代工程地震防倒塌的（動力穩(wěn)定）閾值不適用于古建筑，需要研究與古建筑耗能機理特征相適應(yīng)的動力穩(wěn)定風險評估準則。

古建筑靜力穩(wěn)定性能提升需要采取增強文物本體結(jié)構(gòu)的措施，然而片面追求靜力穩(wěn)定性能提升的加固措施，難以滿足最小干預(yù)和可逆的文物保護原則，影響文物本體原真性和完整性。同時由于加固措施與古建筑離散體模型耗能機理不吻合，甚至會造成動力穩(wěn)定性能降低，如汶川地震震害結(jié)果表明，某些歷史修復(fù)不僅沒有對古建筑起到進一步的保護作用，相反還降低了其抗震能力[20]。

包括應(yīng)縣木塔在內(nèi)的不可移動文物生存了千百年，從來都是同時遭受包括靜力和動力特征的多種風險源耦合物理場作用。因此，必須在創(chuàng)建靜力穩(wěn)定風險判別準則、完善動力穩(wěn)定風險評估方法的基礎(chǔ)上，傳承中國古建筑“以柔克剛”的智慧，開發(fā)兼顧木塔靜力、動力穩(wěn)定性能提升的措施設(shè)備，才能彌合目前文物與科學界、學術(shù)與工程界對木塔穩(wěn)定性能提升措施的巨大爭議，真正消除木塔失穩(wěn)倒塌風險。

（四）基于大科學裝置開展大科學研究，實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)古建筑安全穩(wěn)定風險防控理論方法創(chuàng)新

古建筑風險分析模型、劣化損傷機理與安全穩(wěn)定承載機理與現(xiàn)代工程有著重大區(qū)別，需要理論方法創(chuàng)新。任何一個科學技術(shù)新理論方法的建立，僅有理論研究和數(shù)值模擬仿真分析是不完善、不能實際應(yīng)用的，必須基于大科學裝置開展大科學研究，才能解決古建筑風險防控和保護利用的迫切需求。

古建筑靜力穩(wěn)定性能實驗研究方面。現(xiàn)代工程基本不存在靜力穩(wěn)定問題，采用反力墻進行擬靜力試驗，主要目的是考察結(jié)構(gòu)連接節(jié)點及局部結(jié)構(gòu)的耗能能力;古建筑結(jié)構(gòu)面臨著非常嚴峻的靜力穩(wěn)定風險，采用反力墻主要目的是開展古建筑整體結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性能試驗;二者試驗?zāi)康暮蛯Ψ戳Φ膶嶒灄l件能力需求明顯不同。目前，國內(nèi)外對于古建筑靜力穩(wěn)定問題的實驗研究基本為空白，亟須建沒基于風險劣化損傷累積引起的古建筑靜力穩(wěn)定風險研究的高大反力墻試驗設(shè)施。

古建筑動力穩(wěn)定性能實驗研究方面。國內(nèi)外已有研究主要基于古建筑木結(jié)構(gòu)材料、榫卯與斗棋等擬靜力試驗研究，獲得構(gòu)件、連接節(jié)點的承載力與耗能本構(gòu)關(guān)系;開展足尺子結(jié)構(gòu)模型、整體縮尺模型振動臺試驗研究，再輔以整體模型的數(shù)值模擬分析，探索木結(jié)構(gòu)體系耗能與承載機理。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)已有的動力穩(wěn)定閾值主要是依據(jù)局部結(jié)構(gòu)模型試驗、整體結(jié)構(gòu)連續(xù)體有限元數(shù)值分析，并參照現(xiàn)代工程相關(guān)科研成果制定。理論分析和震害現(xiàn)象表明，已有研究方法不能完整揭示古建筑結(jié)構(gòu)動力耗能性能及動力穩(wěn)定承載機理，按此方法獲得的古建筑動力穩(wěn)定性能閥值，小于文物本體的實際動力穩(wěn)定承載能力，由此會造成對古建筑過度采用防震措施且實際防震效果不好的現(xiàn)實狀況。亟須系統(tǒng)開展古建筑足尺子結(jié)構(gòu)模型、大比例整體模型的破壞性振動臺實驗研究。

古建筑永遠不可能只面對單純類型的靜力或動力風險，古建筑的靜力穩(wěn)定與動力穩(wěn)定又有著不同承載機理和性能閾值，古建筑安全穩(wěn)定風險防控理論方法又具有科學技術(shù)原創(chuàng)性要求，需要建設(shè)以“超大型反力墻+大型地質(zhì)災(zāi)害模擬實驗臺”為核心實驗條件能力的大科學裝置。

基于大科學裝置模擬日常風險源、地基沉降等靜力風險源，以及地震等動態(tài)風險源的耦合物理場作用，開展木塔建筑材料性能、氣象環(huán)境、建筑力學、工程地質(zhì)、地震工程等多學科交叉的大科學研究：（1）依據(jù)木塔不同實驗?zāi)Ｐ团c文物本體的動力特性效應(yīng)譜測試對比分析，研究高效識別木塔薄弱部位及性能的反演方法，榫卯節(jié)點、斗棋及鋪作層中的隱蔽部位界面耦合性能以及殘損程度的識別方法;（2）構(gòu)建反映殘損的木塔穩(wěn)定風險分析模型，開展數(shù)值模擬與系統(tǒng)性試驗研究，獲得木塔結(jié)構(gòu)“風險源耦合物理場增量文物劣化損傷累積量”全過程性能圖譜，確定結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)臨界指標;建立不可移動文物價值損失評估專家系統(tǒng)，研究風險所致劣化損傷對木塔歷史、藝術(shù)、社會等價值的損失評估;建立木塔安全穩(wěn)定風險判別準則。（3）開展木塔結(jié)構(gòu)魯棒性分析確定影響整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵構(gòu)件或連接節(jié)點，研究其抵抗連續(xù)性倒塌的能力;研究契合木塔“以柔克剛”承載機理的兼顧靜力與動力穩(wěn)定性能提升需求的新型防失穩(wěn)措施裝備，并建立措施有效性評價體系。（4）建立結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，形成基于木塔監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的防失穩(wěn)快速應(yīng)急預(yù)案。（5）通過以上工作，建立符合木塔結(jié)構(gòu)劣化損傷與承載機理的安全穩(wěn)定風險防控理論方法，從根源上消除木塔穩(wěn)定風險。

四、結(jié)語

不可移動文物安全穩(wěn)定風險防控，無論是風險劣化損傷機理、安全穩(wěn)定理論和防控措施方法等科技能力現(xiàn)狀，還是劣化損傷檢測識別、承載機理實驗研究和風險監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)等條件能力現(xiàn)狀，均存在與文物保護利用現(xiàn)實需求的巨大差距。不可移動文物安全穩(wěn)定理論方法的建立，仍然是國際范圍內(nèi)的重大科技難題。中國有近百萬處文物古跡，以木結(jié)構(gòu)古建筑、石窟寺、土遺址等為代表的不可移動文物資源是中國特有的，相關(guān)安全穩(wěn)定風險防控理論、技術(shù)、方法等只能由我國自主研發(fā)建立，盲目引用源自西方的現(xiàn)代工程理論方法是不科學、不適用的。亟待建設(shè)文化遺產(chǎn)保護利用專屬的大科學裝置實驗設(shè)施體系，解決不可移動文物保護的各種科學和技術(shù)前沿問題。

應(yīng)縣木塔歷經(jīng)千百年滄桑并遭受后人不當維修，目前處于嚴重的穩(wěn)定風險狀態(tài)，國家對此高度重視。通過跨學科集成研究，揭示其劣化損傷和穩(wěn)定承載機理，采取契合我國“以柔克剛”哲學思想的穩(wěn)定性能提升技術(shù)手段，應(yīng)縣木塔將能夠穩(wěn)定屹立在新的千年。在應(yīng)縣木塔穩(wěn)定風險防控研究與保護應(yīng)用實踐基礎(chǔ)上，基于擬建的國家文化遺產(chǎn)科技創(chuàng)新中心大科學裝置，由中國文化遺產(chǎn)研究院牽頭，聯(lián)合文博科研單位、有文物保護理念和經(jīng)驗的設(shè)計單位、相關(guān)領(lǐng)域研究實力強的科研院校，共同搭建“大科學”研究平臺，針對不可移動文物安全面臨的關(guān)鍵科學技術(shù)瓶頸問題，開展跨領(lǐng)域、多學科的大科學研究，必將全面推進我國不可移動文物安全穩(wěn)定風險防控理論方法的創(chuàng)新建立和技術(shù)裝備的發(fā)展應(yīng)用。

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（責任編輯：張雙敏）