从抢险修缮到治疗“未病” 长城保护科技赋能

2021-06-10 08:57:47|来源:北京日报|编辑:周经韬

从抢险修缮到治疗“未病” 长城保护科技赋能

从北向南看箭扣长城东段 詹晖摄

从抢险修缮到治疗“未病” 长城保护科技赋能

根据航拍的照片,工作人员对研究性修缮段长城做进一步测量。于丽爽摄

从抢险修缮到治疗“未病” 长城保护科技赋能

相关各方对正在抢险施工的怀柔176号敌台进行现场踏勘指导。 于丽爽摄

  北京日报记者 于丽爽

  “同游到此齐翘首,遥望人从鸟道来。”晚清诗人刘庆堂这样形容有“万里长城最险段”之称的箭扣长城。

  今年,箭扣长城保护进入新阶段:选取141号至145号敌台之间的5座敌台、4段全长约429米的边墙,开展先科研后施工的“研究性修缮”,将有大量科技手段介入,辅助修缮方案的制定、指导施工,并出一批研究成果,为日后以箭扣为代表的明代砖石长城的修缮做数据、路径、理论准备。

  这是北京,也是全国首次开展长城的研究性修缮。首批另一个项目将在延庆长城2号到5号敌台间约500米的长城上展开。由此,长城保护开启了新阶段:由注重抢救性保护向抢救性与研究性、预防性保护并重转变,由注重文物本体保护转向文化生态、遗产地环境的整体保护。

  首次为城砖红外测温

  5月19日,记者随技术团队前往箭扣长城。从停车场到城墙脚下就爬了一个多小时、歇了三次。终于登上城墙,未修缮段残砖满地,马道上浮土堆积、植物茂密,墙体局部坍塌断裂、摇摇欲坠,行进起来好像在爬野山。

  和往常不一样,这次来的工作人员除了设计组的,还加入了科技组的,他们联手为长城做细致入微的体检。

  一组给长城“测体温”,工作人员拿着相机和红外测温仪,每走几步,就选取城砖测量温度,并拍照记录位置和结果。被浮土掩埋的城砖还要用探针扎到土里测量。

  “您都想不到,最上面这层,同一块城砖,角上温度最高,53摄氏度;两块砖接缝的地方就能低五六摄氏度,背阴那面更低,才三十多摄氏度。”工作人员边记录边告诉记者。

  这样的测量以前从来没做过,但意义重大:可以通过一天中不同时段、一年中不同季节砖的温度变化,计算出长城因热胀冷缩造成的病害,并据此进行修缮和预防。

  另一组用无人机测量怀柔142号敌台“将军守关”。这座敌台伸出边墙外,好像一位将军冲锋在前。无人机一次次起飞,从各个角度对敌台进行拍摄,工作人员再结合手工测量,准确记录每一段墙、每一个拱券、每一处基石的尺寸。

  研究性修缮为什么选择这段长城?“这段长城地势多变,有陡坡段、缓坡段、平段,敌台、边墙病害残损形式多样,有空鼓、坍塌、歪闪、开裂、下沉等,敌台形式丰富,有空心有实心,为研究性修缮课题提供了针对性的目标基础。”工作人员介绍。此前,自2016年起,箭扣长城已分三期完成3000米的修缮,目前还有近6000米病害没有干预。

  研究性修缮自2021年3月开始,历时两年,到2023年3月结束。其中,第一年主要用来做研究。

  绝壁测绘用上无人机

  长城修缮引入科技手段,跟社会的高度关注不无关系。

  2016年9月20日前后,一篇主题为“最美野长城被抹平”的网文在舆论场炸开了锅。

  位于辽宁省葫芦岛市绥中县的锥子山长城是第六批全国重点文物保护单位,其大毛山段位于小河口村,民间称其为“小河口长城”,有“最美野长城”之誉。2013年7月到2014年8月这段长城实施了修缮工程。2016年9月,有人把修缮前后的对比照片发到了网上。有外媒报道称,“这段曾令人回味700年沧桑的昔日野长城,现在看起来好像是荒野中从天而降的一条水泥滑板道。”

  修缮后的长城怎么就成了“水泥滑板道”?原来,按国家文物局批复的修缮方案,“对顶部残存素土海墁重新拍实,再用三七灰土补充一层拍实,平均厚度12厘米。”三七灰土按照三分白灰七分泥土的比例调制,12厘米厚的三七灰土铺到女墙、垛口已经倒塌、只剩残败马道的长城上,可不就像水泥滑板道!

  尽管三七灰土不是水泥,但此事暴露出长城修缮当时存在,至今也没有解决的关键问题:缺乏统一标准和操作规范。

  国家文物局批复的修缮方案里提出“不改变原来的建筑形制、结构、材料和工艺”和“对文物建筑最少干预”两项原则,但“最少干预”的标准是什么?如果12厘米不是“最少”的话,多少才是?假设3厘米从风貌上看是“最少”,那能否保证残败的步道得到有效保护?

  辽宁小河口长城修缮引发的争论引起了正在进行的北京箭扣长城修缮参与各方的思考。随后启动的箭扣二期方案设计,就首次引入无人机作为辅助手段。

  “‘北京结’也就是怀柔154号敌台,北侧是个大悬崖,人下不去,测量的时候就用无人机飞,勘查的全面性提高了。”箭扣二期、三期修缮方案设计负责人赵鹏介绍。

  无人机拍摄结合人工测量收集了大量数据,据此建立数字模型。“施工前、施工后分别给151号、152号敌台建模。前后一对比发现,哎,墙上怎么多了两层砖?现场一看,确实没必要,拆了。再做前后对比,发现走势、形态、残损度等都没变。”赵鹏介绍。

  二期还首次尝试了“先考古、后修缮”方式,与北京大学考古文博学院合作,前期开展考古清理工作,发现了百余枚石雷石弹,并留下了大量珍贵的考古图集,这丰富了学术界对不同阶段长城的认识,还有助于细化修缮方案。

  箭扣二期首次引入社会资本——腾讯公益慈善基金会捐资1000万元,给科技手段的应用提供了资金保障。今年启动的延庆段长城研究性修缮项目同样也有社会资本的支持,使得研究内容更加丰富。

  “数字建模”让病害一望即知

  延用箭扣二期的数字建模技术,2018年怀柔区在全市率先开展“长城体检”工作,拉开了怀柔“数字长城”建设的序幕。

  “从将要开工抢险修缮的长城开始,利用无人机等开展数字化采集工作,后期通过图像处理软件进行数字建模。有了数字模型,结合安装传感器实时更新数据,不到现场也能在电脑前第一时间掌握长城信息,以便于更全面、直观地分析病害发展变化规律。”怀柔区文物所工作人员王宇介绍。

  数字建模技术要求相邻两张照片的重合率要达到70%以上,拍摄一段城墙,上面和两侧三个角度都要拍;拍摄敌楼,上面、前后左右、内侧全要拍。一段100米长的城墙拍摄2000张到4000张照片很正常。

  照片输入电脑后,先按大间距选择少量照片,建立一个初步模型;再选择高密度的大量照片,逐段细化,形成最终的数字模型。通过图像处理软件形成的点云模型,跟实物的误差是毫米级的,比手工测量还要精准。而且,数字模型可以拉近了看,拉远了看,转角度看,哪儿裂了、裂多大口子都可以非常直观地看到。数字建模技术可以根据设计方案做出施工后的效果模型,有了前后对比,评审专家不用亲自爬长城,也能评价申报方案。

  截至目前,怀柔区已有176号和202号敌台、贾家关门、磨石口水关等10多处长城完成了数字存档。今后,怀柔区将通过长城抢险、修缮等项目,逐步完成全区65.4公里长城资源数字化工作,为长城留下最完整、最准确的档案。

  2020年5月底,怀柔区131名长城专职保护员有了新助手——长城电子巡检仪。它外观看上去像一个pad,保护员拿着它在长城上巡查时,每两分钟系统自动上传一次位置信息,不管是发现长城有险情还是人员有危险,都可以随时随地拍照上传,镇、区两级即时获取信息进行处置,保护长城不延时。

  “‘修文物’是不得已的补救性措施。随着越来越多科技手段的应用,能在病害发生之前掌握并进行预防,‘治未病’才能推动文物保护工作上新台阶。”怀柔区文旅局相关负责人表示。

  先科研后修缮将解若干谜题

  除箭扣段修缮工程外,2019年以来,北京市每年开展10个长城抢险项目。积累经验的同时,也提出了新课题。

  比如,目前业界普遍认为水害是长城病害第一害,排水不畅导致墙体被浸泡冬季冻涨,强度减弱,最终坍塌。但什么样的进水情况最可怕、什么部位滞水危害最大,没有明确结论。还有长城上的植物,它的根系对砖的破坏规律是什么,什么品种、什么位置、多大的树该拔,也没有相关研究成果。

  这些都有待研究性修缮去寻找答案。

  “此次研究性修缮将引入四类技术。”怀柔区文物所所长张彤介绍,遥感类技术主要针对长城本体的大环境。其中,光学遥感技术可以揭示长城本体及周围环境的历史时序演变规律;雷达遥感技术可以揭示长城本体及周围环境时序沉降规律和隐含的滑坡;无人机航拍数据可以看出变化,用数字建模可以对环境和结构进行分析。

  实验分析类技术主要针对工艺,通过化学检测、实验室分析等技术手段,对长城砖石工艺进行分析。“对有土壤覆盖的砖跟裸露在阳光下的砖做强度的对比,做风化、酥碱等破坏速率的对比,包括苔藓、微生物对砖体的破坏速率的研究。这些数据如果准确的话,覆土的清理、植物的清理,包括有些砖碎了换还是不换,都有了依据。”张彤说。

  结构分析类技术主要用于对病害墙体、地基现状的受力情况进行分析,给出修缮建议。“比如对墙体上出现的裂缝进行监测,在一定时间段内看它有没有发展变化。如果是陈旧性裂缝,已经稳定了,尽量不干预。如果是发展性裂缝,要根据数据来分析它发展的速度有多快,采取相应的保护措施。”张彤解释。

  监测类技术主要针对本体以及大环境,包括传感器监测和人工定期监测两种方式。传感器可以监测环境温湿度数据、气象数据、震动数据、光照度数据等,人工可以监测砖的含水率数据、硬度计数据、色度计数据,以及表面温度与温差采集、表面低等植物种类识别等。

  研究性修缮要全过程记录,不定期组织公众开放日,还要出科研成果。“希望出两个成果:数字化的病害推演、数字化的模拟修复。”张彤介绍。数字化病害推演是通过数据收集,总结之前病害发展规律,推演以后病害发展趋势。数字化模拟修复可以结合病害推演模型推演出采取干预措施后,病害会不会停止或停止多长时间。

  大量科技手段的应用,不但推动长城保护由注重抢救性保护向抢救性与研究性、预防性保护并重转变,也使得对长城的研究不再局限于文物本体自身,连带周边的气候条件、地质条件、植物分布、文化地理等都将成为研究对象,文物本体保护转向文化生态、遗产地环境的整体保护。

  揭秘

  长城灰浆

  到底是什么成分

  “原材料、原工艺”是文物修缮中的高频词汇,它是否放之四海而皆准?同济大学历史建筑保护实验中心团队最新发布的对“长城灰浆”的研究成果,颇具颠覆性。

  建筑学将石灰分为两大类:气硬性石灰和水硬性石灰。气硬性石灰又以氧化镁含量5%为界,分为钙质石灰与镁质石灰。相比钙质石灰,镁质石灰具有密度高、孔隙率低、吸水率低、透气率低、抗折强度高等特点,抗冻融性能更佳。

  明代修长城用的哪种石灰?

  同济团队对北京、河北多地的明长城灰浆进行取样分析发现,河北遵化样品的镁质含量超过20%,北京密云的样品大于15%,北京延庆的样品也在10%以上。可以初步判断,明代修建长城用的是镁质石灰。

  镁质石灰最终强度高,甚至可以达到弱天然水硬石灰的强度。北京段长城600多公里,大部分是明长城,可如今保存相对完整的不足十分之一。这又是为什么?

  原因之一竟然是大气污染,尤其是这些年来频发的雾霾。

  原来,镁质石灰容易受到大气污染中酸性物质的侵蚀,消耗自身与强度相关的固化成分,同时还会生成硫酸钙、硫酸镁等水溶盐。其中,硫酸镁盐溶解度大,极易受到环境温湿度的影响析出或溶解,再加上雨水、重力等影响,导致硫酸盐在长城砌体内迁移,使砖受到水溶盐污染,加剧泛碱、酥化和冻融,导致砖的强度大幅削弱,结构坍塌。

  这项研究说明,镁质石灰虽然是明长城修建的“原材料”,但随着环境条件的变化,今天已经不适合在长城修缮中继续使用了。而实际操作中,工匠们并不知道石灰有镁质石灰和钙质石灰的区别,令人啼笑皆非的是,大部分情况下他们声称使用的原材料“白灰”,其成分其实是钙质石灰。

  “原材料”不能用,今天,我们该用什么灰浆去修缮明代砖石长城?研究性修缮要回答的问题还有很多。

  观点

  长城维修是一项基于人文和科研的双重技术性工作

  北京长城文化研究院常务副院长、北京建筑大学教授 汤羽扬

  长城是国家和民族的共同记忆,保护长城就是保护那段历史记忆和故事。我们现在要做的,就是把最真实的东西保留下来。没有真实的东西,传承就失去了根基。

  没有统一的技术方法能够解决分布在上万公里地域范围内的长城所面临的残损和破坏,每个案例都需要仔细研究和对待。如何把最真实的长城保留下来?我想不能把长城保护维修看成是一项简单的工程技术性工作,而是要将其当作一项带有文化意义的技术性工作,并加强前期研究。

  当前我国的文物保护维修工作还较多停留在一般性的工程技术思维阶段,以减小干预、排除险情、安全稳定为目的,较少考虑维修技术中的文化艺术及情感传达。

  以往长城维修工程中,虽然都开展了对长城形制与作法、残损与病因的勘查,但是精细程度和研究性仍显不足,比如,原始的白灰勾缝材料构成是什么?不同部位白灰勾缝的作法是否相同?或是用什么样的工具和怎样的工序?乃至凹凸的维度细节,这些都可以反映不同时代或是工匠的技法特征。

  或许当我们把长城维修看做是一项基于人文和科学研究的双重技术性工作时,会更容易理解文物保护和文化传承的理念,也有助于技术方法的选择。如果参与长城保护修缮各阶段的技术人员通过研究,能够在工程中融入自己对历史的理解,把文物修缮工程当做科学与艺术相结合的一项活动,那么中国的文物保护工程将会迈上一个新台阶。

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