不可移动文物安全稳定风险防控现状与思考

　　摘要：应县木塔历经千百年环境劣化损伤和近代战争创伤，近年倾斜总量和倾斜趋势不断加剧。然而社会各界对木塔“是否存在失稳倒塌风险、采用何种措施防控失稳风险”等方面至今没有达成共识。通过对不可移动文物安全稳定风险科学内涵的再理解和防控现状的分析，从应县木塔自身结构离散体模型特征出发，对其风险劣化损伤机理、稳定承载机理及性能提升措施等关键科学技术问题进行思考，提出研究方向建议复建等比例木塔，开展传统木结构建造技艺、连接界面耦合性能和内部劣化损伤识别方法等基础研究;研究木塔静力稳定风险评估准则缺失的现实瓶颈问题，尽早制定针对木塔倾斜失稳风险现状的应急措施方案;完善木塔动力稳定风险评估准则，为消除木塔稳定风险的措施装备开发提供理论依据;基于大科学装置开展大科学研究，实现木结构古建筑安全稳定风险防控理论方法创新。同时提出，在应县木塔稳定风险防控研究与保护应用实践基础上，基于拟建的国家文化遗产科技创新中心大科学装置，针对不可移动文物安全面临的关键科学技术瓶颈问题，开展跨领域、多学科的大科学研究，必将全面推进我国不可移动文物安全稳定风险防控理论方法的创新建立和技术装备的发展应用。

　　关键词：不可移动文物;离散体模型特征;稳定承载机理;应县木塔;性能提升措施;国家文化遗产科技创新中心

　　引言

　　文物是人类历史文化和技术文明的信息载体。不可移动文物具有体量大、结构复杂的特点，千百年暴露于大自然环境中。在各类风险源耦合物理场所致劣化作用下，文物存在损伤、甚至倒塌等安全稳定风险。损伤可以修补、倒塌也可以修复，但是都会造成文物所蕴含的人类历史价值、文明信息不可估量且无法挽回的损失。国内外对此开展了大量的研究和实践，然而不可移动文物安全稳定损毁事故依然常见[1-3]，仍是国际性重大科学技术难题。

　　应县木塔(以下简称“木塔”)始建于辽清宁二年(1056年)，已经屹立近千年。木塔主体高度约65米，底层面宽约30米，沿竖向有5个作为佛教阁楼的明层和4个作为阁楼基座的暗层。明层由内槽8根柱、外槽24根柱、普柏枋与阑额构成，暗层分成铺作层和平坐层，暗层木构件之间通过铺作巧妙插接，形成整体刚度非常大的结构层。沿竖向间隔布置的明、暗层在满足多层寺院功能的同时，使木塔整体结构刚柔并济，兼具良好的竖向与水平、静力与动力承载能力，代表着中国古建筑营造技术文明的巅峰，也是中国古典“以柔克刚”哲学思想的完整体现。

　　木塔历经千百年风吹、日晒、雨淋、地震等劣化损伤累积，还能够屹立不倒，历代工匠的恰当维修功不可没。但是进入近现代之后，几次战争对木塔造成了局部严重残损。由于其时国力薄弱、传统木结构营造技术能力严重下降，1935年“修复”时在不明木塔稳定机理的情况下，对其部分关键部件予以拆除，遭受八百余年来“最大的厄运”[4]。近年木塔倾斜的趋势及总量不断加剧[5]，存在着局部甚至整体失稳风险。然而文物历史、科学研究、工程技术等社会各界对木塔“是否存在失稳倒塌风险、采用何种措施防控失稳风险”等方面至今无法达成共识，迫切需要对不可移动文物安全稳定风险科学内涵、防控理论方法缺失等现状和根源进行深入思考。

　　一、不可移动文物安全稳定风险

　　(一)风险源类别

　　国际文物保护和修复研究中心(ICCROM)把世界文化遗产面临的风险分类为火灾、地震、洪水、武装冲突、海啸、人类活动(故意破坏、盗窃、掠夺、纵火、爆炸性工具的使用、突发交通事故)、不当维护、工业污染等，还应包括风吹、日晒、雨雪、地基沉降等风险源。以上风险源从文物安全稳定保护维度可划分为三类：第一类如火山爆发或地震引发的海啸、暴雨引发的山洪，以及战争等科技手段无法抗拒也难以进行科学预防的风险，只能通过文物整体迁移、国际立法等规避风险。第二类是火灾、雷击、洪水、人为破坏、盗窃、动物损坏等基本不与风、雨、雪、地震等风险源物理场发生耦合作用的孤立型风险，可通过防火、防雷、防洪、防盗、防畜等各自成体系的安防措施控制文物风险。第三類是风吹、日晒、雨雪、人类正常活动荷载、地基沉降、工业振动、地震等，该类风险源形成的物理场会对文物造成损伤，在日常或短时间内对文物不构成威胁，但该类风险源造成的损伤会不断累积而发生耦合作用效应;该类风险致文物损伤涉及文物本体基本性能、建筑结构力学、岩土工程力学、水文、地质、气象、地震等多学科融合，是复杂的耦合系统科学技术问题。

　　(二)安全稳定风险识别

　　对于不同组合的“风险源+载体+防控目标”，安全稳定性有着不同的科学内涵。现代工程界将广义的安全性定义为各种荷载作用下保护重要围护设施不受损害、人员不受伤害，以及防止结构破坏倒塌的能力，是结构工程最重要的质量指标[6];工程结构或构件在荷载和其他作用的影响下处于某种平衡状态，或在外界扰动下虽然偏离其平衡位置，但外界扰动停止后仍能自动回到初始平衡位置，称其具有稳定性[7]，即结构具有防结构倒塌破坏的能力。在实际工程安全风险控制时，狭义地将前一种能力定义为安全性，后一种能力定义为稳定性，这已成为工程界的习惯和共识。不可移动文物经历千百年环境劣化侵蚀，随着劣化损伤的不断累积或遭遇地震、强风等突发物理场增量作用，文物会进入危险状态，现象上分为文物损伤危险和倒塌破坏两种极限状态，与风险评价对应的就是文物的安全性和稳定性。

　　不可移动文物在日常风吹、日晒、雨雪、人类活动荷载、地基沉降、工业振动、小震等多物理场耦合作用下，会发生老化、裂缝、变形、强度降低等劣化损伤效应。当这些劣化损伤总量控制在人类正常生产、活动时所能接受的状态，以及文物历史、艺术价值损失所能接受的状态，即定义为“安全极限”状态。反之就为不安全极限状态，如：我国大量古建筑、石窟寺等不可移动文物虽然没有倒塌风险，但普遍存在老化、裂缝、变形过大，对其内饰壁画、雕塑等产生损害，造成历史文化信息缺失，甚至局部脱落，造成人员伤害和更大的历史文化价值损失。

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文章名称： 不可移动文物安全稳定风险防控现状与思考

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