?科技賦能，共同守護下的古韻新生

作者：卜丁

被訪者：西安理工大學教授，朱才輝

首發：文物陜西

近期，西安理工大學研發的一項“磚、土古遺址病害機理及修復關鍵技術”科技創新成果為古老文化遺產帶來新生，應用電磁和面波探測、“水·土·電”監測、“病害動態”評估、“改性材料修復”“無拉應力原則的沉降控制標準”等多種相互結合的先進技術和方法，在西安鐘鼓樓、西安城墻、秦阿房宮遺址、榆林衛城等文物保護中發揮相應作用，并榮獲陜西省科學技術進步獎二等獎。

給西安鐘樓做“體檢”

當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志性建筑，不僅以造型完美、規模宏大著稱，更是全國重點文物保護單位。

它見證了無數的歷史變遷，卻在歲月的侵蝕下漸顯疲態，多數磚混結構的古建筑普遍存在著諸如裂縫、滲水或是結構老化等問題，600多歲的西安鐘樓基座，同樣存在這樣的風險。在為這座珍貴的明代建筑“就診”之前，如何精確監測病害發展和有效修復而不損害古建筑基座的原貌，成為文物保護工作中的一大難題。

由西安理工大學教授朱才輝帶領的文物科技保護團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，結合微損探測手段，在不破壞文物的情況下深入其內部，查看墻體是否有裂縫或其他損傷。相當于讓古建筑的基座去醫院做“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”，還要預防長期雨水入侵導致地下水位變化或是結構強度下降等突發情況。該團隊又用到了如土·水特征（SWCC）、水分場（TDR）和電阻率場（SER）等技術，以了解鐘樓基座內部的水份分布和結構狀況，就像用一個高精度的探測器來探測鐘樓的“內臟”。

朱才輝團隊提出一種“由表及里、內外聯動”的監控方法，給鐘樓安裝一個全方位的健康監測系統，可以實時監控它的健康狀況，一旦發現問題就能及時發出預警。

此外，該團隊還研發出一套基于“土·水·電”多場耦合體系的病害動態監測與評估方法，除做好監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報告數據，不僅可以了解鐘樓現在的健康狀況，還可以預測它未來的“健康”趨勢。

做阿房宮值班“醫生”

全國重點文物保護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難題，比如遺址的結構需要加固以防坍塌，環境的變化需要密切監控以避免損害，病害風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。朱才輝團隊需要在不破壞遺址原貌的同時，找到合適的材料和技術進行修復，同時制定出長遠的保護計劃，確保阿房宮能夠抵御未來的風雨。

針對阿房宮遺址的保護，西安理工大學研發的“病害動態監測與評估方法”不僅能夠全面了解遺址的現狀，還能及時發現并預警潛在的病害風險。這種方法的核心在于其“動態”特性，它不同于傳統的靜態評估，能夠持續跟蹤土遺址在不同環境條件下的微小變化。通過安裝的傳感器和監測設備，該團隊能夠收集到關于土遺址結構變形、穩定性、病害發展及環境響應等多方面的數據。這些數據隨后被輸入到評估系統中，進行深入地分析和評估。

評估系統的智能算法能夠根據收集到的數據，對遺址的病害風險進行實時預警，就像給遺址配備了24小時值班的“醫生”，隨時準備診斷并報告任何可能出現的健康問題，這種方法還包括對遺址保護措施的效果評估。通過對比監測數據和保護措施實施前后的變化，評估現有保護措施的有效性，并根據需要進行調整和優化。

經過多次討論、多次修改方案、多次模型實驗，最終采用“病害動態監測與評估方法”“改性材料”“提升修復工藝”等多種結合方式，成功地解決土遺址修復中的難題，這些創新技術的結合應用就像為阿房宮遺址編織一張保護的網，讓它在歷史的風雨中更加穩固。

在城墻安裝“穩定器”

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

如何在保護的同時兼顧城墻的開放使用，朱才輝團隊在深入探究城墻的內在結構和病害成因后，為城墻定制一套合身的“穩定器”，有效抵御歲月的侵蝕。

朱才輝介紹，“穩定器”的專業名詞是“基于無拉應力原則的沉降控制標準”，聽起來可能有點復雜，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出現“開裂、拉壞”的控制。簡單來說就是確保建筑的地基非常穩固，不會因為地面的沉降而受到影響。這個標準可以更有效地保護古建筑，讓它們即使在不穩定的地面上也能穩穩地站立。

還用一些數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了解現役城墻的磚土材料和內部結構損傷狀態。

該團隊提出修正的“PECK公式”和“剛度修正法（BGI）”預測公式，這些數學模型結合土體變形特性和結構剛度調整的預測技術，預測城墻在未來可能面臨的變形風險，方便管理者提前做好應對之策。

這些創新技術的集成應用，不僅為城墻的保護提供了科學的決策支持，更為觀眾提供了一個安全、可靠的參觀環境，讓人們在感受歷史厚重的同時，也能享受到現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）”預測方法可用于預測和評估“磚·土”結構在不同荷載條件下的穩定性和變形情況，在陜西多個古建項目中用來預測建筑物或基礎設施在臨近城市地下空間工程施工影響下的變形風險，預測可能出現的問題，并采取相應的措施來加固或修復，以確保結構的長期穩定和安全。

為榆林衛城“打封閉”

位于榆林市的“榆林衛城”又名“駝城”，為明代城防設施，是明延綏鎮軍事、政治、經濟、文化、交通中心和長城要塞，在歷史上具有重要的戰略地位，為全國重點文物保護單位。

如何抵御自然侵蝕和修復因歷史變遷而造成損傷，是榆林衛城保護面臨的重大挑戰。面對這些難題，朱才輝團隊不僅需要研發出適應榆林特殊地質環境的“改性修復材料”，還要制定出一套既科學又可行的修復工藝流程。這一過程充滿挑戰，從材料的選擇到工藝的優化，每一步都需要精心設計和反復試驗。

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

據朱才輝介紹，所謂的“改性修復材料”好比是骨科醫生治病用的“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定性。使用這些材料進行修復，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提供營養劑，幫助它恢復堅固和穩定。

除了給榆林衛城墻體“打封閉”，團隊還發明了幾種特別的“理療技術”，對古遺址裂縫采用粘接砌筑修復法，就像是給裂縫做一次精細的縫合手術；對墻體脫落采用裂縫注漿修復法，就像是給墻體做一次深層的“滋養”；對表面的剝蝕采用噴涂法，就像是給皮膚做一次全面的“護膚”。

朱才輝感嘆，以上項目的成功實施得到國家自然科學基金委員會、省科學技術廳、高校、實驗室、文物保護機構、設計（機械、工程）單位的幫助、指導和配合，共同解決文物保護中的眾多技術難題，讓文物保護工作者看到科技與文化相結合的無限可能，讓古老文物得到新生，這是對歷史的尊重也是對未來負責。