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预防性保护专家谈|葛家琪:砖石质古建筑安全稳定性能研究

2020-2-13 23:20| 发布者: IICC| 查看: 19| 评论: 0|原作者: 葛家琪|来自: 清源文化遗产

摘要: 清源文化遗产微信号 mobiheritage“预防性保护”目的是为减少保护工程对文物古迹的干预,通过防护、加固的技术措施和相应的管理措施减少灾害发生的可能、灾害对文物古迹造成损害、以及灾后需要采取的修复措施的强度。近年文物保护行业从单纯注重“抢救性”保护,越来越关注向‘抢救性’与‘预防性’并重的保护方式转变。为进一步研究讨论及传播“预防性保 ...

清源文化遗产
微信号 mobiheritage





“预防性保护”目的是为减少保护工程对文物古迹的干预,通过防护、加固的技术措施和相应的管理措施减少灾害发生的可能、灾害对文物古迹造成损害、以及灾后需要采取的修复措施的强度。近年文物保护行业从单纯注重“抢救性”保护,越来越关注向‘抢救性’与‘预防性’并重的保护方式转变。为进一步研究讨论及传播“预防性保护”的理念、程序、技术以及实践探索,清源文化遗产将2019年第三届上海建博会“预防性保护”同期学术论坛中吕舟、葛家琪、张之平、濮新四位专家的发言内容预防性保护案例主题展板以系列文章形式分享给大家。希望借此与大家充分交流,欢迎文末留言,共同学习!



砖石质古建筑安全稳定性能研究


葛家琪

中国航空规划设计研究总院首席专家、总结构师


尊敬的各位来宾,非常荣幸参加预防性保护论坛。我是中国航空规划设计研究总院专家葛家琪。


我的报告主要有以下三方面内容,首先我想对本届博览会的主题做一点简单的见解,谈一点个人的看法。

本届博览会的主题是齐心遗产保护,协力社会发展。


我是来自航空工业领域的一名工程师,我要思考我们作为一个典型的社会参与方,怎么能够对文物遗产保护做出自己的一点贡献。今天也是借题发挥谈谈个人的一些见解。

我们首先要了解文物保护到底需要什么?


我第一次参与文化遗产保护项目是在2003年,之后又主持设计了成都博物馆,而真正让我认识文物保护的需求实际上是汶川地震,巧合的是成都博物馆方案公示的那一天正好是2008年5月12日汶川大地震当天。


所幸在地震中除了极个别县级、文管所的老旧建筑发生了倒塌,绝大部分保存文物或展示文物的建筑没有发生大的震损。


成都市文物局局长非常沉重地跟我说:“你们在设计我们成都博物馆的时候,能不能除了保证建筑的安全,也保证我们珍贵文物的安全。”这对于我们来说是非常严峻的考验。原以为博物馆安全标准体系是完善的,但是这个事实告诉我们,实际上我们国家的规范管理体系还存在重大缺陷。


也是带着这样沉重的心情,在(成都博物院)王院长的支持下,我们启动了馆藏文物防震预防性保护项目,开展了一系列的研究。

首先来看地震的传递全过程,地震并不是一个单一频率的地震波,而是有多种频率成分的复杂波形。地震动的传递含有多个非线性的连接界面,是一个非常复杂的非线性动力系统。


地震波能量遇到跟它相似的成分就会放大,而跟它相远的,哪怕能量很高也会被馆舍过滤掉。我们必须要拆解地震动力学、结构力学以及机械力学,三个力学协力融合发展,具体采取措施才能保证安全。


我们首先开展了地震能量传播的第一阶段,也就是地震动力学到馆舍结构力学的研究。通过理论分析和1:20的振动台试验研究,发现哪怕是同一个展厅,不同部位地震能量的响应差别可以达到1.5倍以上,也就是说博物馆不同的部位,地震产生的能量是不一样的。

因为动力响应很重要的因素就是共振。红色的是建筑楼面的地震作用响应,绿色的是地震源的输入。这些现象的本质是什么?就是地震能量经过建筑物的传递以后,红色的部分是地震波传到建筑楼层的响应,传递到展柜的地震响应已经变成了建筑楼层的响应,已经和地震源的输入发生了本质的变化。实际上馆藏文物防震关键的路径就是地震能量从建筑楼层到展柜以及文物传递的过程。

国内外对这方面的研究已经非常多,但是大家都面临着一个困惑——理论结果与实践结果的背道而驰。


2017年我们在做故宫库房防震的时候查了大量的研究资料和成果,这些成果的理论分析与实践结果相差甚远,甚至是相反,没能得到一个规律性的结论。


预防性保护必须要判断文物到底有没有风险,如果地震响应说不清楚,那你怎么来判断?在2017年故宫文物库房防震方案的研究中,我们攻克了这个难关。


首先我们依托航空规划设计研究总院跨机械行业的特点以及技术优势,解决了航空领域的抗震问题。进而利用这些工作方法,对地震波在博物馆、展柜和文物的传递机理以及理论研究方法开展工作,验证了新的理论方法是可以指导实际工程的,从而解决了又一个重大的难题。我们通过大量的理论研究、试验以及工程应用,形成了中国也是世界上公认的第一部馆藏文物防震规范。


可是光有我们科技工作者协力解决技术难题还不能解决问题,我们整个社会有关各方还必须齐心。

实际上,问题出在我们国家对于馆藏文物防震与文物保护工作到地方上执行的时候,不光没有系统安全设计的技术服务费用,甚至连安全设计的条款都不敢写。


2016年上海举行的中日韩防震预防性保护的学术会上一位日本学者提到,在日本大地震当中,他们的遗产有的采用抗震保护措施,还有的采用隔震保护措施,但是文物依然有大量的损坏。而现在我国很多的预防性保护项目连防震设计都不进行,结果可想而知。


作为我们国家馆藏文物防震规范的编制单位之一,我对这个问题非常焦虑,我经常在不同的场合呼吁,在住建系统的博物馆建设中,哪怕是一个门卫室也要进行防震安全设计才能验收,对于我们更重要的文物为什么不做防震安全设计?

这是一个预防性保护的大会,我们就问题谈问题。我可以有信心地说,这些问题在不远的将来能够得到解决。去年(2018年)国家文物局、工信部、科技部联合颁布的《文物保护装备发展纲要》中明确提出了“整体设计能力与装备提供能力要并重”。未来对于预防性保护,我认为安全设备“被晾在一边”的问题会很快被解决。


关于预防性保护,作为一名科技工作者,我想从我的角度谈一谈对预防性保护的理解。


随着我们国家进入到高质量的发展阶段,国家已经高度重视文化建设,文物的保护、文化遗产的保护已经从抢救性保护进入预防性保护阶段。

作为一名科技工作者,我的理解是要实现预防性保护,必须要解决三大科学问题,第一是如何预判文物是否存在风险;第二是有什么措施能防范风险;第三是如何科学地利用措施有效地降低风险。

5·12 汶川地震关于古建筑的震害现象是距离汶川地震震中比较远的文星塔倒塌,但是比较近的羌寨碉楼却屹立不倒,它离震中这么近,而且据我们所知,历史上经历过三次大地震都没有倒塌。如果用现代抗震设计理念没办法解释,必须回归到原始的技艺问题,也就是古建筑跟现代建筑相比到底有什么样的不同抗震机理?

我是现代建筑结构工程师,对于古建筑研究不深。我理解木结构古建筑主要是通过榫卯接触连接,砖石质古建筑是通过灰缝连接。它们是通过古建筑自重压力在施工过程中产生摩擦,通过接触摩擦产生抗力,最后构成了结构体系的承载力。而现代的建筑是靠钢筋混凝土之间的粘结或钢结构构件间的焊接实现连接,也就是现代建筑从结构角度来说是连续整体的结构。


这样看来,我们的古建筑从承载机理来看与现代建筑有本质的区别。


搞清楚承载机理之后,我们对于古建筑稳定方法进行了研究。砖墙灰缝粘结强度比较大的时候,粘结系数高,在地震作用下会很快从结构根部发生倒塌。如果古建筑经过千百年后,粘结力几乎退化为零,粘结系数很低,在地震作用下,反倒是会更晚倒塌。平时看似没有问题的墙体在地震作用下也会变形甚至倒塌。


我们用现代的建筑理论没办法解读古建筑,但我想告诉大家一个事实:不是现代科技解释不了古建筑的安全问题,只要有一个恰当的理论,完全可以解释古建筑的安全问题。古建筑别看它平时弱不禁风,但是强能量来的时候,它的构造和承载机理会很好地释放地震能量,这实际上是跟我们国家古代 “以柔克刚”的哲学思想一脉相承。

我们要预判一个古建筑的安全风险取决于两大因素,一是外界因素,二是文物本体的抗力,也就是它的安全阈值到底是什么。

我们现代的抗震措施已经有了很多的应用。但是,我们国家已经出台的古建筑保护防震与加固规范几乎没有写入任何一个实际工程当中经常采用的措施。

我跟一些单位沟通:为什么不写这些呢?他们表示这些措施都对文物本体开墙凿洞,已经影响了古建筑的现状。那有没有一些办法是不对文物本体进行侵害,比如仅仅是在文物的外部进行捆绑收紧解决呢?


木桶就是通过在外面套上一个套箍,就形成了一个容器。再看现在采用的预应力加固法,我们能不能把这种在外部进行捆绑收紧,不对文物本体进行干预这样的措施用到实际工程里?


我本人对于钢结构有着非常多的研究,近二十年,我就是把预应力技术应用到钢结构体系中。我的团队已经在国内设计了将近20座大型的体育场,我们也获得了国家的发明专利,并于2015年获得了国家科技进步奖。

能不能采用一种不对文物本体进行开墙凿洞,仅仅是外部捆绑收紧的办法?我们现在已经成功设计了这样的方案,这个塔1680吨,仅用了1吨多的钢索,捆绑之后大大提高了抗震承载力。

我们通过对砖石质古建筑的结构分析模型、安全阈值还有稳定风险防范措施与装备的一系列研究,已经能够预判文物是否存在风险,以及如何利用措施有效降低风险。


明年(2020年)开始我们计划与清华大学合作,开展木结构古建筑预防性保护研究,形成一套科学的古建筑风险评估方法。

我相信,通过跨学科融合,最终一定能建立国家古建筑保护的规范体系,真正实现用科学、有效的办法解决我们国家古建筑预防性保护的问题。


论坛介绍

第三届上海建博会同期学术论坛——预防性保护论坛于11月1日在上海展览中心举行。本次论坛由中国古迹遗址保护协会、清华大学建筑学院国家遗产中心、北京国文琰文化遗产保护中心、建筑遗产预防性保护江苏省重点文物科研基地(东南大学)、陕西省文物保护工程有限公司合作主办。东南大学建筑学院教授博士生导师朱光亚、清华大学建筑学院教授博士生导师吕舟、中国航空规划设计研究总院首席专家总结构师葛家琪、中国文物研究所(现为中国文化遗产研究院)原古建筑与古迹保护中心主任张之平、四川省文物局副局长濮新等多位专家做了主题演讲。

相关链接:

论坛实录 | 学术论坛三 : 预防性保护

预防性保护专家谈|吕舟:从保护技术进步看预防性保护的发展方向

*本文根据论坛发言录音整理,经葛家琪老师审定并授权发布,文中配图均来源于发言PPT。文字整理:陈竹茵、胡玥。本期排版:廷廷、胡玥。


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