人民日报记者 武少民
古建筑是凝固的历史，传承着中华优秀传统文化。天津大学建筑历史与遗产保护科研团队在文物建筑保护、古建筑抗震方面持续深耕，揭秘古建筑中“刚柔并济”的防震智慧。
近年来，团队充分运用现代科技手段，对古建木结构的抗震机理进行系统的量化研究。团队的交叉学科融合研究成果在多个古建保护项目中得到应用，为古建保护提供更多技术支撑。
——编者
晨曦初照，阳光轻抚过天津市蓟州区独乐寺观音阁的檐角。亭台楼阁、斗拱飞檐、雕梁画栋，吸引了不少游客前来参观。独乐寺始建于唐代，其主体建筑山门和观音阁重建于公元984年。其中，独乐寺观音阁是我国现存最古老的多层木结构建筑之一。据统计，自重建以后千余年来，独乐寺不仅经受着风吹雨打，更经历20多次地震而不倒。
“古建筑是凝固的历史，传承着中华优秀传统文化。”天津大学建筑历史与遗产保护科研团队负责人丁垚说，多年来，团队在文物建筑保护领域，特别是古建筑抗震方面持续深耕，探索古建筑在保护中利用、在利用中保护。
独乐寺观音阁。人民日报记者 武少民摄
“刚柔并济”的防震智慧
“唐山大地震时，7层楼高的观音阁并无大碍。”丁垚说，“这还不是观音阁经历过的最大考验。我们查阅地方志《蓟州志》，里面记载了清代的一次地震，后经测定可能高达8.0级。”
历经强震而安然无恙，独乐寺内有一套“刚柔并济”的防震秘技。经过团队对观音阁的实地测量和研究分析，其整体设计本身就有一定的抗震优势。观音阁的平面约为长宽2∶1的矩形，中间空间最大，两边房间等比例缩小，使得结构更加稳定，也能兼顾实用和美观。硕大飘逸的屋顶增加了自重，也让观音阁遭遇地震时更具稳定性。
“想象一下，一把椅子放在地上，一推就倒了，如果上面放上重物，则不太容易被推倒。这是我国大型建筑设计的一个特点。”丁垚说。
“对于许多传统古建筑来说，四周看似稳固的朱红大柱，其实反而容易成为地震中的薄弱环节。”天津大学教授、团队成员张凤梧说，古代木结构建筑的一大弱点，就是众多立柱相互之间较为独立，在遇到强震造成的水平晃动时容易倾覆，导致整体垮塌。
张凤梧分析，独乐寺观音阁在墙体内部暗藏了许多斜撑，将立柱之间不稳定的四边形变为稳定的三角形，强化了柱网结构的整体性、稳定性。承重柱也并非只有一排，而是外檐柱18根，内檐柱10根，构成了一个大圈套小圈的回字形双层柱网。柱子间又通过梁桁斗拱等构件的连接，防止柱头、柱脚的移动。
“在‘刚’的基础上，还要预留出应对地震变形的‘柔’性余量和空间。”丁垚轻拍立柱，将其中奥秘娓娓道来——这些立柱并非与地面垂直，而是向建筑中心微微倾斜，这就是古人有意而为之的侧脚设计。当立柱受地震影响而晃动时，如果立柱垂直于地面放置，非常容易外倾倒塌。侧脚设计预留出晃动空间，则不至于立刻失稳，可更好地应对震动。
构件之间形成天然的“耗能减震器”
地震对建筑的伤害，既有上下震动，也有左右晃动。面对地震带来的水平方向的破坏，观音阁内部也暗藏玄机。
“高层建筑的中部比较脆弱，地震来袭时容易折损、扭曲、变形。古人非常有智慧，他们在观音阁的中间增加了一个暗层。”跟随丁垚登上观音阁，沿着千年前留下的木梯拾级而上，到了二层就会看到一个独特的夹层空间。俯身穿过一道高度仅一米左右的暗门，就进入了一片漆黑的暗层空间。
在手电灯光的照射下，可见梁桁斗拱相互咬合拼接，厚重泥墙里的木骨秸秆、柱子上千年前刀劈斧凿的痕迹都一览无余。与其他空间不同，这里在不同方向增加了很多斜向支撑，让暗层具备了很多三角形结构，更加稳固。
离开暗层，继续攀登，就到了观音阁的上层空间。走近观看，中空的井口形状也发生了变化。先是从一层顶部的长方形变成六角形，再到顶部变成八角形的藻井。
“对于多层建筑来说，每一层如果采用相似的几何形状，稳定性相较采取不同几何形状的建筑来说就会差一些。”丁垚说，井口形状的变化，不仅巧妙地增加了二层活动空间，也让古建筑的抗震结构更加稳定。
除此之外，木构件以榫卯工艺连接在一起，也增加了古建筑的稳定性。丁垚说，构件间留有适当的变形余量和空隙，形成天然“耗能减震器”，地震时，构件之间产生的微小错动和变形，在摩擦力的作用下会消耗大量地震能量，从而减少对建筑的冲击。
“斗拱飞檐、榫卯工艺，都蕴藏着匠心与力学结合的美。”丁垚说。
利用现代科技助力保护修缮
嗡鸣声中，无人机腾空而起，对独乐寺观音阁进行细致的航拍测绘。操作无人机的是天津大学建筑学院的研究生张伟，他专注地盯着屏幕上实时传回的画面，“通过无人机航拍，我们能够获取建筑群的整体布局和屋顶细节，便捷地采集立体化三维数据。”
在现代科技的帮助下，古建木结构的抗震机理正在系统量化。丁垚介绍，近年来，团队逐步将三维激光扫描、低空遥感等技术运用到古建筑测绘领域，形成了“空地一体化”的协同数据采集模式。
“现代科技既能让我们更深入地了解验证古人的建造理念，量化古建结构的抗震性能，也能通过系统的技术体系为预防性保护提供支撑。”张凤梧说，近年来，团队积极引入全站仪、三维激光扫描、摄影测量、探地雷达与无损检测设备等手段，对多处明清木构建筑开展了系统性调查与文献梳理，对古建木结构进行材料学、力学、结构学等方面的分析，识别威胁结构安全的各类病害，为制定针对性保护措施提供依据。
多年来，团队的交叉学科融合研究成果已在多个古建保护项目中得到应用：通过三维数据建模、人工智能识别、定期图像对比，“明长城全线图像与三维数据库”为8800多公里的明长城监测预警保护提供助力；通过精准捕捉文物本体发生的亚毫米级微小病变，“文物病变智能原位监测系统”为故宫、颐和园等历史建筑保驾护航……自2007年起，团队先后参与天津文庙、广东会馆、宝坻天尊阁等木构古建筑的修缮工程，逐步形成了一套完整的工作流程，建立了“检测—建模—评估—干预”的技术体系。
此外，新技术还为古建筑的防震监测预警筑起“防护墙”。2025年，团队在独乐寺开展地震灾害风险精细化评估，将便携式超声波木材检测仪放置在独乐寺墙角一侧，不多时，阻力值、应力波等数据跃然“屏”上。“经检测，这部分区域不存在因老化而产生的内部裂隙和腐朽空洞。”张凤梧说。
“我们不仅要了解古建筑的历史价值，还要用现代科学的方法读懂它的结构语言，有的放矢地精准监测预警，这样才能真正做到‘最小干预，最大保护’。”丁垚说。
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