不可移动文物安全稳定风险防控现状与思考

2021-06-24葛家琪柴晓明刘金泰

中国文化遗产 2021年1期

葛家琪柴晓明刘金泰

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。

工程结构的稳定问题主要有平衡分岔失稳和极值点失稳，其中极值点失稳主要针对含初始缺陷的结构或构件，是不可移动文物实际最常遇到的失稳类型。不可移动文物作为人类社会历史文明的载体已存在千百年，各种风险源造成的劣化损伤也在不断累积。当劣化损伤的累积量达到某一临界状态，会由量变发生质变，即：风险源物理场增量微小（甚至不增加）情况下，劣化损伤量仍持续加大直至文物整体结构失去平衡，定义为达到“静力稳定”极限状态而倒塌破坏，正是“千里之堤，溃于蚁穴”的道理。如：平遥古城南城墙年久失修倒塌，扶风法门寺塔开裂倒塌，麦积山石窟历史上曾经发生过大规模的山体岩体垮塌破坏，西安明代秦王府城墙局部突然坍塌。山西应县木塔由于近千年风险源物理场耦合作用造成的损伤累积过大，存在局部甚至整体静力失稳的风险（图1）。

风险源造成的劣化损伤也可能并未致使文物达到静力稳定极限状态（失稳临界点），但若遭遇非正常突发自然灾害（如地震、强风等），损伤突然加大而造成文物整体失去平衡，定义为达到“动力稳定”极限状态而倒塌破坏。如汶川地震中绵阳安县文星塔和盐亭笔塔倒塌及大量砖石质古建筑震损;甘肃武威天梯山石窟仅在1927年的武威大地震中就震毁洞窟十余处，2008年的汶川大地震中许多石窟寺遗产都受到了严重且不可修复的破坏;古建筑木结构具有较好的防震能力，在强震作用下常有“墙倒而屋不塌”的良好表现，汶川地震中仅有都江堰二王庙戏楼及东西配殿等少量倒塌（图2），但许多古建筑产生难以修复的严重变形，加大了其在日常风险源作用下静力失稳的风险程度。

总之，不可移动文物历经千百年风吹、日晒、雨雪、地震等各类风险源侵蚀的劣化损伤后，尽管在正常使用状态的多物理场耦合作用下屹立不倒，但仍存在两类典型损毁风险：一是风险劣化损伤累积量加大，会造成文物本体局部脱落伤人、内饰壁画等文物价值受损等安全隐患;二是千百年劣化损伤累积量足够大到由量变转为质变而发生静力失稳，或是在地震等突发自然灾害下发生动力失稳。

（三）劣化损伤风险分析

外部各类风险源的耦合物理场量值与其对文物本体产生的劣化损伤程度之间，存在内在联系的科学规律，即劣化机理。它取决于文物本体材料构件尺度、构造连接方式（榫卯、斗拱、灰缝等）、营造技艺、整体几何形制、地基基础条件等基本性能要素，相同的风险源对不同文物会造成不同的劣化损伤程度。揭示劣化机理主要依靠理论数值模型研究、实验模型检测和文物本体监测相结合的风险分析方法。首先是建立符合文物机理特征的风险分析数值模型。通过数值模型的静、动力学仿真分析，求解风险物理场对文物的劣化损伤程度。风险分析数值模型的正确性与可直接检测到的文物材料、连接形式、整体几何形制和外部损伤程度有关，同时与难以直接检测得到的文物构造连接界面的耦合性能（如榫卯、灰缝的摩擦系数）、本体已累积的内部损伤程度等有着很大的关系，甚至对文物劣化损伤总量的分析预测的准确性起着决定作用。

由于目前的无损检测装备和性能参数识别方法还难以获得文物本体各种界面耦合性能参数和内部劣化损伤累积程度，又不允许从文物本体中进行大量采样去开展实验，合理可行的办法是建设科研实验中心。在科研实验中心中模拟各类风险源耦合物理场，系统开展世界文化遗产及国家重要不可移动文物的大比例模型实验.得到文物模型实验检测数据;同时结合该类文物现场本体实测系统数据，以及风险损伤数值分析结果，进行相互对比分析校验，研究确定文物劣化损伤程度的风险分析方法。

（四）安全稳定风险准则

通过风险分析得到不可移动文物在风险源耦合物理场作用下的劣化损伤累积量值后，判别文物是否处于不可接受的损伤极限状态，还需要研究风险判别准则，即文物的安全指标与稳定阀值。

不可移动文物的“安全指标”是指文物在原始状态或者采用当时经济和科技能力下的性能提升措施装备后，各类日常风险源耦合物理场对文物造成的劣化损伤程度，为人们的认识可以接受的一种度量。文物的“稳定阈值”是指文物在日常风险源作用的劣化损伤累加过程中继续保持整体平衡状态的能力，或者在遭遇非正常风险源（如地震等）作用下经历振荡后自行恢复平衡状态的能力，是文物整体从安全状态到失稳状态之间损伤累积的冗余量，为人们的认识可以接受的一种度量。

不可移动文物的安全性与稳定性是文物本体抵抗各类风险造成劣化损伤的能力，它与损伤累积总量之间有着内在联系的科学规律，即文物有其自身的承载机理。文物安全稳定性能是文物自身所具备的能力，它与风险源无关，而是取决于文物本体的材料、构造连接方式及其界面耦合性能、营造技艺、整体几何形制等基本性能要素。文物安全稳定承载机理的研究是建立合理的数值分析模型、试验模型，应用理论分析与试验研究相结合的方法，逐级增加风险源耦合物理场量，获得文物劣化损伤积累不断加大到不安全状态、再到失稳临界点，直至破坏的“风险源耦合物理场增量文物结构劣化损伤累积量”非线性全过程性能曲线。

在获得外界环境因素的风险源耦合场与文物本体劣化损伤的相互作用关系后，如何确定“为人们的认识可以接受的度量”，仍然是一个非常关键也很艰难的决策过程。需要自然科学、文物保护两方面专家系统共同工作，确定文物安全稳定风险判别准则。

不可移动文物首先是作为人类历史中生活、生产活动的物质载体。自然科学方面的专家系统通过研究“风险源耦合物理场增量文物结构劣化损伤累积量”非线性全过程性能曲线[9][10]，判别文物结构作为物质载体从安全状态直至失稳点之前的危险性能否被接受，据此得到结构的安全指标与稳定阈值如图3、4所示。

文物同时又是人类活动历史的文明载体。各类风险源造成的劣化损伤同时也对文物的历史、艺术等價值造成损失，必须由考古、历史、文化和艺术等方面的文物专家系统，对劣化损伤造成的文物历史、艺术等价值损失进行评估，确定文物价值损失能否被接受，得到文物价值损失允许度。

（五）风险评价与防控

文物安全稳定风险防控的首要工作是科学的风险评价，包括两方面工作：一是各类风险源对文物造成损伤的劣化机理研究，确定文物劣化损伤程度;二是文物自身安全稳定性能的承载机理研究，确定文物安全指标、稳定阈值和价值损失允许度。将风险源对文物造成的劣化损伤程度与文物安全指标、稳定阈值进行对比，并对文物价值损失进行评估后，进行风险分级;再依据文物保护的最小干预和可逆等原则，采用不同级别的安全稳定风险防控性能提升措施。

二、不可移动文物安全稳定风险防

控现状

随着我国社会经济进入高质量发展阶段和对民族文化自信的高度重视，文物保护事业已进入抢救性与预防性保护并重的发展阶段，对科学技术研究和应用提出了新的更高要求。为贯彻文物预防性保护理念，必须解决如何识别风险、有何措施预防风险、如何合理利用措施装备降低风险等重大科学技术问题，围绕不可移动文物安全稳定风险识别、风险分析、风险评价以及风险防控中的关键问题展开系统性研究，形成全链条风险管理体系。然而，我国不可移动文物安全稳定风险的防控现状与保护利用的迫切需求之间，还存在很大的能力差距。

（一）文物本体基本性能检测和内部损伤识别等手段方法缺失，是造成国内外不可移动文物安全稳定理论发展缓慢现状的首个瓶颈问题

不可移动文物本体的材料性能、构件尺寸、连接构造及其界面耦合性能（如摩擦系数）、整体几何形制及其已有劣化损伤程度等基本性能要素，是不可移动文物劣化机理分析与承载机理研究的基础，也是文物安全稳定性能风险评价与防控技术措施应用的依据。然而我国不可移动文物形制复杂，对于大尺度、复杂拓扑的结构，如木结构中的大型斗棋、砖石结构中墙体砌法和拐角连接、石窟寺的岩体结构等，现有的无损检测技术，如声发射、超声、热红外和雷达等，难以甚至无法获得准确的建筑形制、连接界面耦合性能参数、内部累积损伤量等基本性能参数，这是国内外不可移动文物安全稳定理论发展严重滞后的首个瓶颈问题，亟待开发针对各类损伤的新型无损检测装备和风险劣化所致内部损伤的识别方法。

（二）风险分析模型与评价准则依照现代工程理论方法，是不可移动文物安全稳定风险程度“无法认知”等不正确观念形成的根源

木结构古建筑通过榫卯、斗棋连接构造及营造过程中产生的预压力和重力摩擦力实现木构件连接，形成结构承载能力;砖石质古建筑主要以灰缝界面之间的粘结力和重力摩擦力实现砌体连接，形成结构承载能力。古建筑结构历经千百年劣化，预压力、粘结力基本丧失而呈现出以摩擦力为主的离散体模型特征，土遗址、石窟寺的材料和结构的离散体特征更为突出。不可移动文物本体结构均具有非线性离散体模型特征。现代建筑则依靠钢筋与砼之间化学粘结力和钢结构的焊接连接实现结构承载能力，现代工程结构均具有弹塑性连续体模型特征。相同材质、构件、连接构造方式、整体几何形制的结构，若连接界面耦合性能（粘结强度、摩擦系数）不同，其风险致本体损伤程度、稳定承载能力存在差异[11-13]，甚至可能会发生质的变化。图5显示的是某砖石质塔在相同加速度幅值及频谱地震作用下，砖缝间摩擦系数不同时，其防地震倒塌能力相差较大，且摩擦系数低时防地震倒塌能力反而更高。因此，古建筑、石窟寺、土遗址等不可移动文物与现代建筑和岩土工程具有不同的风险分析模型.进而有着不同劣化损伤机理和安全稳定承载机理。

目前国内外不可移动文物风险劣化损伤分析模型以及安全指标、稳定阀值等风险评价准则，依据的是现代工程的理论方法及规范标准，甚至没有结构静力安全稳定性能指标体系，是不科学、不完善的。这是造成不可移动文物安全稳定风险程度“不可知”、防控措施“不可靠”等不正确观念现状问题的根源。亟须建立基于不可移动文物本体结构离散体模型特征的风险评估理论方法。

（三）目前文物安全稳定性能提升多采用对抗风险的加固措施，不符合我国不可移动文物“以柔克刚”的承载机理，不适用

不可移动文物屹立千百年，既存在日常风险源劣化损伤积累造成的静力失稳风险，又面临突发自然灾害下损伤量剧增而造成的动力失稳风险。在突发自然灾害（如地震）作用下，不可移动文物本体结构离散体力学模型特征，会致使古建筑结构连接界面发生滑移和节点转动、石窟寺和古城墙等会出现裂缝，虽加大了损伤，但有效耗散了风险源物理场的能量，保证文物整体不失稳。这是不可移动文物历经千百年沧桑还得以生存的根本，其安全承载机理与“以柔克刚”的中国古典哲学一脉相承。

然而，目前我国不可移动文物安全稳定风险防控主要沿用现代工程对抗风险的理念和加固方法，可增强其在正常风险源及小震作用下的安全性能，卻限制了文物在非正常自然灾害（如大震）发生时原本固有的耗能能力，反而会降低其动力稳定承载能力。近年发生的历次地震中，时常出现古建筑加固后震损程度加大甚至倒塌的案例。另一方面，不可移动文物修缮、加固、维护应尽量保持其原有风貌，以确保历史信息的原真性，而现行加固措施需侵入文物本体，难以实现最小干预文物本体且措施可逆的原则。这是文物保护领域怀疑现代工程加固技术可靠性，甚至产生文物安全稳定防控“无计可施论”的根源。亟待开发与不可移动文物结构离散体模型特征与承载机理相适应的，兼顾静力稳定与动力稳定性能提升要求的措施装备。

（四）已建风险监控系统，存在“只监测损伤，不预测风险”的现实问题

预防性保护强调的是文物风险的正确识别、科学预测和预先防控。建立全面风险监测系统与管控机制是提高文物保护有效性的重要举措。目前我国对世界文化遗产地及国家重要不可移动文物，已建立了大量风险监控系统。然而，由于判别文物危险状态的安全指标、稳定阈值及其理论方法的缺失，现有文物风险监控系统没有建立起环境风险监测数据与风险分析模型、本体劣化机理与安全稳定性能预警值之间的科学关系，难以为不可移动文物安全稳定风险正确识别、科学预测和预先防控提供支撑。

（五）现有实验条件能力不足以支撑文物劣化损伤与承载机理研究，是造成其安全稳定风险防控套用现代工程理论方法现状的主要原因之一

截至目前，我国已有的文物保护实验室规模小、功能单一，还没有一个能完整承担不可移动文物保护科学理论创新研究和技术方法攻关的实验中心。能够开展不同风险源耦合物理场下不可移动文物风险分析模型、劣化损伤机理、稳定承载机理系统性研究，支撑相关理论方法创新的大科学装置，在国际上也还是空白。这是国内外不可移动文物安全稳定风险防控套用现代工程理论方法的主要原因之一。

三、应县木塔安全稳定风险防控现状与思考

中华人民共和国成立以来，国家高度重视应县木塔稳定风险问题，多年来开展了大量研究、监测和论证。研究者们对木塔的稳定性能展开了多尺度、多维度的研究[14-17]。

风险监测与损伤劣化机理研究方面，目前已完成了木塔材料、形制等基本信息和外观可见的残损检测，配备了风险监测系统，监测到近年倾斜加剧等风险现象，为木塔稳定风险研究与防控管理决策提供了基础[18]。但由于现行不可移动文物保护理论研究还没有针对木塔内部劣化损伤量化识别方法，对损伤发展机理认识不清;对木塔损伤（如倾斜）发展到什么程度会导致木塔倒塌还没有理论判别方法和准则，已有的风险监控系统暂时还不能起到预警作用。

风险分析模型方面，现有木塔劣化损伤分析多基于考虑材料、连接非线性影响的连续体有限元模型，不能反映木塔自身结构实际离散体模型特征及其不具备损伤自恢复性能的特性，也因此造成至今不能正确解读木塔风险劣化损伤发展机理和稳定承载机理的现实状况。安全指标、稳定阈值即风险准则方面，研究者结合木塔局部模型试验、数值分析，并参照现代工程抗震规范标准，按照基本完好、轻微损坏、中等损坏、严重破坏和倒塌五种抗震性能化水平，给定了木塔层间位移角抗震性能指标[19]。然而木塔现在面临的主要稳定风险是劣化损伤累积造成的静力失稳，若是利用以抗震性能研究为主得出的稳定阀值来评判木塔静力稳定是不适用的。稳定性能提升措施方面，许多造诣深厚的古建筑学者和结构工程专家，已经认识到以对抗风险为主的加固方法并不适用于古建筑，但是由于国内外对古建筑稳定风险的基本理论方法研究严重不足，至今没有找到明确的方向。

基于木塔倾斜总量与趋势加剧的危险现状，以及文物与科学、学术与工程等社会各界在木塔“是否存在失稳风险、采用何种措施防控失稳风险”等方面至今无法达成共识的严峻现实，提出以下木塔安全稳定风险防控的思考与建议。

（一）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

应县木塔作为中国乃至世界上唯一存在近千年的纯辽代木结构古塔，其建筑形制和构件尺度模数取自汉唐以来木结构成熟经验，连接构造遵循了辽代木结构营造工艺。木塔明、暗层相间布置，暗层通过各种铺作构件插接，将松散的构件围合成具有强大承载力的空间结构，木塔的构造与建造工艺与殿堂式木结构古建筑有着明显不同。然而遗憾的是，有关木塔建造的原始信息资料几乎为零。因此木塔安全稳定的保护维修首先必须围绕木塔特殊建筑形制，开展传统木结构构造和建造技艺研究，培养一批技艺精湛的木作工匠。在未能充分掌握木塔特有的形制构造、不能熟练把握传统木结构建造技艺前，贸然对木塔进行拆解大修是不负责任的，将存在巨大风险。

木塔的材料性能、连接构造及其界面耦合性能、劣化积累损伤程度等基本性能参数是其稳定风险评价与防控措施应用的基础和依据。首先需要研发适用于文物现状特征的无损检测手段，解决文物本体基本性能参数的获得与损伤累积程度识别问题。

现代工程以钢、钢筋砼等标准工业化弹（塑）性材料为主，是“先设计，后建造”，设计建设的原则就是在正常风险源物理场作用下处于弹性不损伤状态，在非正常风险源（如中度大地震）作用下处于有损伤但基本可自恢复状态。通过开展与本体相同材料的构件、连接节点试样以及缩尺整体模型的大量实验，获取基本性能参数、研究整体结构承载机理，据此建立现代工程安全稳定设计理论方法。

不可移动文物连接构造及建造技艺随着不同时代而不断发展变化，历经千百年能存活下来的每个古建筑的基本信息和性能都存在自身特性，没有规律性可查，完全不具备现代建筑的标准化特点;其结构离散体模型特征致使各种风险源造成的劣化损伤基本不能自恢复而不断累积。不可移动文物是“已存在，待评估”，不可能从文物本体中大量（甚至不允许）提取试验样件，更由于文物结构中存在千百年多物理场耦合作用下的劣化累积损伤，现代工程由局部试验检测数据信息去研究评价结构整体性能的“由局部知整体”研究方法，对于不可移动文物是不可行的。

需要建立适用于木塔本体结构离散体模型特征的基本性能检测与累积损伤识别方法。按与木塔相近材料、相同构造与建造技艺，同等比例复建木塔系列足尺（大比例）局部模型和整体模型，模拟不同连接界面耦合性能参数和木塔本体各类损伤;开展日常状态的单风险物理场、多风险源耦合物理场作用下和人工激励作用下，木塔本体的和各类不同参数和损伤复制模型的性能检测;通过对比分析，探究诊断木塔内部劣化损伤的部位、程度，以及连接界面耦合性能参数的识别方法。探索适用于木塔本体结构模型特征的“由整体测试知局部性能”的“中医号脉式”方法，为建立木塔安全稳定理论方法奠定基础。

（二）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

木塔经历这千百年来的自然环境侵蚀、地基沉降、人类活动荷载、地震及战争等多风险源物理场耦合作用，已产生非常严重的老化、变形、开裂等劣化损伤，近年更呈现出倾斜总量和趋势加剧的严峻现状，各级政府和社会各界对木塔的稳定风险现状异常担忧。

目前，国内外古建筑稳定风险防控均是依据现代工程理论方法。应县木塔所具备的高宽比现状，按现代建筑理论方法评价是完全不存在整体稳定风险的。现代建筑由于弹塑性连续体模型特征以及“先設计、后施工”的程序，其建造原则就是在设计使用年限内的各类风险耦合物理场作用下处于弹性或可自恢复微损伤状态，在极端风险源（如罕遇大地震作用）下处于不发生失稳倒塌状态。因此，除超大跨度钢结构外，现代工程基本不存在风险损伤累积造成的静力稳定问题。也因此国内外很少开展工程结构静力稳定的理论方法研究，造成了古建筑静力稳定风险分析理论缺失、没有失稳风险评估准则可依据的现实瓶颈问题。

这是社会各界对木塔“严重倾斜的现状，是否会导致失稳倒塌”存在巨大争议的根源。亟须研究建立与木塔自身机理特征相符的静力稳定理论分析方法和风险评价准则，尽早制定针对木塔倾斜失稳风险现状的应急措施方案。

（三）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地震、强风作为单一风险源一般不会对木结构古建筑构成威胁，大量理论分析研究和地震灾害现象表明，中国传统木结构具有良好的防地震动力稳定性能。但是，各类自然环境及人为破坏对木塔产生的劣化损伤累积程度已达到1/120（塔高）的水平变形，局部立柱接近脱落边缘。在此状态下，若遭遇非正常突发自然灾害（如地震、强风等），极易造成木塔结构失去平衡而发生动力失稳倒塌破坏，成为压垮木塔的最后一击。以地震、强风为代表的突发自然灾害是国内外文化遗产发生失稳倒塌的重要风险因素。

在地震或其他极端荷载作用下，木塔通过结构榫卯、斗棋等连接节点的界面摩擦、转动耗散能量，而现代建筑节点具有刚性连接的特点，主要通过自身体系变形、材料的延性耗散能量，木塔结构与现代工程具有不同的动力耗能承载机理特征，现代工程地震防倒塌的（动力稳定）阈值不适用于古建筑，需要研究与古建筑耗能机理特征相适应的动力稳定风险评估准则。

古建筑静力稳定性能提升需要采取增强文物本体结构的措施，然而片面追求静力稳定性能提升的加固措施，难以满足最小干预和可逆的文物保护原则，影响文物本体原真性和完整性。同时由于加固措施与古建筑离散体模型耗能机理不吻合，甚至会造成动力稳定性能降低，如汶川地震震害结果表明，某些历史修复不仅没有对古建筑起到进一步的保护作用，相反还降低了其抗震能力[20]。

包括应县木塔在内的不可移动文物生存了千百年，从来都是同时遭受包括静力和动力特征的多种风险源耦合物理场作用。因此，必须在创建静力稳定风险判别准则、完善动力稳定风险评估方法的基础上，传承中国古建筑“以柔克刚”的智慧，开发兼顾木塔静力、动力稳定性能提升的措施设备，才能弥合目前文物与科学界、学术与工程界对木塔稳定性能提升措施的巨大争议，真正消除木塔失稳倒塌风险。

（四）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

古建筑风险分析模型、劣化损伤机理与安全稳定承载机理与现代工程有着重大区别，需要理论方法创新。任何一个科学技术新理论方法的建立，仅有理论研究和数值模拟仿真分析是不完善、不能实际应用的，必须基于大科学装置开展大科学研究，才能解决古建筑风险防控和保护利用的迫切需求。

古建筑静力稳定性能实验研究方面。现代工程基本不存在静力稳定问题，采用反力墙进行拟静力试验，主要目的是考察结构连接节点及局部结构的耗能能力;古建筑结构面临着非常严峻的静力稳定风险，采用反力墙主要目的是开展古建筑整体结构的静力稳定性能试验;二者试验目的和对反力墙的实验条件能力需求明显不同。目前，国内外对于古建筑静力稳定问题的实验研究基本为空白，亟须建没基于风险劣化损伤累积引起的古建筑静力稳定风险研究的高大反力墙试验设施。

古建筑动力稳定性能实验研究方面。国内外已有研究主要基于古建筑木结构材料、榫卯与斗棋等拟静力试验研究，获得构件、连接节点的承载力与耗能本构关系;开展足尺子结构模型、整体缩尺模型振动台试验研究，再辅以整体模型的数值模拟分析，探索木结构体系耗能与承载机理。传统木结构已有的动力稳定阈值主要是依据局部结构模型试验、整体结构连续体有限元数值分析，并參照现代工程相关科研成果制定。理论分析和震害现象表明，已有研究方法不能完整揭示古建筑结构动力耗能性能及动力稳定承载机理，按此方法获得的古建筑动力稳定性能阀值，小于文物本体的实际动力稳定承载能力，由此会造成对古建筑过度采用防震措施且实际防震效果不好的现实状况。亟须系统开展古建筑足尺子结构模型、大比例整体模型的破坏性振动台实验研究。

古建筑永远不可能只面对单纯类型的静力或动力风险，古建筑的静力稳定与动力稳定又有着不同承载机理和性能阈值，古建筑安全稳定风险防控理论方法又具有科学技术原创性要求，需要建设以“超大型反力墙+大型地质灾害模拟实验台”为核心实验条件能力的大科学装置。

基于大科学装置模拟日常风险源、地基沉降等静力风险源，以及地震等动态风险源的耦合物理场作用，开展木塔建筑材料性能、气象环境、建筑力学、工程地质、地震工程等多学科交叉的大科学研究：（1）依据木塔不同实验模型与文物本体的动力特性效应谱测试对比分析，研究高效识别木塔薄弱部位及性能的反演方法，榫卯节点、斗棋及铺作层中的隐蔽部位界面耦合性能以及残损程度的识别方法;（2）构建反映残损的木塔稳定风险分析模型，开展数值模拟与系统性试验研究，获得木塔结构“风险源耦合物理场增量文物劣化损伤累积量”全过程性能图谱，确定结构整体失稳临界指标;建立不可移动文物价值损失评估专家系统，研究风险所致劣化损伤对木塔历史、艺术、社会等价值的损失评估;建立木塔安全稳定风险判别准则。（3）开展木塔结构鲁棒性分析确定影响整体稳定性的关键构件或连接节点，研究其抵抗连续性倒塌的能力;研究契合木塔“以柔克刚”承载机理的兼顾静力与动力稳定性能提升需求的新型防失稳措施装备，并建立措施有效性评价体系。（4）建立结构实时监测预警网络，形成基于木塔监测预警网络的防失稳快速应急预案。（5）通过以上工作，建立符合木塔结构劣化损伤与承载机理的安全稳定风险防控理论方法，从根源上消除木塔稳定风险。

四、结语

不可移动文物安全稳定风险防控，无论是风险劣化损伤机理、安全稳定理论和防控措施方法等科技能力现状，还是劣化损伤检测识别、承载机理实验研究和风险监控应急系统等条件能力现状，均存在与文物保护利用现实需求的巨大差距。不可移动文物安全稳定理论方法的建立，仍然是国际范围内的重大科技难题。中国有近百万处文物古迹，以木结构古建筑、石窟寺、土遗址等为代表的不可移动文物资源是中国特有的，相关安全稳定风险防控理论、技术、方法等只能由我国自主研发建立，盲目引用源自西方的现代工程理论方法是不科学、不适用的。亟待建设文化遗产保护利用专属的大科学装置实验设施体系，解决不可移动文物保护的各种科学和技术前沿问题。

应县木塔历经千百年沧桑并遭受后人不当维修，目前处于严重的稳定风险状态，国家对此高度重视。通过跨学科集成研究，揭示其劣化损伤和稳定承载机理，采取契合我国“以柔克刚”哲学思想的稳定性能提升技术手段，应县木塔将能够稳定屹立在新的千年。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，由中国文化遗产研究院牵头，联合文博科研单位、有文物保护理念和经验的设计单位、相关领域研究实力强的科研院校，共同搭建“大科学”研究平台，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。

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