馆藏文物如何防震，看雅安博物馆这么做
01
引言
博物馆馆藏文物来自不同时代，展现了不同时期的历史文明｡地震是特大自然灾害之一，古往今来，由地震造成的文物损毁数不胜数：2004年10月，日本新潟县发生6.8级大地震造成大量馆藏文物破坏｡除建筑结构损毁导致文物破坏外，由地震引起的次生灾害对展陈等非结构构件对文物造成的损毁也不容忽略｡据调查显示，日本阪神地震中确认国家登录的受损文物共339件，未登录的文物损害多达10万件以上｡雅安市博物馆地处岷山断块和龙门山构造带，属于地震断裂潜能大､活动性强的构造区，地震频发且强度较高，对馆藏文物安全有较大威胁，博物馆馆藏文物防震任务艰巨｡2013年4月20日，发生的7.0级雅安芦山县地震，虽然没有对博物馆展厅和库房的建筑结构造成破坏，但馆内文物遭受较大影响(图1､图2)｡由于现行国内工程建设规范不涵盖博物馆馆藏文物安全内容，所以馆藏文物在地震中存在巨大的安全隐患｡芦山地震后，雅安市博物馆进行闭馆全面改陈，在闭馆改造期间，开展了文物防震工程的示范，对文物防震技术在该馆实施的可靠性和可行性进行了摸索和实践｡
图1.地震中展柜及文物损毁
(图片来源:雅安市博物馆)
图2.地震中展柜及文物损毁
(图片来源:雅安市博物馆)
雅安市博物馆(图3)于2006年由雅安市政府批准修建，2010年12月30日正式对公众开放，为公益一类事业单位，是四川省文博系统2008年灾后重建竣工并向社会开放的第一个博物馆｡雅安市博物馆位于雅安雨城区文定街15号(原雅安茶厂)，占地面积18271平方米，总建筑面积13465平方米，其中博物馆建筑面积8600余平方米｡博物馆共建三层，其中地下一层，地上两层｡内含展厅､文物中心库房及办公区域，第一和第五展厅位于馆内地面一层，第二､第三､第四和文物库房位于地面二层，其中文物库房位于第二展厅对面(图4､图5)｡2015年初，雅安市博物馆全系统防震集成技术示范应用完成，并在2015年1月14日四川乐山金口河5.0级地震中，有效保护了雅安市博物馆的展陈文物安全，2018年底雅安市博物馆馆藏珍贵文物预防性保护项目(二期)也顺利完成｡
图3.博物馆实景图
(图片来源:作者摄)
图4.博物馆地面一层平面图
(图片来源:雅安市博物馆)
图5.博物馆地面二层平面图
(图片来源:雅安市博物馆)
地震波经馆舍基础､结构､展陈柜等过程传播到达文物，任何一个环节出现震害都会危及文物安全｡国际上，以美国Getty博物馆和日本东京国立博物馆为代表，基于“震源+展柜+文物”安全设计方法，开展了博物馆文物防震研究和实践，将防震装置作为与展柜配套的定型产品进行开发应用，没有考虑馆舍的地震放大作用，存在安全隐患｡2004年的日本新潟地震，也发生了隔震设备上珍贵文物损毁事件：本文基于雅安市博物馆馆藏珍贵文物预防性保护项目(二期)，介绍博物馆全套防震技术在雅安市博物馆中的实践及效果｡
02
文物防震安全评估
雅安市博物馆展出文物目前多处于浮放状态，部分采用鱼线绑扎等传统防震技术措施｡雅安市博物馆所在地是7度(0.10g)抗震设防区，文物防震安全验算考虑罕遇地震时加速度幅值为220gal，同时考虑博物馆结构二层楼面地震放大系数1.5，故验算时取加速度幅值为330gal｡
对馆藏文物现状进行安全性分析及评估，验算地震作用下可能出现的运动状态，是展陈文物预防性保护防震安全设计的基础｡
滑动验算
滑动验算时水平加速度的限值见公式。
雅安市博物馆展柜台面主要为亚克力面层或亚麻布面层，文物与展台面之间静摩擦系数根据已有资料初步定为0.5｡
为了保证文物及文物柜不发生滑移，静摩擦系数从μ0=0.5时，考虑文物抗滑动安全系数ks=1.6，文物抗滑移加速度为312.5gal；二层文物安放处加速度经放大后为330gal，大于文物抗滑移加速度限值，故浮放文物存在滑移风险，应对其采取加固或其他防震措施。
倾覆验算
倾覆验算时水平加速度的限值为公式｡
考虑文物摇晃或倾覆对文物损坏严重，偏安全考虑浮置文物抗倾覆安全系数为1.6｡通过分析，文物高宽比大于1.9时地震下存在摇晃或倾覆风险，应对文物及展柜进行防震安全设计｡
03
馆藏文物防震预防性
保护实施
全系统设计分析
文物防震安全性取决于地震作用传递到文物的动力响应｡地震动能量经历馆舍､展陈展柜，传递到文物，任何一个环节出现震害，都会危及文物安全：故针对雅安市博物馆文物展陈防震设计，进行了“震源+馆舍+展具+文物”系统化地震作用全过程分析｡
1.独立柜防震方案
本方案采取柜底隔震的方式对独立柜改造，使之成为防震型独立柜；针对存放温湿度敏感文物独立柜，增设调控设备，同时预留环境监测接口｡针对该馆珍贵文物战国巴蜀青铜疊，现有展柜已不能满足文物精品展示(尺寸略小)､环境调控和防震需求，展柜基本尺寸为0.9米x0.9米x2.2米(图6)｡
图6.独立柜防震改造
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
2.沿墙柜防震方案
针对博物馆二层展厅的沿墙通柜，对其进行展陈功能改造，采用柜内展托的隔震方式增加其防震性能，针对密闭性较差的展柜改善其密闭性和微环境保持能力，设备接口做好气密性处理；部分对环境敏感文物需增设调控设备，同时预留环境监测接口(图7､图8)｡
图7.沿墙柜防震改造
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
图8.沿墙通柜沿墙柜防震改造效果图
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
展柜分析结果
1.独立展柜分析
分析独立展柜隔震参数时，考虑博物馆振动特性实测及有限元分析结果，偏于安全采用结构动力特性有限元计算结果，进而确定隔震装置相关技术参数｡通过力学分析软件建立800mmx800mm独立展柜有限元模型(图9)，以博物馆地上二层楼面加速度响应时程数据作为输人进行展柜隔震分析，楼面波激励下展柜隔震后位移响应幅值为103gal，big bear波激励下二层楼面独立展柜加速度及位移响应云图(图10､图11)｡
图9.独立展柜有限元模型
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
图10.Big bear波激励独立柜加速度云图
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
图11.Big bear波激励独立柜位移云图
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
2.沿墙展柜分析
分析沿墙柜隔震装置参数时，考虑博物馆振动特性实测及有限元分析结果，偏于安全采用结构动力特性有限元计算结果，进而确定隔震装置相关技术参数。通过力学分析软件建立3.6m承载能力为50kg的隔震防震型沿墙展柜有限元模型(图12)，以博物馆地上二层楼面加速度响应时程数据作为输入进行展柜隔震分析，楼面波激励下展柜隔震后位移响应幅值为153gal｡Big bear波激励下二层楼面防震型沿墙展柜加速度及位移响应云图｡(图13-图16)
图12.沿墙展柜有限元模型
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
图13.Big bear波激励沿墙柜加速度云图
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
图14.Big bear波激励隔震装置上板加速度云图
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
图15.Big bear波激励沿墙柜位移云图
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
图16.Big bear波激励隔震装置上板位移云图
(图片来源:中国航空规划设计研究总院有限公司)
实施过程
2013年9月，雅安市博物馆与中国航空规划设计研究总院有限公司签订了《博物馆展陈防震装置开发与应用示范技术开发合作合同》，作为工信部和国家文物局联合推广的国内第一批文物保护装备产业化及应用示范项目，开始探索实施适合博物馆使用的文物防震装备设施｡
随后，雅安市博物馆文物展陈防震预防性保护工作正式开展，现场调研与实测､产品开发等各项相关工作相继进行：2014年3月至5月，针对雅安芦山4.20大地震的实际震后情况，在雅安市博物馆开展了建筑及展陈防震现状调研，提出了展陈防震统一技术措施；5月至10月，对馆舍结构动力特性进行了实测，开展了文物防震安全全系统设计､防震产品开发以及防震装置与展陈展柜对接设计；11月底，完成了雅安市博物馆文物展陈防震装置产品加工与测试全部工作，并于12月20至25日在北京工业大学工程结构试验中心，进行了与该馆现场完全一致的“防震装置+展柜+展架+文物”地震模拟振动台试验，完成了防震装置应用前的所有性能检测工作；随后在2015年1月8日，雅安市博物馆现场完成了一套通柜防震装置(图17)和一台中心柜防震装置的现场安装及调试工作｡
图17.先期实验性防震台
(图片来源:作者摄)
2015年1月14日下午，四川省乐山市金口河发生5.0级地震，雅安城区震感强烈｡雅安市博物馆1月8日完成安装的文物防震装置自动打开了防震保险销，有效保护了展柜内文物安全｡此次文物防震装置的成功应用在社会上得到了一致肯定，中国文物报､四川省文物局及雅安市文物局均进行了相关报道｡
在之后雅安市博物馆开展的馆藏文物预防性保护项目(二期)中以文物防震为中心陆续开展了博物馆全域文物防震工作，分为四个阶段逐步完成｡2017年12月之前，制定详细工作方案，联系相关厂商，对博物馆文物及展柜基本信息进行采集，为无线监测终端和防震工作提供支撑；2018年1月至7月，培训相关技术人员，在预防性保护一期项目的基础上熟练掌握监测系统的运行，实现独立分析监测结果，能够根据监测结果制定､调整馆藏文物调控方案｡2018年8月至12月，按需要分别改造各展厅展柜，进行各展厅文物防震装置改造(图18)；2019年1月至7月，根据雅安市博物馆馆藏文物预防性保护平台收集整理的数据，进行博物馆被动､主动调控措施对比，并检验文物防震装置效果｡
图18.改进后的防震台
(图片来源:作者摄)
实施效果
通过雅安市博物馆馆藏文物防震预防性保护项目的实施，完成了博物馆文物全系统防震集成技术应用，显著降低了文物在地震作用下的动力响应｡在2022年6月1日芦山地震和9月5日泸定地震中都有多个防震装置打开，有效地保证了文物安全，进一步验证了防震设备的作用(图19､图20)｡
图19.沿墙柜实施效果
(图片来源:作者摄)
图20.独立柜实施效果
(图片来源:作者摄)
04
结论
将博物馆文物全系统防震设计理论方法应用于雅安市博物馆，对馆藏文物防震现状进行安全评估及分析，验算地震作用下可能出现的运动状态，通过馆藏文物防震全过程性能化设计方法，显著改善了文物的展出环境及防震能力｡
通过两种类型展柜的工程示范和两年多的探索实践总结，获得了显著的文物防震成效，为推广文物防震预防性保护工作奠定了基础。
