佛光寺东大殿文物本体及环境监测与预防性保护研究

我主要讲三个方面的内容：

首先说一下项目背景与问题分析。东大殿的研究在梁先生的带领下于1937年开始，之后很多专家都做过。清华大学与山西古建院合作从2005年开始深入对佛光寺进行研究，2005—2011年主要做佛光寺的规划，并做了东大殿建筑的数字化勘察，这个工作也是我国最早做古建筑数字化勘察的实践，并得出了东大殿建筑的唐代材分与营造模数制度。2014—2018年对佛光寺彩塑壁画进行数字化勘察，在这个过程中我们进一步做了建筑、塑像、壁画、题记的数字化勘察分析研究，还建立了佛光寺东大殿数字化信息数据库等。

先回顾一下当时在2006年的时候做了东大殿的点云分析，得出了东大殿在唐代建造的时候的模数尺度关系和始建时期的理想图。东大殿后檐的柱子、斗栱、草栿梁架有很多变形问题。我们有了理想图和实测的点云模型后，清楚得到了变形的精确数据。柱子沉降最严重的有20厘米，我们可以看到东大殿前檐有一个莲瓣柱础沉陷下去了，我们近期做勘察的时候把它做了一些简单的考古测量，发现柱础在下面沉陷跟之前测算的柱头沉降高度20厘米是一致的，并且后檐几根柱子沉降也比较厉害。经过碳14测定后檐三根柱子是元代时候换的，当时柱子可能换短了。

我们对东大殿整个草栿梁架做了调查，发现各个历史时期都进行过维修或者更换，但还是有大量的结构构件存在很严重的腐朽问题。图上这个梁栿当时也做了碳14测定，该构件更换于清代。因为草栿梁架具有严重的腐朽、变形，包括柱子沉降的问题，里面的槫子也有很严重往外闪和腐朽的问题。在2006年做了一个简单的监测。过了半年把数据取出来，发现东大殿草栿里面非常潮湿，在很长时间里湿度都超过了80%。通过这个判断，我们初步分析了东大殿的结构可靠性是III级，也就是有比较严重的残损问题。当时专家评审时候向我们提问，佛光寺东大殿已经有1100多年，建筑形变是一个静态的残损，已经不再发展了，还是它的位移和腐朽还是继续发展中的。当时因为只做了一次勘察，我们没有解答这个问题，但这也正是我们做佛光寺监测项目想要解决的问题。

东大殿还有一个比较大的问题，就是在整个草栿梁架的屋顶上，槫子腐朽变形导致上面的椽望变形、苫背缺失。2006年就发现有很多的残损问题，上面有7个苫背空洞。今天各位专家都在谈近几年的气候变化，特别是降水量线一直往北方移动，大家也都有亲身体会。在2017年8月的时候五台山地区出现较大暴雨，大殿也出现了漏雨问题，国家文物局的领导和专家直接到现场去进行调查和处理，当时就对东大殿做了临时的遮护。山西古建院也紧急做了一次勘察，重点针对瓦顶，发现屋面的苫背空洞已经达到了20多处。说明整个草栿梁架内的这些望板在加速破坏中。

2016年12月，根据规划我们提出了要在五台山和佛光寺做环境监测。刚好在2017年8月，东大殿漏雨前10天，国家文物局就批复了这个方案。批文提出了几个要求：要与十年前的数据进行对比，并建立预警体系，安装设备要用最小干预原则等等。根据国家文物局的要求和半个月后出现的漏雨问题，我们对一期方案进行调整，并做深化设计，在2018年3月报了省局通过。按照批文的要求，我们做了如下调整：

    第一，深化完善实施方案；

    第二，安装观测桩，建立坐标系；

    第三，定期做三维激光扫描，进行实时的位移监测。建立监测系统，并按照批文要求定期汇总上报给世界遗产中心。

然后针对漏雨的问题补充做了两个事情，一个是安设小型气象站进行环境气象监测，一个是专门设计了屋面的渗漏监测和预警体系。

环境监测主要是应用气象站和微环境监测设备及对环境及建筑室内的温湿度进行监测。首先对整个太阳辐射和环境温度进行监测，发现佛光寺区域雨热同期，且东大殿温度变化主要是受太阳辐射的影响。东大殿选址处于一个山坳里面，后面有一座山，所以最大的风力只有一二级，不会有很大的风灾影响。

降水是这两年非常严重的问题，2020年比2019年的降水多100ml。在2020年8月份，一个月下了将近一年内一半的雨量，这种短时的大暴雨对于建筑有非常严重的影响。同时，发现环境湿度主要也是由降水造成的。对室内外的温湿度分析中可以看到室外的温度有非常剧烈的变化，而室内的温度按照它的趋势也在变化，但是整个幅度减小很多。此外，整个东大殿草栿和建筑内部的湿度非常高。

总体来说：太阳辐射与温度变化同步；夏季有短时大暴雨；风力没有很大的风灾，但本身风的存在对温湿度有很大的影响；殿外的温度变化大，殿内的小；湿度受到降雨的影响；东大殿所在区域有凝结和冻融问题。基于环境分析，我们要解答一个问题，也是当年专家给我们提出的：东大殿现在的结构变形是一个稳定的状态还是不稳定的状态？

首先在东大殿的四个角外选了四个点安装观测桩，还在文殊殿旁边安了一个，希望未来对整个文物建筑都能进行监测。并在木构件上安了很小的大头钉（满足最小干预沿着）作观测点，中间画了十字。这些钉就是我们用全站仪观测的对象点，提高了准确度。以往监测时候缺乏观察标靶，如果前后观测位置不一样就会产生很大的误差。东大殿利用观测桩使用全站仪交汇观测，它的误差能达到0.1mm，准确度非常高。

每半年使用三维激光扫描对东大殿进行全面的扫描测绘。因为有了座标系后其数据也十分准确，平面和高层的误差大概在1mm到1.5mm，基本能解释变形的情况。每隔半年做一次扫描，再进行数据对比，数据计算工作量非常大。我们对比2006年和各期的数据，看看这些构件有什么变化，将有特异值的挑出来。结论是特异值一个集中在东南角，一个是西北角，也就是东大殿两个端角的地方。

另外，我们还需要知道最关键点的实时变化，就是研究东大殿四个角梁头的实时变化情况。还有草栿梁架内最重要的槫和梁栿的变形。我们设计了实时监测位移设备，每隔15分钟用自动激光测距仪测一次，观察角梁头和草栿梁槫。

我们很惊讶地发现，原本以为木结构古建筑是岿然不动的，屹立在原地，但实际上木结构古建筑一直在抖动。但构件抖动的幅度差别很大，比如东北角梁较小，而东南和西北抖动比较大。我们就拿出一天抖动最大的东南角梁来分析。从中午12点开始有1、2mm的抖动，12点开始到下午3点达到最大，到了晚上5点又恢复下来，这个变化量有7.5mm。根据当天太阳辐射和温度对比，温差大概有16.5度，早晚湿度变化达到50%。东大殿东南角区域在夜晚和上午的时候全部在阴影里，见不到阳光，温湿度相对恒定。中午12点的时候，太阳升到正上面开始照射，导致温度突然升高，变形曲线开始变大。到了下午3点温度最高的时候，变得最大到了7.5mm。5点以后，太阳开始落山，阳光被正面挡住了，慢慢降下来，到了夜晚又变成小的抖动。

 所以我们提出了一个观点：木构建筑存在微位移的特点，就是它在自身的状态下是不停地在抖动的。这种抖动主要跟太阳辐射、温度和湿度相关。我们不能简单地认为这是一种变形的病害，这其实是建筑为了适应周边的气候环境变化自身做出的一种反应，是一种健康的状态。

我们看一下每月和全年的状态。从中可以看出东南角、东北角和西南角都呈现出正态分布，抖动的曲线最大为7mm。再看全年的数据，虽然部分构件呈现出不规则的变化，但从整年变化周期来看，东大殿木构结构基本上具有往复位移的趋势，位置移动一年后第二年又移回去了，没有发现对整体结构的持续性破坏。所以我们就基本可以回答了2006年专家的第一次问题：它的变形是持续的还是稳定的？基本上我们认为东大殿结构的变形是稳定的，它发生微位移是一种木结构的弹性状态。

第二个比较严重的问题是渗漏。在2017年夏天由于暴雨出现了多次严重的渗漏情况，它对建筑内部有一个比较严重的影响，而我们对东大殿之前没有做过建筑的渗漏监测。我想起来2017年东大殿漏雨去调研的时候，张之平老师和李永革老师跟我们一起钻到东大殿里面，李永革老师摸了一下椽子说，椽子都湿透了，肯定漏水了。如果椽子湿透了，肯定是苫背先湿透，并且含水率会有一个大的变化。我们可以测苫背含水率来判断里面的湿度，进而推测屋顶渗漏情况。外檐如果漏雨的话，站在下面就能看到。最大问题还是草栿梁架看不到，如果严重到都滴下来才发现就太晚了，于是在草栿梁架比较低的下平槫区域的苫背做了监测，根据最小干预原则，传感器沿着下平槫转了一圈，每个开间做了苫背湿度监测。一共22个监测点。

这是一个导电率与降水量的对比图，反映出湿度增加，导电率就增加了。并且一旦下雨的话，数据都有一个陡升，比如说连续下两天雨就立刻升上去了。如果想慢慢干下来，需要两个月的时间。如果东大殿遇到了大雨以后，在这两个月以内苫背都干不了，再次下雨，就很有可能再次渗漏。在成功预测了2020年7月2号导电率有小幅的变化后，我们请佛光寺工作人员上去看，说水没有渗下来。15到17号降水量大增，各个点都出现了漏雨的报警，工作人员上去看发现确实有渗漏情况。结论是渗漏监测基本能符合实际渗漏情况，并进行预警。2021年6月20号再次触发了报警，当时雨量不够大就没有渗下来。比较严重的是2021年10月3日到6日，今天白雪冰局长也有提到，在21年10月山西遭遇暴雨对古建筑的破坏。五台山地区也有雨，东大殿屋顶也出现了渗雨情况。

我们建立了一个实时在线的系统，一旦有出现渗漏的情况就会报警。系统可以在网上看到，同时会直接给古建院任毅敏院长、佛光寺的胡俊英所长发短信，告知哪个地方有渗漏点，需要立刻去采取预防性的保护措施。

根据天气预报和渗漏的情况进行对比，如果在佛光寺区域有连续48小时的降雨，降雨量超过80mm的时候大概率会渗水。如果发生渗漏后，一两个月内再次发生连续降雨，苫背没有完全干，很有可能再次发生渗雨的问题。我们基本上对东大殿的渗雨情况的规律摸得比较清楚了。

最后提一下预防性保护的措施。东大殿的日常保养是山西古建院这么多年做得非常好的一项工作。统计了一下历来的工作，从1952年到现在比较重要的几次，如：

根据数据显示，降雨之后东大殿里面的湿度非常大，而且时间很长，这会加速草袱梁架腐朽的问题。当时采取了这样的方式：降雨以后如果天晴了，就把五座大门都打开，使得太阳辐射进去，增强通风，会明显看到监测数据的湿度很快降下来了。还有一个方式是胡所长提醒我的：安装了设备之后他每天都在看监测数据，发现在冬天到初春的时候，后檐的湿度很高。后来发现是因为降雪之后东大殿后墙到后山崖之间一直不干，长期出现冷凝和冻融现象。所以除了之前的勾抿、除草，胡所长现在冬天还开始安排员工扫雪，一下雪就扫，扫掉之后就发现湿度降下来了。这也是监测数据跟预防性保护之间相配合的工作。

刚才提到1954年的时候，洪水把东大殿后檐墙冲倒。我们根据研究知道元代的时候东大殿换了后檐的三根柱子，估计也是因为洪水把后檐冲坏了才换掉的。因为后檐离后山很近，所以在东大殿有暴雨的情况下，会很大概率出现洪水问题。之前后山做了几条土的截排水沟，在这两年的调查中发现基本已经被植物填满了。今年正在给佛光寺实施环境整治，为了预防洪水威胁东大殿，我们专门给后山的截排水沟做了加固。  

此外，我们每半年会提交一次报告给世界遗产中心，介绍遗产地监测的情况。在2020年1月专门有一个监测展示，把佛光寺监测项目作为一个优秀案例进行展示和推荐。

我简单做一下小结。我们一共围绕监测做了几件事情：

这么多年我们其实在佛光寺做了很多工作，包括对各个文物本体的多次数字化勘察研究工作，这些工作都能提供监测所需的基础数据。基于之前每次的勘察研究分析的数据和监测数据进行甄别对比，为未来东大殿的全面保护工作提供支撑。