科技赋能中国传统木结构建筑保护与研究
来源：
中国文物报
作者：
李向东
发布时间：
2025-06-27 10:54
中国传统木结构建筑，承载着数千年的历史记忆，它以独特的结构体系、精湛的营造技艺和深厚的文化内涵，在世界建筑史上占有重要地位。其特点在于以木材构建主要的承重结构，采用砖、土坯、瓦等作为围护体系，具有易取材易加工，适应性强、空间搭建灵活等特点，且木材是一种多孔生材料，本身具有良好的韧性和较高横向可压缩性，结构中的榫卯节点能够吸收和耗散振动的能量，有较强的抗震性能，具有“墙倒屋不塌”的优点，是东方建筑的杰出代表。
中国传统木结构建筑体系的形成与发展，植根于华夏民族繁衍生息的自然环境与社会文化之中。从石器时代“构木为巢”的巢居，到南方地区“干阑式”和黄河流域等北方地区“木骨泥墙”建筑形式出现，至汉代南方的穿斗式和北方的抬梁式木结构体系，中国传统木结构建筑体系已成熟。唐宋时期是木结构建筑的辉煌时期，大体量的殿堂楼阁斗拱硕大、出檐深远，如现存的山西佛光寺东大殿、晋祠圣母殿、浙江保国寺大殿等。辽金元学习沿用唐宋体系，明清时期木结构建筑构件趋小，体系进一步规范化，装饰性增强、色彩绚丽，等级制度在建筑上的体现也更为严格，如北京故宫、法海寺等。中国传统木结构建筑历史发展脉络完善，留存了大量木构建筑，在5058处全国重点保护单位中，三分之一是古建筑。第三次全国文物普查数据显示，我国现有各类不可移动文物逾76.67万处，古建筑占比较高。
随着社会经济的发展，传统的木结构建筑特别是文物保护单位的木构建筑得到了较好保护与修缮。新时代对文化遗产的保护又提出了新的要求，党的二十大报告更明确提出要加大文化遗产保护力度，加强城乡建设中历史文化保护传承，进一步阐明了新时代新征程全面提升文物保护利用水平。深化传统木结构建筑保护研究与利用是时代的要求。近年来，科研院所、高校在开展保护工程勘察设计的同时，相关专业人员也在不断地探索保护与利用的新路径、新方法，对文物建筑的文化内涵、特点、材料、工艺、结构、抗震性能等开展系统的研究。
以应县木塔为例，在系统梳理前期研究的基础上，针对营造技术、材种、材性、劣化机理、木结构特点等进行深入分析，结合无损（微损）检测，利用现代分析技术如微钻阻力仪、光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）等，对木材微观构造、化学组分、老化劣化程度等进行精确分析测试。采用三维激光扫描技术结合现场构件数据构建BIM模型；从构造方面对斗拱、局部相关梁柱枋的榫卯节点等关键构造的连接方式、摩擦系数、受力特性、进行精细测绘和力学性能分析；在结构方面，基于静力状态下木塔现状，提出基于杆系及有限元的数值模型，通过缩尺模型试验和数值模型分析，研究不同类型节点的承载能力、变形性能和破坏模式，对木塔受力体系和木塔结构稳定性机理研究，明确木塔损伤现状演化机制，确定承载的极限值；对于动力状态下的木塔，通过数值模型和实体缩尺模型试验，对木结构的整体受力性能、稳定性、抗震性能进行评估。通过对节点失效、局部倒塌、整体倒塌分析，识别结构的薄弱环节和潜在风险，为加固方案的制定提供科学数据支撑，并根据木塔现状提出近期、中期、远期保护方案。此外针对木塔这类面临严重结构风险的建筑，持续进行结构监测和分析，基于二层变形严重木结构失稳的部位的高精度监测，通过在关键部位布设各类传感器，可以实时采集结构变形、倾斜、振动响应、构件应力应变、环境参数等数据。结合无线传输技术、云计算和数据分析平台，并可利用边缘计算进行初步数据处理与快速响应，实现对木塔的远程、实时、自动化健康监测与智能预警。
应县木塔
中国传统木结构建筑是中华文化的瑰宝。然而，随着时间的变化，材料性能劣化不可避免，传统木结构面临着保护与可持续利用的矛盾。木材作为生物质有机材料，易受到雨水、湿度、昆虫和微生物的影响， 容易出现开裂、 腐朽、虫害等问题。榫与卯等咬合构件间的连接，在长期受力过程中，易出现脱榫、变形等现象，导致其连接可靠性下降，结构整体性能降低。因此开展传统木构建筑的系统性研究性保护是十分必要的，而且这是一项跨学科的综合性研究，其范畴涵盖建筑、测绘、历史、材料、结构、工程技术等领域，需要多学科融合与新技术的应用。各学科的参与和新技术应用，不仅有助于实现对木构建筑现状病害的精准评估、保护方案的科学制定，还能对木结构的材料特性、营造工艺、构造形式、结构原理及病害机理有更为深刻和系统的认知。
塔外摄影测量
整体点云模型
展望未来，科技与传统的深度融合将成为传统木结构建筑保护的重要发展方向，通过现代科技手段更好服务保护实践。加强检测、监测高科技设备的应用。如可依托应力波检测仪、探地雷达、红外热成像仪、X射线成像或便携式CT扫描等设备，实现建筑内部梁架残损的精准探测。利用无人机搭载高清相机、热红外相机、高光谱成像仪等设备，可实现建筑外观基础、墙体、构件、屋面等病害探测。借助人工智能（AI）与大数据分析技术，分析挖掘海量历史数据，快速评估建筑的病害，及时采取措施。基于室内、室外的勘察，利用三维激光扫描与摄影测量技术，生成精确的建筑数字模型，用于现状病害分析、标注，为修复设计、有限元分析提供数字基础。通过数值模型对木构建筑进行数值模拟计算，了解受力体系、稳定机理、变形性能和损伤模式等。新技术和设备在木构建筑保护中的应用，有助于保护好利用好这些珍贵的文化遗产，使其延年益寿，并且获取相关的检测、分析、试验数据，为中国传统木结构建筑理论体系的构建，提供科学的支撑。
