张小古: 《气候变化与故宫古建筑的预防性保护实践》

2022-08-16 浏览量:



非常高兴今天能在这里参与ICOMOS CHINA举办的4.18主题日研讨会,我代表故宫分享一下最近20年来故宫应对气候变化所做的一些研究与保护工作。


一、气候变化对故宫古建筑所造成的影响


前面发言的专家也提到了全球气候变化对文化遗产所造成的破坏以及各种影响,我在这里着重讲一下气候变化对于故宫古建筑造成的一些影响。北京近20年气候变化趋势包括冬季极端低温的情况增多、夏日温度的普遍升高,日均相对湿度和温度的波动呈现出增大的情况;冬春季季节性干燥的情况也比较明显;近几年来夏季降水量也在增多,去年夏季,京津冀3省(市)的降水量达508毫米,比往年同期偏多近一半,是1997年以来同期最多的,日降水量去年7月份达到了峰值,当时的瞬时降水量非常高的,这对于古建筑的保护、尤其是应对极端天气情况带来了一些困难和挑战。此外,大风和强风,包括强对流天气比以往增多。在空气质量方面,北京市整体空气质量近20年来有很大的改善,但近几年来沙尘暴天气有所增多,又带来新的应对污染挑战;另外,从右下角这张故宫气象环境监测实时数据图中可以看到,我们所监测到的大气污染物主要以臭氧为主,近年来出现了夏季臭氧浓度增高的情况。而紫外辐射的数据对古建筑的颜材料以及建筑室内较为敏感的可移动文物有比较大的影响。


温湿度的剧烈变化、冻融循坏频率的提升、地表辐射及大气污染等对古建筑材料及结构安全危害极大,会加速它们的老化、风化、变形、开裂、脱落等;而大风(沙尘暴)、暴雨、暴雪等极端天气事件则可能对古建筑造成不可逆的瞬时破坏。上述气候变化的危害,往往又产生了很多次生危害,例如建筑的整体围护结构和关键部位受损,导致室内环境逐渐失控,而里面存放的珍贵文物也会因环境失控而产生一系列病害。总的来说,上述各类气候环境风险和其导致的系列病害的产生,使故宫古建筑的保护工作面临很大挑战。


二、气候变化下的故宫古建筑预防性保护总体策略


为了应对近几年来的气候变化情况,我们一直在做古建筑预防性保护研究工作。在2020年,持续开展了很长一段时间的故宫古建筑维修保护工程(俗称“故宫大修工程”)基本结束,近几年来,故宫的古建筑保护工作主要是以日常保养维护、研究性保护专项和预防性保护研究为主。


故宫古建筑的预防性保护总体思路分为四个部分

加强对古建筑的巡查、监测和日常保养维护;

加强对古建筑本体及环境因素的监测与评估;

加强对风险的动态监测与分析评估;

加强对建筑环境的整治,研究风险的预防与管控措施。


三、故宫古建筑预防性保护研究与实践


接下来我会向大家介绍一些近几年来在故宫开展的古建筑预防性保护研究和实践的案例


首先,介绍一下故宫的日常古建筑保护管理的制度


主要有三部分内容:


第一,常态化的古建巡查制度,包括季节性巡查,例如雨季前后检查建筑薄弱部位如屋顶、排水管沟,入冬前检查门窗等;日常巡查,每周进行3次以上古建巡查,极端天气后立即进行全面巡查,及时发现问题。还有每三年进行全面建筑普查,重点检查木结构安全隐患等。除了主动巡查以外,故宫其他部门如果发现什么问题,也会及时向古建管理部门汇报,专业人员会去及时处理。


第二,古建筑的日常保养制度,即一方面根据巡查情况对古建筑的瓦顶、墙身、地面、雨水沟、内外檐装修、油饰、彩画等实施经常性养护,另一方面定期进行保洁除尘,瓦顶除草,空置用房定期进行除尘和通风等。


第三,定期对古建筑的防雷装置进行监测维护,雨季前对故宫所有防雷装置进行检测和维护。现在气候变化,雨季越来越提前了,有时候甚至有春雷的现象,今年已经把防雷检测提前到3月初了。


以上是故宫古建筑日常管理工作的主要内容。事实上,想要实现对古建筑的预防性保护,前提是要实现对气候与环境风险的研究和管控。这里需要六个环节来逐步实现:

第一 对故宫的气象环境开展持续监测,从而获得并掌握故宫范围内气象变化的实时情况与变化规律。


第二 对古建筑室内环境开展持续监测,对重点区域可布设细粒度监测方案,从而获得并掌握建筑内部环境的实时情况与变化规律。


第三 联动分析气象监测数据与室内环境监测数据,掌握建筑室内外环境交互规律,从而建立古建筑的气候环境风险要素清单。


第四 将风险要素与古建筑的劣化病害情况关联起来,并开展定性到定量的关联性分析。这一步是比较难的,因为各种材料在不同环境下的劣化机理和变化特征是不一样的,可能需要长时间来进行量化关系的研究。


第五 分析评估风险等级,并针对不同等级的风险采取有针对性的人工干预措施,目的是为了减少或消除风险造成的危害。


第六 制定常态化的风险预防和管控措施。



近十余年,故宫的气象环境监测体系逐步完善。2011年首先建立了气象自动监测站,监测数据与北京市气象局互通互联。随后建立了空气质量自动监测站,并逐步在古建筑类展厅及部分库房建设了普查性质的室内环境监测系统。2014年以后,有针对性地做了一些环境检测分析的工作,比如我们对故宫监测站采集到的大气污染物和降水样品进行了成分分析,目的是想摸清故宫范围内的大气污染物的主要组成以及这些污染物到底对这些脆弱的文物材质产生什么样的影响。另外,还有一些专项研究,例如故宫范围内的土壤质量和地表水质的调查及采样分析,地表水的水位和水质的整体监测等,都能够帮助我们更清楚更全面地研究环境状况。


在研究气象环境风险因素的时候,我们重新梳理了环境风险因素,根据IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)2021年发布的气候因子的标准,把跟故宫遗产本体相关的气候因素梳理了出来。

 


根据风险发生的频次、风险事件内容,可以把气候环境风险分成三类:


小概率事件指北京地区难遇/偶发的风险事件,遗产地保护管理者过去对这些小概率风险事件可能并没有直接应对的能力或经验。比如说极端的灾害天气,或特大洪涝灾害等等,这种引发很多不可逆的特大损害的事件,我们可能只能去做灾后响应和应急处理。


常见事件指北京地区时常发生或周期性发生的风险事件,遗产地保护管理者需要对这些事件有直接应对的能力和经验。比如,排水沟的定期清理,或者是对内金水河河道河道淤堵的及时处置等。


积累过程型事件指连续或断断续续发生的风险,遗产地保护管理者长期观察到这些风险导致的遗产本体劣化现象,此类事件包括不利于古建筑及文物保存的温湿度等环境因素、建筑围护结构的材料老化及环境调控性能逐渐变差、地表水及地下水的持续影响等。


我们一直在做古建筑本体劣化风险的研究,其中与气候环境相关的风险要素清单如下所示。这个清单目前还没有做到可量化风险等级评估的程度,未来我们还会做进一步的研究。



我下图是气候环境风险因素与古建筑本体劣化关联性分析的桑基图,在分析关联分析时我们比较习惯用这种方式,图虽然看起来比较复杂,但它是一个半定量化的逻辑关系图,当点击每一个风险事件时,可以关联出它的风险因素。


 

接下来,介绍故宫古建筑预防性保护的两个案例


案例一| 2016年开始的养心殿研究性保护项目


案例一,是从2016年开始的养心殿研究性保护项目其中我负责了环境研究和整治专项,做了详细的建筑环境研究。设置这个专项的目的是对这个区域不良的建筑环境现状及其成因进行全面分析,并制定环境整治措施,经过修缮整治后未来该区域的建筑及文物保存环境能够维持在比较好的状态。专项的技术路线分为五个步骤,分别是现状分析、现状评估、方案设计、效果验证与长期管控。


 

其中我们着重调查与环境相关的病害,同时为了更准确地监测并掌握环境数据,采用了网格化立体布控环境监测设备的方式。下图分别是病害调查及环境监测的情况。

 

 


对养心殿区域乃至整个故宫来说,地下水和地基情况异常都会影响到建筑室内环境进而引发病害,因此我们在该区域院落里打了四个地勘的洞,并监测地下水及土壤盐分、含水率的变化情况。从长期的监测来看,地下深层水位变化对建筑没有影响,但是浅层水尤其是浅层滞留水会随着季节变化,分布区域也会移动,结合数据与模拟计算我们推断出浅层滞留水对建筑造成的不良影响更大。


 

除了地下水之外,我们还做了一系列基础调查,包括院落排水情况、各建筑部位材料性能及其环境调控作用,并采用物探的方式对建筑隐藏结构进行分析、采用局部开挖的方式勘查地炕烟道结构,并着重分析废弃塌陷的地炕烟道对建筑室内环境造成的负面影响及作用机制。

 


此外,我们还通过环境模拟,分析不同工况下建筑环境的变化情况,为未来制定管控措施提供科学的依据。例如通过模型分析,我们可以得出建筑应该如何开窗通风来改善环境的日常管理建议等等。




在风险评估方面,我们尝试建立了一套古建筑环境健康评价体系,主要包括对它的外部环境、建筑本体的结构环境调控能力以及内部环境进行评估指标的构建、分析和计算,最后得出环境状况评分,由此来衡量建筑环境是否健康,并能够对应后续的建筑保护修缮与环境整治措施。目前这个评价体系只是一个初步的尝试,还在进一步的完善过程中。

 


在环境治理方面,结合当今气候环境的变化趋势,古建筑修缮和预防性保护的重点在过去的基础上有所调整。由于降雨的增加以及外界气温的大幅度波动,我们认为配合修缮来改善建筑及院落的排水能力、增强建筑围护结构对环境的调控和抵御能力是重点。而如何采用人工调控方式进行环境调控,则需要做进一步详细研究。

案例二| 翊坤宫的体和殿的地炕烟道环境治理与建筑环境研究项目


案例二是位于故宫西六宫翊坤宫的体和殿的地炕烟道环境治理与建筑环境研究项目。因为体和殿的地炕烟道现在是废弃状态,在周边环境的共同作用下,形成一个非常潮湿的“内部空间”,在毛细作用下,水汽向上输送至建筑室内,引发地砖潮湿、表面严重泛碱、裱糊受潮后变形与脱落、木质家具受潮发霉等病害。


由于降雨量的逐年增大,我们每次雨后巡查的时候都会发现全院各区域都存在局部的排水不畅和严重积水。体和殿建筑北侧的院落地面在雨后积水现象就较为严重。长期积水势必导致建筑基础非常潮湿。而我们从建筑室内温湿度的监测数据也可以证实(图上深蓝色的部位是具有地炕烟道结构的位置),在周边排水不畅与地炕烟道结构的共同作用下,建筑室内的湿度非常大。

 

 


通过内窥镜探测与探地雷达扫描的方式,我们大致掌握了体和殿地炕烟道的结构特质。在过去,古人设计了地炕烟道,在里面放入热碳后通过热空气在烟道通路里的循环,形成地暖系统,来改善冬天建筑室内的环境。如今它已废弃了且除了自身保存状况较差以外,还会带来很多环境问题。我们想,如果能重新利用烟道,进行空气循环的通路,是否能起到降低湿度的作用。因此,我们设计了通风方案,并建模进行通风结果的预判分析,并同步进行了现场试验和环境监测。



 

经过6个月的现场试验,发现采用这种方式后,无论是烟道内部还是室内地面和墙砖,都明显变干燥了。目前,我们仍在根据现场工况及数据监测、模拟分析结果积极改良治理措施,力求充分发挥地炕烟道的正向利用价值,改善建筑环境,从而实现对文物的预防性保护。我们认为地炕烟道结构与周边环境的复杂作用机制还没有研究透彻,而且周边排水没有得到有效改善的话,源头问题还是没有解决。因此我们设置了系列专项科研课题,从建筑的历史功能变迁、建筑环境的合理监测、,病害机理及环境作用机制、未来该建筑的日常管理导则制定四个方面来进行全方位的研究,包括在这一过程中如何向公众来展示遗产的科学保护也成为了系列研究中的一个子课题。

 

四、故宫古建筑常态化风险管控模式


总的来说,从风险管理的角度来讲,故宫的古建筑所面临的风险包括了可控风险和不可控风险。在气候环境日益恶化、灾害日益频发的当下,对于不可控风险我们需要采取更为积极有效的古建筑预防性保护措施,并建立健全预报预警机制;对于可控风险我们则应加强对古建筑的日常维护与监测、重点修缮和强化建筑围护结构,并优化排水功能,科学合理的采取人工环境调控手段来进行风险防控。


我的汇报就到这里,谢谢大家!


文字内容经发言者审核

文字整理:王雪薇


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