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应县木塔又名佛宫寺释迦塔，位于山西省朔州市应县城内西北部的佛宫寺内。木塔建于辽清宁二年（公元1056年），已有近千年历史，是世界上现存最古老、最高的一座可登临的木结构楼阁式塔，也是现存唯一的一座真正具有多层使用空间的古代木结构佛塔。
可以说，应县木塔是现存世界木结构建设史上最典型的实例，中国建筑发展上最有价值的坐标，古代抗震避雷等领域研究的知识宝库，考证一个时代经济文化发展的“史典”。 千年的岁月为应县木塔增添无数光辉与美誉，也给它留下数不清的伤病与痛楚；而科技，成为保护修复应县木塔的重要力量。
地震、战火、不科学的维修
地震是对木塔健康影响最为明显的自然因素。应县木塔自始建至今，经历对其有显著影响的地震40余次，受到烈度7度以上的地震影响有两次，6度地震影响有6次，5度地震影响在9次以上，4度地震影响则有20余次。
应县木塔历史上还多次经历战火洗礼，虽然得以幸存，却难免伤痕累累。应县木塔为县城的制高点，不可避免地经受了战争的考验。1926年，国民军（冯玉祥）自南口退五原，取道晋北，打通应县雁门一带，应县县城沦为战场。应县木塔不幸沦为炮靶，“塔之上下，被炮轰二百余弹，柱梁栏杆无不受其毁坏，并炸毁塔顶之云罗宝盖等等”“第二层有一根泥道栱竟为打去一节，第四层内部阑额内尚嵌着一弹未经取出，而最下层西面两檐柱都有碗口大小的孔，正穿透柱身，可谓无独有偶”。
而历史上不科学的维修工作，可谓“好心办了坏事”。1935年的维修，拆掉了明层夹泥墙和斜撑，梁思成先生称为“木塔八百年余年以来最大的厄运”。莫宗江先生在1950年的记录，证实了正是炮击与拆除外槽斜撑墙体，造成了木塔局部严重的倾斜，“自夹泥墙被拆除改成格子门以来，仅仅经过十四五年，塔身已可以看出歪向东北。在第二层内的各柱向东北倾斜最甚”。
今天的我们对应县木塔进行了多次全面“体检”，发现因为上面这些“病因”，木塔在结构安全上罹患如下“病症”：木塔受力结构本已遭破坏，在战争中又遭到炮击，导致部分构件断裂、残损；加上木材本身的自然退化，不少大型构件出现了开裂、压溃等问题。此外，木塔还要面对持续的自重荷载、地震、风荷载的作用。
最终结果是，木塔结构整体向东北方向倾斜——根据监测数据显示，二层倾斜最严重的檐柱偏移量超过柱高的五分之一，柱头与柱脚中心点以每年2-3毫米的速率向东北方向倾斜。
4D应县木塔可以“看到”时间
如今的文物保护修复，除了传承传统技艺，各种“黑科技”也频频亮相，而要保护好应县木塔如此重要又复杂的“国宝”，科技的力量更不能缺席。中国文化遗产研究院作为应县木塔技术牵头单位，寻找了国内各行各业最有实力的研究力量，共同为这位千年老爷爷“问诊看病”——一支由文物保护、建筑学、木材学、结构工程等不同行业构成的跨学科、跨领域团队已经建立。
团队中，有数十年承担应县木塔保护修复工作的经验丰富的“老面孔”；有全球总承载力和总面积最大的多功能振动台实验室，完成木塔地震试验分析；有馆藏量亚洲第一的木材标本资源库，确保获取古建筑木构件材种信息的准确；还有核技术领域的国家重点实验室，为木塔内部构造和损伤探查提供设备和方法。
在保护修复过程中，我们还将构建“应县木塔4D模型”。测绘、画图、做模型，这些“手艺”可以说是建筑专业学生的基本功，但时至今日，文物保护工作者早已不再满足于平面的图纸，甚至连三维计算机模型都“落伍”了。在应县木塔保护中，我们会使用建筑遗产信息模型（HBIM）呈现木塔全貌，通过这一技术，我们可以将过去百年来积累的图纸、模型转化为计算机里的应县木塔数字孪生，如果套用如今的互联网热词，也许可以称之为“元宇宙中的4D应县木塔”。
4D电影的第四维度是触觉，HBIM应县木塔的第四维度则是时间。我们将在HBIM中记录一个个梁、椽、斗、枋的“生老病死”“前世今生”——从树种与木材材性，到1000年前它们被制作出来时的设计初衷；从残损状况与历史修缮信息，到现状力学特性；从肉眼可见的三维形貌，到机关暗藏的搭接关系——最终形成一个拥有海量数据、未来还会不断完善的综合数据库。
为60米高的木塔“拍CT”
如何探知木构件经年累月形成的暗伤，是长期困扰应县木塔保护人员的难题。为了掌握这些或是处于人力难以到达的位置，或是隐藏于木材内部的病害劣化情况，三维层析成像成为保护应县木塔不可或缺的重要手段。我们熟知的CT、X光，都属于广义上的三维层析成像。如今，给文物拍CT已经算不上什么新闻，但为一座木塔拍CT仍是巨大挑战——哪个CT机能装得下一座60米高的塔呢？
为了解决这一问题，研究团队转而决定让CT进入到木塔内部，同时建立基于深度学习的图像重建算法，突破木塔空间限制引起的投影角度有限、超厚结构引起的局部数据缺失，以及梁、昂等超长结构引起的数据截断等难题。如此，确保我们能在木塔内分段、分层扫描后将结果传回实验室，并准确完整地将分离的成像结果重新拼合起来。
科技架起了一座跨越时间与学科的桥梁。应县木塔是海量的构件组成的复杂体系，牵一发而动全身，想把应县木塔的结构问题算明白，目前最合适的技术是计算机建模数值模拟。
采用计算机建模模拟建筑结构在建筑行业并不是新技术，但要用到应县木塔身上并不容易——诸如木材的非刚性，不同构件间劣化程度的差异，构件内不同位置、不同方向力学性能的不均一性，接触、半接触、脱开等多样的构件连接关系，都极大增加了计算机建模的难度。
要解决这些问题，就需要用到百年来对应县木塔的历次勘察测绘成果，以及前文提到的HBIM模型、三维层析成像等新技术。可以说，保护应县木塔这项工作就是一次有趣的对话，一次百年以来的保护与研究者穿越时间的对话，一次各行各业科学家与文物人跨过学科差异的对话。
以“缩尺模型震动台实验”验证修复方案
应县木塔的保护修复不容闪失，无论是在图纸上、电脑上测算过多少次，研究人员还是认为要经过实测才能放心。想要做实验，又不能拿木塔本身做试验品，研究团队有个“秘密武器”——缩尺模型震动台实验。
震动台，简单来说就是可以承载着几米高、数十吨重的建筑模型“晃动”的台面。这个晃动不是随意的，而是通过横波纵波的结合，模拟地震等自然灾害的影响，进而检验我们的理论、评判我们设计的修复方案。
但应县木塔毕竟太大，很难做一个1∶1的模型放到震动台上，这里就要用到“缩尺”了。要赋予缩小模型和木塔一样的结构特性，不是简单将尺寸做小就可以，还需要把物理规律、物理特性也一起“变小”。这就要用到无量纲分析、分离特征方程计算，然后根据计算结果为缩尺实验配上相应的尺寸、密度、弹性模量、应力、应变、加速度、频率、阻尼、摩擦力等。
以科学理念传承文脉，以先进技术守护文物，这可能是每一个文物保护科技工作者共同的信念。百余年前，梁思成先生在测绘应县木塔时的感慨，也同样萦绕在今日的应县木塔研究者心中。时代变迁、科技进步，我相信，我们可以为下一个千年留住应县木塔这部木与土书写的旷世奇典。
（作者系中国文化遗产研究院高级工程师）
安程
