生态话题 | 木材科学技术中的文物保护工艺

天安门木构件勘查工作小组

日前，国家林业和草原局与国家文物局签署战略合作协议，共同推动文物保护和世界文化遗产事业发展。

中国林科院木材所防腐组合影（1963年） 周光化供图

中国林科院木材工业研究所为国内最早开展木材防腐与保护研究的科研单位，是由1953年1月1日成立的林业部林业科学研究所（又称中央林业研究所）木材工业系中的木材防腐组发展而来的。汤宜庄、周光化、周明、张厚培、刘燕吉、纪成操、陈允适、刘秀英、王平、李华等老一辈，从1968年第一次参与筹备庆祝新中国成立20周年的天安门木构件修护工作任务以来，历经50余年的赓续发展，取得了一批科技成果，先后在50余项世界文化遗产或全国重点文物保护单位维护项目中推广应用，为我国1/5的世界文化遗产保护提供了科技支撑。

在莫斯科大学参观学习（1958年） 周光化供图

1968年，中国林科院木材工业研究所第一次承担天安门维修用木材的干燥、鉴定、防腐和物理力学试验任务。1972年，木材所承担长沙马王堆一号汉墓棺椁用材及随葬木器的树种鉴定工作。1989年，木材所专家远赴西藏拉萨承担布达拉宫维修工程木构件防虫防腐项目。20世纪90年代开始，木材所面向青海塔尔寺先后参与5项古建筑保护工程。2000年至今，木材所参与或承担故宫古建筑木构件保护工作26项，涉及故宫内部20余个宫殿或区域、260余个建筑单体。2018年，木材所承担了北京雨燕栖息对古建筑木构件和彩绘影响及保护项目。2020年，木材所参与了“十三五”国家重点研发计划海洋出水木质文物保护关键技术研发项目，承担了应县木塔主要构件材性及残余力学性能评估项目……

福建南平大州储木场木材保管试验场（1965年） 周光化供图

中国林科院木材工业研究所开展的古建筑和木质文物保护工作遍及全国各地，其中包括津冀地区、青藏地区、大兴安岭地区、山西省等古建筑众多或出土文物密集地区，涉及全国近50处古建筑文物保护单位和木质文物保护单位。

木材鉴定：

从传统形态解剖到多学科融合新技术

木质文物样本DNA提取

木材解剖学是中国林科院的传统优势学科，可以追溯到1928年。经过近百年的发展历程，从由肉眼或放大镜宏观构造识别到光学显微镜下的微观构造识别，再到如今融合了形态学、遗传学和化学等多学科的木材识别新技术，实现了多场景下木材样品的精准快速鉴定。目前，中国林科院已建成馆藏量居亚洲第一的木材标本馆，通过标本资源的长期积累及数字化，构建了包括木材构造、DNA条形码和化学指纹图谱等在内的木材科学数据库，并在木材识别及相关领域取得多项技术突破。中国林科院研究员殷亚方及其团队通过提取和分析木质文物样本DNA序列信息，实现了用材“种”的精准鉴定。而最新研发的木材智能识别系统“iWood®”，则通过采集木材表面构造特征图像即可对样品进行快速鉴定。木材识别新技术的迅速发展为木质文物的保护和保存奠定了重要基础，同时为深入理解木质文物的自然与历史内涵提供了科学依据。

木材鉴定

团队曾先后参与故宫、天安门城楼、北大红楼、布达拉宫、明十三陵、恭王府、山海关、青海塔尔寺、辽代开善寺、汉代马王堆、老山汉墓、应县木塔、晋东南木结构建筑群、良渚文化遗址、井头山遗址、小白礁Ⅰ号、定陶汉墓、大葆台西汉墓等重要木质文物的用材鉴定工作。2020年，团队承担了“十三五”国家重点研发计划项目的“海洋出水木质文物保存状况评估体系研究”课题任务，通过木材学与考古学等多学科交叉融合方式，为重点解决以宋代沉船“南海Ⅰ号”为代表的海洋出水大型木质沉船的整体保护提供科学基础和关键技术，研究成果将对我国木质文物科技考古的发展具有重要意义。

无损检测：

从微钻刺探到雷达扫描

故宫东华门主要木构件无损检测现场

古建筑木构件的现场勘查要尽可能避免对检测木构件造成人为二次破坏。早在2003年，中国林科院高级工程师李华、副研究员陈勇平及其团队就首次采用超声波方法对北京大钟寺博物馆木质钟架材质进行了材质勘查，并先后开展了超声波、皮罗钉、阻抗仪、应力波断层扫描等技术在古建筑木构件勘查中的研究与应用。团队研发构建的“古建筑木构件现场勘查技术”，可以发现木结构建筑中存在的安全隐患，从而为木结构建筑的安全评估和修缮设计服务。

应县木塔主要构件无损检测现场

近年来，团队还以木结构古建筑常用木材为研究对象，针对微钻刺探、应力波检测及雷达扫描等无损检测技术开展了一系列研究，致力于进一步降低无损检测对木构件的损伤程度，提高勘查工作的效率和精准程度，逐渐推动古建筑勘查由抢救性保护向预防性保护发展。

安全评估：

从传统材质预测到构件整体承载力评估

北大红楼主要构件力学性能评估

基于无损勘查检测数据可以初步判断木构件内部的材质状态和缺陷大小等信息，再通过对材质数据有效提取、构件整体精细化模型构建，可对木构件承载力做出有效的预测和判断。近年来，中国林科院副研究员钟永通过对结构用木质材料力学性能抽样、标准值和设计值的确定，建立了整套结构用木质材料的可靠性安全评估体系，相关理论成果被国家标准《木结构设计标准》《木结构通用规范》采纳，成果应用于北京冬奥会场馆木结构、北京天安门城楼、北大红楼、装配式重组竹建筑等20多项委托项目，并于2021年获得梁希林业科学技术奖科技进步一等奖。

2021年，团队受中国文化遗产研究院和山西应县人民政府委托，在应县木塔主要构件材性及残余力学性能评估工作中，首次基于微观和宏观联合表征方法，揭示了应县木塔残损诱发机制，提出了应县木塔主要构件材性及残余力学性能的定量评估方法，并判别了应县木塔主要构件的相关性能指标，为其精准实施主动预防性保护提供科学支撑。该项目的圆满完成标志着木材工业研究所从传统材质预测发展到了构件整体承载力安全精准定量评估阶段。

木材保护：

从防腐防虫到生物多样性保护

山海关木构件勘查工作小组

做好古建筑新旧木构件的干燥、阻燃、防腐和防虫处理是保护古建筑行之有效的方法与必要的措施。中国林科院在木材物理干燥、木结构用材防腐防虫、户外或野外用材防腐、湿地用材防腐、阻燃木质材料制备技术等方面有着深厚的研究基础，研发的木材防腐防虫技术绿色环保且适于古建筑木构件与木质文物，已经在多项国家重点文物保护维修工程中应用。

1989年10月，布达拉宫规模最大的一次维修工程正式开工。中国林科院组成了以纪成操先生为首，包括王平、刘京全、高超英等一批木材学专家在内的布达拉宫防腐防虫小组，远赴西藏拉萨承担布达拉宫维修工程木构件防虫防腐项目。从1989年至2006年，团队先后9次承担或参与了包括布达拉宫、罗布林卡、萨加寺等西藏三大重点文物在内的西藏地区重点文物保护工程。

北京雨燕栖息对古建筑彩绘影响及保护项目工作现场

2018-2021年，中国林科院副研究员马星霞团队参与了“古建保护与城市生态”项目，并承担了其中的“北京雨燕栖息对古建筑木构件和彩绘影响及保护”任务，取得了突破性进展。由于“正阳门雨燕保护”项目取得了较好成果，正阳门模型作为唯一建筑实物模型，放置于联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会北京展厅的“黄金位置”，展示北京文物保护与生物多样性保护协同的创新成果。同时，教育部还将近10年来正阳门监测雨燕数据纳入全国小学生语文教材中，替换原本国外鸟类的数据素材，向青少年宣传中国生物多样性保护案例。

如何把我们的古建筑和木质文物保护工作做好，离不开对木材的科学认知，同时更需要精妙的技术工艺。未来，中国林科院木材工业研究所将发扬“科技工匠”精神，坚持“尊重木材本质”的原则，继续在木材识别技术、无损检测技术、结构承载性能评估技术、木材保护技术、木质修复与加固技术五大方面加强研究，突破技术应用瓶颈，更好服务古建筑木构件及木质文物保护工作。

作者 | 宋平 徐佳鹤

中国绿色时报 2022年1月28日

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