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周乾：用科學(xué)解碼紫禁城

2021年11月3日，人民大會(huì)堂舉行隆重表彰大會(huì)，2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)揭曉。在獲獎(jiǎng)單位名單中，眾多大專院校和科研院所中間，“故宮博物院”幾個(gè)字猶如一眾現(xiàn)代理工男中藏著的一位古典美人，矜持婉約，扇裁而立。

確實(shí)，不僅故宮博物院，整個(gè)文博行業(yè)都是首次獲此殊榮。為故宮博物院捧回這個(gè)大獎(jiǎng)的，是故宮學(xué)研究所研究館員周乾博士。

為故宮牽緣科技大獎(jiǎng)

初冬的早晨，和周乾約好在神武門碰面。神武門在故宮的最北端，高大的宮墻威嚴(yán)肅穆，橙黃的廡殿頂在朝霞的映襯下閃著金光，郭沫若先生所題的“故宮博物院”五個(gè)大字凝重而極富神韻。

遠(yuǎn)遠(yuǎn)地，只見一人從神武門疾步而出。藏藍(lán)色西服配白色旅游鞋，和此前周乾傳來(lái)的在人民大會(huì)堂領(lǐng)獎(jiǎng)時(shí)的照片一樣。此人正是周乾。

簡(jiǎn)短寒暄之后，隨周乾進(jìn)宮。在高大的紅墻間七拐八繞，轉(zhuǎn)到一處安靜的小院。從工作人員出入的小門進(jìn)去，豁然開朗，房屋是綠色琉璃瓦硬山頂，在一片紅墻黃頂?shù)母畸愄没手酗@得安靜而斯文?！斑@就是故宮學(xué)研究所，我辦公的地方?！敝芮鲃?dòng)介紹，“這里以前是皇子們讀書的地方，叫南三所，俗稱阿哥所。單院長(zhǎng)當(dāng)年說(shuō)，這里以前就是讀書之地，現(xiàn)在用來(lái)搞學(xué)術(shù)研究也合適?！敝芮f(shuō)的單院長(zhǎng)是故宮博物院前院長(zhǎng)單霽翔。

一直往里走，到了最西端的一間房屋，門口柱子上貼著一張B5白紙，上面寫著兩個(gè)字“周乾”，不禁讓人想起“對(duì)古建筑最小擾動(dòng)”的工作原則。

采訪是從國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)?wù)f起的。601歲的紫禁城是如何和科技進(jìn)步聯(lián)系起來(lái)的呢？

榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的《中國(guó)城鎮(zhèn)建筑遺產(chǎn)多尺度保護(hù)理論、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》項(xiàng)目，是由東南大學(xué)、中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、故宮博物院、中科院遙感與數(shù)字地球所、中建八局和浙江大學(xué)共同完成的，這是我國(guó)建筑學(xué)領(lǐng)域首次產(chǎn)生國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。在這個(gè)獲獎(jiǎng)單位名單中，“故宮博物院”幾個(gè)字顯得與眾不同，格外典雅。

故宮博物院得以參與這個(gè)項(xiàng)目，主要是科學(xué)評(píng)估了中國(guó)明清官式木構(gòu)古建筑的抗震機(jī)制，提出了榫卯節(jié)點(diǎn)加固的改進(jìn)方法，建立了明清官式木構(gòu)古建筑不同構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)整體精細(xì)化有限元分析模型，提升了我國(guó)木結(jié)構(gòu)文物的科學(xué)保護(hù)水平。

“這個(gè)大獎(jiǎng)對(duì)故宮博物院來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)榮譽(yù)，是對(duì)幾代故宮人科學(xué)保護(hù)古建筑的一種肯定?！闭f(shuō)著周乾站起身，“走，咱們?nèi)ヌ偷瞵F(xiàn)場(chǎng)看一下。”

初進(jìn)宮遇上太和殿

紫禁城外朝中軸線上，矗立著三座重要的建筑，由南至北分別是太和殿、中和殿、保和殿，其中太和殿俗稱金鑾殿，是紫禁城內(nèi)規(guī)模最大、等級(jí)最高、體量最大的建筑，也是中國(guó)現(xiàn)存最大的木結(jié)構(gòu)宮殿建筑。這里是皇帝舉行重要儀式的地方，也是見證很多重要?dú)v史時(shí)刻的地方。

“我很幸運(yùn)，一進(jìn)宮就遇上了太和殿。”周乾幽默地說(shuō)。

2003年，周乾從北京工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)，所學(xué)專業(yè)是防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程，側(cè)重于建筑結(jié)構(gòu)分析與安全評(píng)估。畢業(yè)前，周乾和幾名同學(xué)一起，參加了一場(chǎng)人才招聘會(huì)，就是在這個(gè)大集般的人才招聘會(huì)上，周乾投了多份簡(jiǎn)歷，其中一份投給了故宮博物院。

很快，一家建筑設(shè)計(jì)院決定錄用周乾。正當(dāng)周乾準(zhǔn)備去當(dāng)一名建筑設(shè)計(jì)師的時(shí)候，故宮博物院也向周乾拋來(lái)了橄欖枝。

盡管之前只去過(guò)一次故宮，但這個(gè)世界上最大的神秘古代宮殿群還是對(duì)周乾產(chǎn)生了巨大的吸引力。這個(gè)曾經(jīng)的帝王之家，今日的文化圣殿，是中國(guó)傳統(tǒng)建筑文化之經(jīng)典。“進(jìn)宮！”周乾從此放棄了從事建筑設(shè)計(jì)的職業(yè)前景，來(lái)到故宮?！耙蝗雽m門深似海?！敝芮χf(shuō)，“故宮的學(xué)問(wèn)太深了?！?/P>

初進(jìn)宮周乾被分配在古建部，來(lái)報(bào)到才知道，當(dāng)時(shí)整個(gè)故宮只有周乾一個(gè)人是學(xué)建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的。不僅如此，木構(gòu)古建的結(jié)構(gòu)分析與安全評(píng)估，在國(guó)內(nèi)起步也只有二三十年，真正從事這項(xiàng)工作的工程師，屈指可數(shù)。

周乾是幸運(yùn)的，一進(jìn)宮就趕上了太和殿百年大修。太和殿自1697年至2003年，三百余年間還從未經(jīng)歷過(guò)大修?！肮糯そ碃I(yíng)建修繕建筑都是采用口傳心授的方式，由師傅傳給徒弟，主要憑的是經(jīng)驗(yàn)，太和殿之前的幾次修繕也都是采用這樣的方式。這次大修，領(lǐng)導(dǎo)要求我現(xiàn)場(chǎng)勘查后進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，再進(jìn)行安全評(píng)估，拿出修繕建議?！边@段18年前的往事，周乾至今記憶猶新。

周乾被院里委任負(fù)責(zé)古建筑結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)估工作，在這千載難逢的機(jī)遇中，周乾被古人的建筑智慧深深折服，同時(shí)也開始思考，如何更好地保護(hù)這些美輪美奐的古代宮殿。此后兩年的時(shí)間里，周乾為太和殿進(jìn)行了一系列“體檢”，從安全角度為太和殿大修提供了重要的施工依據(jù)。

2008年，歷時(shí)兩年的太和殿大修終于完工，周乾在勘查計(jì)算分析后提出的修繕建議，均被采納。今天我們看到的太和殿，就是此次大修后的樣子。“這次太和殿大修，反映了中國(guó)古建筑保護(hù)人員具備了對(duì)文物采取及時(shí)有效保護(hù)的能力和水平?！敝芮粺o(wú)自豪地說(shuō)。

從太和殿開始，故宮古建開始大面積“體檢”，故宮角樓、神武門、英華殿、慈寧花園臨溪亭、乾隆花園建筑群、咸福宮建筑群、建福宮建筑群……迄今已有39座古建完成了建筑安全評(píng)估。從現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度為故宮古建筑“體檢”，這還是頭一遭。

工地現(xiàn)場(chǎng)就是靈感源泉

周乾從小就愛(ài)動(dòng)腦子，小時(shí)候雖然功課并不拔尖，但凡事好問(wèn)個(gè)“為什么”，到了大學(xué)，愛(ài)琢磨的周乾如魚得水，成績(jī)很快在同學(xué)中脫穎而出，參加工作之后，這個(gè)好習(xí)慣更是被他發(fā)揮得淋漓盡致。

在太和殿大修時(shí)，一個(gè)突出的問(wèn)題就是榫卯節(jié)點(diǎn)的加固。周乾和同事勘查發(fā)現(xiàn)：太和殿三次間正身順梁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的榫頭下沉問(wèn)題，下沉量約為0.1米，且與榫頭相連接的童柱卯口出現(xiàn)開裂，而順梁的其他部位完好。

這是怎么回事呢？周乾一面向有經(jīng)驗(yàn)的同事學(xué)習(xí)古建筑大木構(gòu)造的基本知識(shí)，一面查詢相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合有限元分析方法，建立順梁的力學(xué)分析模型。他發(fā)現(xiàn)榫頭破壞的主要原因是屋頂傳給順梁的重量過(guò)大，導(dǎo)致榫頭局部受力破壞。之所以破壞發(fā)生在榫卯節(jié)點(diǎn)位置，而順梁其他部位完好，主要原因是榫頭與卯口在制作過(guò)程中削除了部分截面，使得該部位的抵抗力降低。

經(jīng)過(guò)反復(fù)研究比較，周乾提供了幾種可行的加固方案，經(jīng)過(guò)專家論證，工程最終采用了傳統(tǒng)“龍門戧”式支頂?shù)姆椒庸添樍?。加固后的順梁至今完好?/P>

5年后，周乾從北京工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)（在職）博士畢業(yè)，博士論文題目是“中國(guó)古建筑榫卯結(jié)構(gòu)抗震性能與加固方法研究”，這篇論文的研究對(duì)象，就是太和殿大修工程中那根下沉順梁的榫頭。

2008年5月12日，四川汶川映秀鎮(zhèn)發(fā)生了里氏8.0級(jí)特大地震，震中最大烈度達(dá)11度。位于距映秀鎮(zhèn)189公里的劍閣縣覺(jué)苑寺，在此次地震中受到了一定的破壞。同年7月，應(yīng)當(dāng)?shù)匚奈锉Ｗo(hù)部門請(qǐng)求，經(jīng)國(guó)家文物局推薦，周乾和同單位古建部、工程管理處的同事共7人赴覺(jué)苑寺，開展古建筑群的震害勘查和評(píng)估。

這次評(píng)估的對(duì)象包括覺(jué)苑寺大雄寶殿、藏經(jīng)樓、東西廂房、觀音閣、陸游館、文昌宮等多座建筑。交通不便、條件簡(jiǎn)陋、烈日暴曬、余震頻發(fā)，周乾和隊(duì)友們想方設(shè)法克服各種困難，一周之內(nèi)拍攝照片3000余張，完成古建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)估初步分析報(bào)告約3萬(wàn)字。

作為團(tuán)隊(duì)中唯一的力學(xué)專業(yè)成員，開展震后評(píng)估的重任無(wú)疑落在了周乾肩上。每天不到五點(diǎn)，天還沒(méi)亮周乾就早早起床，仔細(xì)分析前一天勘查的照片資料，繪制當(dāng)天需要勘查建筑的草圖，調(diào)試各種勘查設(shè)備。天亮出發(fā)，周乾和隊(duì)友們珍惜每一秒時(shí)間，拍照、畫圖、測(cè)量、討論、記錄，不放過(guò)古建筑每一個(gè)細(xì)節(jié)，努力做到完整、完善、科學(xué)地記錄古建筑的震后現(xiàn)狀。晚上回到駐地，大家又一起討論古建筑保護(hù)的相關(guān)問(wèn)題，定制第二天的工作計(jì)劃。

知道災(zāi)區(qū)急需評(píng)估報(bào)告，回京后，周乾馬不停蹄地整理勘查的圖像和數(shù)據(jù)資料，迅速建立了古建筑的地震評(píng)估力學(xué)模型，模擬汶川地震作用對(duì)上述古建筑的破壞，分析不同古建筑的震害原因，提出了科學(xué)有效的保護(hù)建議。這些建議后來(lái)均為當(dāng)?shù)匚奈锕芾聿块T采納。

機(jī)會(huì)總是眷顧那些有準(zhǔn)備的人。完成對(duì)覺(jué)苑寺古建筑群的震害評(píng)估及抗震加固相關(guān)工作后，周乾根據(jù)自己的研究心得，從力學(xué)專業(yè)角度出發(fā)，撰寫了《汶川地震古建筑震害研究》《汶川地震導(dǎo)致的壁畫文物震害研究——以廣元市覺(jué)苑寺大雄寶殿壁畫為例》《汶川地震古建筑輕度震害研究》《汶川地震含嵌固墻體木結(jié)構(gòu)震害分析》《墻倒屋不塌是我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)的重要抗震機(jī)理》等論文，較為全面地解讀了我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征、抗震機(jī)理、震害特點(diǎn)，以及力學(xué)分析模型的建立方法、抗震性能評(píng)定方法、科學(xué)保護(hù)與加固方法等，對(duì)于我國(guó)古建筑的抗震保護(hù)與維修加固提供了寶貴的圖像和數(shù)據(jù)資料。

解碼古人抗震智慧

每每站在宮殿前，端詳宮殿的一梁一柱，一門一窗，周乾都有一種和古人對(duì)話的感覺(jué)——紫禁城里這么多秘密，你能破解多少？

自1420年至今，北京地區(qū)發(fā)生了大大小小的地震有222次，紫禁城均安然無(wú)恙。這其中的秘密是什么呢？

中國(guó)古建筑則以木結(jié)構(gòu)為最常見，怕火但抗震性能良好。木結(jié)構(gòu)古建具體是如何抗震減震的呢？能不能對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)分析呢？在勘查太和殿的過(guò)程中，周乾逐漸萌生了一個(gè)大膽的想法：用現(xiàn)代科學(xué)解碼古建秘密。

“這是柱頂石，也叫柱礎(chǔ)?！敝芮钢蟮铋苤康囊粔K不起眼的石頭說(shuō)，“柱頂石是古代中國(guó)建筑裝飾藝術(shù)的一個(gè)縮影，其主要作用就是緩沖地震?！?/P>

木制的柱子在地面很容易霉變腐敗，所以墊上柱頂石，使柱子高于地面防止腐變。仔細(xì)看，柱子并不是插進(jìn)柱頂石中，而是平擺浮放在柱頂石上的，立柱與柱頂石并不存在拉接關(guān)系，柱頂石頂面面積大于木柱截面面積，在發(fā)生地震時(shí)，柱子根部反復(fù)在柱頂石表面滑動(dòng)，地震結(jié)束后可基本恢復(fù)到初始狀態(tài)，緩沖了地震的破壞作用，具有四兩撥千斤的效果。

紫禁城的營(yíng)建頗像搭積木，這種“搭建”的營(yíng)建方式，充分體現(xiàn)了中國(guó)傳統(tǒng)木作的精巧和科學(xué)。永樂(lè)四年（1406年），明成祖朱棣下詔，以南京皇宮為藍(lán)本，興建北京皇宮。營(yíng)建紫禁城一共用了14年時(shí)間，其中11年用于準(zhǔn)備工作，包括去全國(guó)各地開采各種木材和石材，再運(yùn)輸?shù)奖本渲羞^(guò)程歷盡艱辛。立柱和梁枋采用榫卯方式連接，正是采取了這樣的方式，古代工匠將木構(gòu)件預(yù)先加工好，在現(xiàn)場(chǎng)直接安裝，真正“搭建”完成紫禁城9000多間房屋，只用了短短3年時(shí)間。

紫禁城的宮殿多為廡殿頂和歇山頂，碩大的屋頂披著橙黃色的琉璃瓦，和端莊大氣的紅墻共同組成華麗威嚴(yán)的皇家色調(diào)，在黃瓦紅墻之間，是青綠色的額枋以及鑲著金邊的斗拱。

一個(gè)個(gè)斗形和弓形的木構(gòu)件環(huán)環(huán)搭扣又層層疊加，緊密而有序，盡現(xiàn)中國(guó)古建繁復(fù)之美。斗拱，為了滿足高大宮殿屋頂出檐深遠(yuǎn)的要求而生，并逐漸發(fā)展成為屋檐下一道美麗的風(fēng)景。

“斗拱是集建筑力學(xué)和美學(xué)于一體的典型。”周乾說(shuō)自己在古建面前，總是習(xí)慣一邊欣賞一邊琢磨，喜歡從專業(yè)角度觀察古建的科學(xué)原理。

“斗拱的力學(xué)智慧精華在于它的抗震本領(lǐng)。斗拱由木材制成，很容易產(chǎn)生變形并可以迅速恢復(fù)原狀，斗拱在豎向由一層層構(gòu)件疊加起來(lái)，就像一層層彈簧連起來(lái)。發(fā)生地震時(shí)，斗拱像彈簧一樣反復(fù)做壓縮、復(fù)原運(yùn)動(dòng)，不斷消弱地震力?！敝芮v得妙趣橫生，“斗拱還能產(chǎn)生自動(dòng)恢復(fù)功能，猶如不倒翁，這是因?yàn)槎饭吧喜矿w積大但構(gòu)件單體截面尺寸小，下部體積小但構(gòu)件單體截面尺寸大。斗拱的重心位于斗拱的下方，在水平地震力的作用下，盡管產(chǎn)生搖擺但不易傾覆?！?/P>

周乾指著斗拱最底層的坐斗說(shuō)：“坐斗截面尺寸最大，增大了斗拱與其底部的接觸面。斗拱這種彈簧特性，從科學(xué)的角度稱為‘隔震’。”周乾形象地打了一個(gè)比方，“就像霍元甲接西方拳師的拳頭，倒退幾步，以柔克剛。”

愛(ài)上“講故事”的科普達(dá)人

每一座古建筑背后都有一個(gè)時(shí)代的故事，每一座古建筑都是一部木頭與磚石構(gòu)建的史書。作為一名古建筑專家，周乾近年來(lái)熱衷于“講故事”，講故宮的故事，講古建筑的故事。這樣的“跨界”，源于一次偶然的經(jīng)歷。

2015年5月的一天，周乾推著自行車，由東向西穿過(guò)午門北廣場(chǎng)時(shí)，遇到一名導(dǎo)游正興高采烈地指著太和門屋頂，給游客們講屋頂小獸的來(lái)源。導(dǎo)游說(shuō)，在很久以前，天上有很多神仙，他們?cè)谝黄鹱鲇螒?，累了后就下凡到人間，落在屋頂上，變成了小獸。這不是胡說(shuō)嗎？屋頂設(shè)置小獸是因?yàn)槲菁共课坏匿佂吣嗪芎?，?dǎo)致瓦件下滑，古代工匠為了避免這個(gè)問(wèn)題，在瓦上固定了鐵釘，鐵釘長(zhǎng)期暴露在空氣中會(huì)銹蝕，因而工匠在鐵釘上做了套獸的造型。

這件事使得周乾陷入了深思。故宮古建筑有著博大的文化和歷史內(nèi)涵，需要去弘揚(yáng)和傳承，但前提是需要準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行解讀。于是，周乾萌發(fā)了“準(zhǔn)確講好故宮故事”的想法。

從2016年開始，周乾陸續(xù)在國(guó)內(nèi)多個(gè)高校、博物館、圖書館開展故宮古建筑文化講座，平均每年有五十余場(chǎng)，成為一名地道的文化使者?！豆蕦m古建筑的力與美》《紫禁城古建筑營(yíng)建思想》《圖說(shuō)紫禁城中軸線古建筑》《故宮古建小獸像》《故宮宮廷生活設(shè)施解密》《太和殿——建筑技藝、建筑美學(xué)與建筑文化》……每一場(chǎng)講座都廣受歡迎。

除了講座，周乾還撰寫了大量的適合于公眾閱讀的故宮古建筑文章，《紫禁城也有“報(bào)警神器”》解讀了清代紫禁城內(nèi)的警報(bào)裝置——石別拉的構(gòu)造特點(diǎn)和使用方法；《紫禁城里說(shuō)“透風(fēng)”》科普了紫禁城古建筑墻體內(nèi)的立柱很少糟朽的空氣動(dòng)力學(xué)原理；《紫禁城的黃金外衣是怎么“穿”上的》揭秘了紫禁城金碧輝煌外觀與古建筑“貼金”技藝的關(guān)系；《“一畝三分地”：古代農(nóng)業(yè)發(fā)展的樸素哲學(xué)觀》詮釋了“一畝三分地”說(shuō)法的來(lái)源及明清帝王鼓勵(lì)春耕的主要做法；《雍正父子“發(fā)明”的機(jī)械風(fēng)扇》介紹了紫禁城清代帝王研發(fā)的機(jī)械風(fēng)扇及使用方法；《古建筑修復(fù)竟敢“偷梁換柱”》再現(xiàn)了故宮太和殿大修時(shí)采用的“偷梁換柱”加固技術(shù)……這些文章科學(xué)、客觀、真實(shí)地解讀故宮古建筑包含的古代科學(xué)、歷史、文化和藝術(shù)，內(nèi)容豐富有趣，周乾也坐實(shí)了古建筑界“科普達(dá)人”的稱號(hào)。

從工程師、高級(jí)工程師到研究館員，從古建專家到文化使者、科普達(dá)人，人生不設(shè)限，職場(chǎng)就沒(méi)有天花板。周乾說(shuō)：“這種無(wú)限可能正是故宮帶給我的，我非常幸運(yùn)?！保▌P(yáng)）

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