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周乾：用科學(xué)解碼紫禁城

2021年11月3日，人民大會堂舉行隆重表彰大會，2020年度國家科學(xué)技術(shù)進步獎揭曉。在獲獎單位名單中，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，不僅故宮博物院，整個文博行業(yè)都是首次獲此殊榮。為故宮博物院捧回這個大獎的，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

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”五個大字凝重而極富神韻。

遠遠地，只見一人從神武門疾步而出。藏藍色西服配白色旅游鞋，和此前周乾傳來的在人民大會堂領(lǐng)獎時的照片一樣。此人正是周乾。

簡短寒暄之后，隨周乾進宮。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。“這就是故宮學(xué)研究所，我辦公的地方?！敝芮鲃咏榻B，“這里以前是皇子們讀書的地方，叫南三所，俗稱阿哥所。單院長當年說，這里以前就是讀書之地，現(xiàn)在用來搞學(xué)術(shù)研究也合適?！敝芮f的單院長是故宮博物院前院長單霽翔。

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，上面寫著兩個字“周乾”，不禁讓人想起“對古建筑最小擾動”的工作原則。

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

榮獲國家科技進步一等獎的《中國城鎮(zhèn)建筑遺產(chǎn)多尺度保護理論、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》項目，是由東南大學(xué)、中國建筑設(shè)計研究院、中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院、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，這是我國建筑學(xué)領(lǐng)域首次產(chǎn)生國家科技進步獎一等獎。在這個獲獎單位名單中，“故宮博物院”幾個字顯得與眾不同，格外典雅。

故宮博物院得以參與這個項目，主要是科學(xué)評估了中國明清官式木構(gòu)古建筑的抗震機制，提出了榫卯節(jié)點加固的改進方法，建立了明清官式木構(gòu)古建筑不同構(gòu)造、節(jié)點及結(jié)構(gòu)整體精細化有限元分析模型，提升了我國木結(jié)構(gòu)文物的科學(xué)保護水平。

“這個大獎對故宮博物院來說是一項榮譽，是對幾代故宮人科學(xué)保護古建筑的一種肯定?！闭f著周乾站起身，“走，咱們?nèi)ヌ偷瞵F(xiàn)場看一下。”

初進宮遇上太和殿

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、等級最高、體量最大的建筑，也是中國現(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，也是見證很多重要歷史時刻的地方。

“我很幸運，一進宮就遇上了太和殿?！敝芮哪卣f。

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)與防護工程，側(cè)重于建筑結(jié)構(gòu)分析與安全評估。畢業(yè)前，周乾和幾名同學(xué)一起，參加了一場人才招聘會，就是在這個大集般的人才招聘會上，周乾投了多份簡歷，其中一份投給了故宮博物院。

很快，一家建筑設(shè)計院決定錄用周乾。正當周乾準備去當一名建筑設(shè)計師的時候，故宮博物院也向周乾拋來了橄欖枝。

盡管之前只去過一次故宮，但這個世界上最大的神秘古代宮殿群還是對周乾產(chǎn)生了巨大的吸引力。這個曾經(jīng)的帝王之家，今日的文化圣殿，是中國傳統(tǒng)建筑文化之經(jīng)典?！斑M宮！”周乾從此放棄了從事建筑設(shè)計的職業(yè)前景，來到故宮?！耙蝗雽m門深似海。”周乾笑著說，“故宮的學(xué)問太深了?！?/P>

初進宮周乾被分配在古建部，來報到才知道，當時整個故宮只有周乾一個人是學(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)分析與安全評估，在國內(nèi)起步也只有二三十年，真正從事這項工作的工程師，屈指可數(shù)。

周乾是幸運的，一進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)歷過大修?！肮糯そ碃I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，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)場勘查后進行結(jié)構(gòu)力學(xué)計算，再進行安全評估，拿出修繕建議。”這段18年前的往事，周乾至今記憶猶新。

周乾被院里委任負責(zé)古建筑結(jié)構(gòu)安全分析與評估工作，在這千載難逢的機遇中，周乾被古人的建筑智慧深深折服，同時也開始思考，如何更好地保護這些美輪美奐的古代宮殿。此后兩年的時間里，周乾為太和殿進行了一系列“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，歷時兩年的太和殿大修終于完工，周乾在勘查計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?！斑@次太和殿大修，反映了中國古建筑保護人員具備了對文物采取及時有效保護的能力和水平?！敝芮粺o自豪地說。

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)場就是靈感源泉

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

在太和殿大修時，一個突出的問題就是榫卯節(jié)點的加固。周乾和同事勘查發(fā)現(xiàn)：太和殿三次間正身順梁出現(xiàn)較為嚴重的榫頭下沉問題，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)驗的同事學(xué)習(xí)古建筑大木構(gòu)造的基本知識，一面查詢相關(guān)文獻，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程中削除了部分截面，使得該部位的抵抗力降低。

經(jīng)過反復(fù)研究比較，周乾提供了幾種可行的加固方案，經(jīng)過專家論證，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級特大地震，震中最大烈度達11度。位于距映秀鎮(zhèn)189公里的劍閣縣覺苑寺，在此次地震中受到了一定的破壞。同年7月，應(yīng)當?shù)匚奈锉Ｗo部門請求，經(jīng)國家文物局推薦，周乾和同單位古建部、工程管理處的同事共7人赴覺苑寺，開展古建筑群的震害勘查和評估。

這次評估的對象包括覺苑寺大雄寶殿、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、條件簡陋、烈日暴曬、余震頻發(fā)，周乾和隊友們想方設(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)安全評估初步分析報告約3萬字。

作為團隊中唯一的力學(xué)專業(yè)成員，開展震后評估的重任無疑落在了周乾肩上。每天不到五點，天還沒亮周乾就早早起床，仔細分析前一天勘查的照片資料，繪制當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)，周乾和隊友們珍惜每一秒時間，拍照、畫圖、測量、討論、記錄，不放過古建筑每一個細節(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的相關(guān)問題，定制第二天的工作計劃。

知道災(zāi)區(qū)急需評估報告，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估力學(xué)模型，模擬汶川地震作用對上述古建筑的破壞，分析不同古建筑的震害原因，提出了科學(xué)有效的保護建議。這些建議后來均為當?shù)匚奈锕芾聿块T采納。

機會總是眷顧那些有準備的人。完成對覺苑寺古建筑群的震害評估及抗震加固相關(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》《墻倒屋不塌是我國古建筑木結(jié)構(gòu)的重要抗震機理》等論文，較為全面地解讀了我國古建筑木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征、抗震機理、震害特點，以及力學(xué)分析模型的建立方法、抗震性能評定方法、科學(xué)保護與加固方法等，對于我國古建筑的抗震保護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話的感覺——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，紫禁城均安然無恙。這其中的秘密是什么呢？

中國古建筑則以木結(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？能不能對其進行精準分析呢？在勘查太和殿的過程中，周乾逐漸萌生了一個大膽的想法：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，“柱頂石是古代中國建筑裝飾藝術(shù)的一個縮影，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。仔細看，柱子并不是插進柱頂石中，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，柱子根部反復(fù)在柱頂石表面滑動，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。

紫禁城的營建頗像搭積木，這種“搭建”的營建方式，充分體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)木作的精巧和科學(xué)。永樂四年（1406年），明成祖朱棣下詔，以南京皇宮為藍本，興建北京皇宮。營建紫禁城一共用了14年時間，其中11年用于準備工作，包括去全國各地開采各種木材和石材，再運輸?shù)奖本?，其中過程歷盡艱辛。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。

一個個斗形和弓形的木構(gòu)件環(huán)環(huán)搭扣又層層疊加，緊密而有序，盡現(xiàn)中國古建繁復(fù)之美。斗拱，為了滿足高大宮殿屋頂出檐深遠的要求而生，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，就像一層層彈簧連起來。發(fā)生地震時，斗拱像彈簧一樣反復(fù)做壓縮、復(fù)原運動，不斷消弱地震力?！敝芮v得妙趣橫生，“斗拱還能產(chǎn)生自動恢復(fù)功能，猶如不倒翁，這是因為斗拱上部體積大但構(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。”

周乾指著斗拱最底層的坐斗說：“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比方，“就像霍元甲接西方拳師的拳頭，倒退幾步，以柔克剛?！?/P>

愛上“講故事”的科普達人

每一座古建筑背后都有一個時代的故事，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，由東向西穿過午門北廣場時，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源。導(dǎo)游說，在很久以前，天上有很多神仙，他們在一起做游戲，累了后就下凡到人間，落在屋頂上，變成了小獸。這不是胡說嗎？屋頂設(shè)置小獸是因為屋脊部位的鋪瓦泥很厚，導(dǎo)致瓦件下滑，古代工匠為了避免這個問題，在瓦上固定了鐵釘，鐵釘長期暴露在空氣中會銹蝕，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，需要去弘揚和傳承，但前提是需要準確地對其進行解讀。于是，周乾萌發(fā)了“準確講好故宮故事”的想法。

從2016年開始，周乾陸續(xù)在國內(nèi)多個高校、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，成為一名地道的文化使者?！豆蕦m古建筑的力與美》《紫禁城古建筑營建思想》《圖說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“報警神器”》解讀了清代紫禁城內(nèi)的警報裝置——石別拉的構(gòu)造特點和使用方法；《紫禁城里說“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”說法的來源及明清帝王鼓勵春耕的主要做法；《雍正父子“發(fā)明”的機械風(fēng)扇》介紹了紫禁城清代帝王研發(fā)的機械風(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采用的“偷梁換柱”加固技術(shù)……這些文章科學(xué)、客觀、真實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，周乾也坐實了古建筑界“科普達人”的稱號。

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

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