安 程，李玉敏

（1.機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100055；2. 北京國文琰文化遺產(chǎn)保護(hù)中心有限公司，北京 1001912）

1 研究背景

1.1 對石窟賦存環(huán)境的研究日益受到重視

我國石窟寺、石刻的病害劣化類型眾多、成因復(fù)雜，材質(zhì)、工藝等構(gòu)成了物質(zhì)遺存內(nèi)因，氣候、地質(zhì)等構(gòu)成了賦存環(huán)境外因。石窟內(nèi)外因的復(fù)雜性、多樣性結(jié)合，使得每個石窟都由于其內(nèi)、外因特點(diǎn)而最終產(chǎn)生特有的石窟環(huán)境相互作用機(jī)制[1]，并在常年的相互影響中達(dá)到了某種動態(tài)平衡。由于石窟環(huán)境因素是病害劣化的關(guān)鍵影響因素之一[2]，因此對石窟賦存環(huán)境（包括氣候環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境）進(jìn)行系統(tǒng)、全面的分析，已逐漸被視為石窟文物保護(hù)的重要基礎(chǔ)與先期工作之一。

圖1 CFD模擬在石窟保護(hù)中的案例——針對莫高窟“前室”的計(jì)算機(jī)模擬[3]

1.2 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)

CFD模擬技術(shù)是廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、航空航天等領(lǐng)域的成熟技術(shù)，具有成果直觀、工作周期短、靈活性高、成本低的優(yōu)勢。作為近年來引入石窟保護(hù)工作的技術(shù)手段，CFD模擬有效地彌補(bǔ)了理論分析與實(shí)地監(jiān)測的短板：其一，計(jì)算機(jī)模擬有利于形象、簡便地刻畫復(fù)雜的數(shù)理分析過程與結(jié)果，并幫助保護(hù)工作者快速地獲得石窟所在空間中全位置、全時間環(huán)境數(shù)據(jù)；其二，石窟文物物質(zhì)遺存與賦存環(huán)境聯(lián)系緊密，是牽一發(fā)動全身的復(fù)雜動態(tài)平衡系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)模擬同時處理耦合參數(shù)的特點(diǎn)，可以在較大程度上避免片面化與割裂化；其三，計(jì)算機(jī)模擬在開展預(yù)測式分析、支撐預(yù)防性保護(hù)上有較為明顯的優(yōu)勢，通過與理論分析、實(shí)地監(jiān)測有機(jī)結(jié)合，可以對保護(hù)措施進(jìn)行快速便捷的保護(hù)效果模擬，有利于方案比選及優(yōu)化。

1.3 CFD模擬在文物領(lǐng)域的應(yīng)用

目前CFD計(jì)算機(jī)模擬在文物保護(hù)研究與實(shí)踐中已經(jīng)得到初步應(yīng)用，包括區(qū)域環(huán)境模擬和微環(huán)境模擬兩種常見情況。

通過應(yīng)用CFD技術(shù)，可以對開放環(huán)境的溫度場、濕度場、風(fēng)場進(jìn)行模擬，如尚瑞華等分析了莫高窟窟區(qū)綠化與熱島效應(yīng)防控間的聯(lián)系，并據(jù)此得出“通過調(diào)整窟區(qū)綠化的種植密度,能夠改善甚至消除窟區(qū)背風(fēng)區(qū)域的高熱環(huán)境”的指導(dǎo)性結(jié)論[4]。

相比于區(qū)域環(huán)境模擬，文物微環(huán)境的CFD模擬實(shí)踐更為普遍。周偉強(qiáng)對石質(zhì)文物表面污染物微粒子噴射清洗過程進(jìn)行了模擬，確定了微粒子噴射清洗在不同工況下的去除作用模式及其變化規(guī)律[5]；馬長振對7個星佛寺風(fēng)蝕病害進(jìn)行了氣-固二相流數(shù)值模擬分析[6]；陳曦對造像表面顆粒沉積數(shù)量及位置進(jìn)行了分析[7]；王宇昂進(jìn)行了遺址博物館內(nèi)溫度場、流場的優(yōu)化模擬[8]；李松璘對漢陽陵土遺址封閉保護(hù)區(qū)內(nèi)的溫、濕度場進(jìn)行了預(yù)測性研究[9]；王素玉針對戊己庚樓進(jìn)行了自然通風(fēng)模擬[10]；清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)對午門博物館新建展廳內(nèi)氣流組織進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]。

2 文物保護(hù)領(lǐng)域CFD模擬應(yīng)用面臨的問題

可以看出，文物保護(hù)領(lǐng)域現(xiàn)有的CFD模擬研究與應(yīng)用主要面向解決文物賦存環(huán)境的溫度場、濕度場以及流場問題；研究對象既包括了遺址博物館、古建筑等封閉區(qū)域環(huán)境，石窟寺摩崖造像等半封閉乃至開放區(qū)域環(huán)境，以及文物表面附近的微環(huán)境等。

在初步應(yīng)用并取得一定研究、實(shí)踐成果的同時，CFD模擬在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用也面臨著一些問題：

第一，應(yīng)用目標(biāo)與應(yīng)用范圍較為模糊。服務(wù)于文物保護(hù)需求是CFD模擬在文物保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的最終目標(biāo)，但目前相關(guān)應(yīng)用尚處初期階段，針對文物保護(hù)工作需求的環(huán)境模擬目標(biāo)尚未明確，環(huán)境模擬能解決哪些文物保護(hù)工作關(guān)注的具體問題、解決這些問題又需要哪些前提條件也未得到系統(tǒng)梳理。

第二，與文物保護(hù)工作成果結(jié)合不夠緊密。從前述案例可以發(fā)現(xiàn)，目前文物環(huán)境模擬與文物數(shù)字化勘察測繪、文物本體及環(huán)境的檢測監(jiān)測等工作尚處于各自獨(dú)立乃至相互割裂的狀態(tài)。

第三，結(jié)果可信度存疑。目前文物環(huán)境模擬尚沒有統(tǒng)一公認(rèn)的準(zhǔn)確性判斷標(biāo)準(zhǔn)，且部分案例對成果展示重視有余，對準(zhǔn)確性、可信度的判斷重視不足，這導(dǎo)致“計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果是否可以作為值得信賴的文物保護(hù)決策信息”的存疑。

為了在石窟寺摩崖造像保護(hù)中充分發(fā)揮CFD模擬技術(shù)特點(diǎn)，筆者對上述“應(yīng)用范圍模糊”“與現(xiàn)有工作成果結(jié)合薄弱”“可信度面臨質(zhì)疑”3個CFD模擬在文物保護(hù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題，分別提出解決方案及技術(shù)路線。

3 CFD模擬技術(shù)適用范圍探討

3.1 不同環(huán)境條件對石窟文物的影響分析

石窟處在開放或半開放的自然環(huán)境中，存在多周期復(fù)合的時域變化，如不同年份、季節(jié)，以及降雨前后、一天中不同時段等。此外，窟龕由于朝向、高度、進(jìn)深、與植被及水體相對位置不同，窟龕微環(huán)境也存在著空間層面的差異[12]。

通過靈活地設(shè)定CFD模擬的空氣溫度、濕度、風(fēng)速等邊界條件，以及設(shè)置周邊植被、水體等要素，可以分析全年平均、不同季節(jié)典型氣候、午間日光直射或西曬等特定時段，以及對文物危害最大的極端高低溫濕度、風(fēng)速極值等不同實(shí)際邊界條件下文物賦存條件情況，還可以根據(jù)保護(hù)工作開展的特定需要設(shè)定虛擬的邊界條件。

3.2 通過CFD模擬實(shí)現(xiàn)復(fù)雜耦合環(huán)境參數(shù)分析

國內(nèi)外長期的保護(hù)工作實(shí)踐表明，溫度、濕度、風(fēng)、降雨等石窟賦存環(huán)境關(guān)鍵影響因素存在明顯的耦合現(xiàn)象[12]，傳統(tǒng)技術(shù)手段往往局限于單一環(huán)境變量研究[13]，在石窟賦存環(huán)境這一更為復(fù)雜的多變量系統(tǒng)的分析有所不足。

CFD模擬的技術(shù)特點(diǎn)決定了其可通過同時求解石窟賦存環(huán)境的溫度場、濕度場、流場，解決基于氣候環(huán)境的石窟環(huán)境關(guān)鍵因素耦合問題。達(dá)成上述目標(biāo)的前提條件在于切實(shí)開展石窟環(huán)境監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與病害劣化機(jī)理研究有機(jī)結(jié)合。

3.3 通過CFD模擬部分實(shí)現(xiàn)保護(hù)措施效果評估及優(yōu)化設(shè)計(jì)

從古至今，構(gòu)建窟檐或其它保護(hù)建筑都是石窟寺摩崖造像重要的保護(hù)措施之一[14]。但由于石窟復(fù)雜的本體屬性與賦存環(huán)境，對窟檐或其它保護(hù)建筑難以進(jìn)行科學(xué)定量評估。

通過對石窟本體與窟檐、保護(hù)建筑同時建模，可以從溫濕度場、風(fēng)場等角度，對采取保護(hù)措施后的文物賦存環(huán)境進(jìn)行宏觀、定量評價，有利于科學(xué)、全面、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化或方案比選。

4 CFD模擬與其他文物保護(hù)工作結(jié)合

4.1 與病害劣化調(diào)查和機(jī)理研究結(jié)合

通過病害劣化調(diào)查和機(jī)理研究，可以得出某個具體石窟文物保護(hù)的關(guān)鍵影響參數(shù)。在病害劣化調(diào)查和機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，CFD模擬工作應(yīng)根據(jù)參數(shù)的重要性、變化幅度、可測性、可控性情況，設(shè)置模擬的初始條件、邊界條件以及求解模型和參數(shù)，形成“明確病害劣化機(jī)理-揭示物理化學(xué)過程-確定關(guān)鍵影響參數(shù)-關(guān)鍵影響參數(shù)模擬-判斷病害劣化發(fā)展趨勢”的完整鏈條，確保模擬結(jié)果能為病害劣化發(fā)展趨勢的判斷提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 與文物本體檢測和環(huán)境監(jiān)測結(jié)合

病害劣化調(diào)查與機(jī)理研究從定性層面確定了模擬的求解對象、已知條件有哪些，而科學(xué)定量地獲取模擬的已知條件則依賴文物本體檢測與環(huán)境監(jiān)測。具體而言，淺表層巖體的滲透系數(shù)、巖體-水蒸氣二元擴(kuò)散系數(shù)、鹽類化學(xué)組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)等文物本體物化參數(shù)，應(yīng)盡量與本體檢測工作結(jié)合以獲取一手詳實(shí)數(shù)據(jù)；空氣溫濕度、降水量、風(fēng)速等賦存環(huán)境參數(shù)，應(yīng)盡量與環(huán)境監(jiān)測工作結(jié)合以獲取實(shí)時準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

4.3 與文物數(shù)字化勘察測繪結(jié)合

CFD模擬的一大優(yōu)勢在于直觀、空間化，這離不開與數(shù)字化勘察測繪工作的有機(jī)結(jié)合。具體來說，通過三維激光掃描等手段獲取的石窟三維數(shù)字化信息，經(jīng)過一定后期處理后可以轉(zhuǎn)化為CFD模擬軟件識別的模型文件。通過將文物本體和保護(hù)建筑等附屬物的空間信息導(dǎo)入，可以在確保模型最大程度反映文物特點(diǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)保護(hù)建筑內(nèi)外、保護(hù)建筑構(gòu)建前后、不同保護(hù)建筑設(shè)計(jì)方案等多種石窟微環(huán)境的模擬對比。

5 石窟文物CFD模擬可信性的判定與提高

CFD模擬的驗(yàn)證與可信度是廣泛存在于航空、汽車、建筑等應(yīng)用領(lǐng)域的普遍問題。針對這一問題，其它應(yīng)用領(lǐng)域普遍認(rèn)為，應(yīng)將模擬工作看作真實(shí)世界、概念模型、計(jì)算模型組成的閉環(huán)，如圖2所示。

圖2 模型和模擬的三個方面以及確認(rèn)和驗(yàn)證的作用[15]

現(xiàn)有研究指出，模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果之間的偏差由以下3部分組成：從真實(shí)世界到概念模型的建模誤差、從概念模型到計(jì)算模型的離散誤差、由計(jì)算模型求得模擬結(jié)果的計(jì)算誤差，其中后兩者統(tǒng)稱為數(shù)值誤差[16]。將上述情況與石窟文物中CFD模擬應(yīng)用的實(shí)際情況結(jié)合，可以得出表1。

表1 誤差成因及來源分析

從上表可以看出，CFD模擬相較實(shí)際情況的偏差，一部分與文物保護(hù)工作有關(guān)，一部分則來自CFD模擬自身可能出現(xiàn)的技術(shù)問題。有鑒于CFD模擬專業(yè)性強(qiáng)，目前文物保護(hù)領(lǐng)域多以“文物保護(hù)工作者與CFD模擬專業(yè)技術(shù)人員合作”的形式進(jìn)行，因此筆者提出如下的可信度判斷與優(yōu)化方法供參考：

(1)與文物監(jiān)測工作配合，在后期準(zhǔn)備開展CFD模擬的區(qū)域環(huán)境、微環(huán)境、文物表面附近設(shè)置相應(yīng)的溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向測點(diǎn)。

(2)選?。?）中布設(shè)測點(diǎn)的相應(yīng)模擬結(jié)果，在同一外界環(huán)境條件下（區(qū)域溫濕度、日照、風(fēng)速風(fēng)向、降水）比較模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測結(jié)果。

(3)從病害劣化機(jī)理出發(fā)，確定（2）中模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測的偏差是否滿足病害劣化趨勢分析等文物保護(hù)工作的需要。

(4)如偏差較小不影響文物保護(hù)工作進(jìn)行，則可判斷模擬結(jié)果具有可信性。如偏差較大已不能滿足文物保護(hù)工作需要，則通知CFD模擬專業(yè)技術(shù)人員排查技術(shù)過程，盡量減小文物無關(guān)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差；同時檢查病害劣化機(jī)理的物理過程是否嚴(yán)謹(jǐn)全面、調(diào)整文物三維模型防止過度簡化失真、選用更準(zhǔn)確的監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)。

(5)再次進(jìn)行模擬，返回（3）進(jìn)行下一輪可信性判斷。

6 石窟文物CFD模擬技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用案例

廣元千佛崖摩崖造像地處四川省廣元市，位于嘉陵江東岸崖壁，具有較高的歷史、藝術(shù)、科學(xué)價值，為我國第一批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。案例主要針對廣元千佛崖保護(hù)性建筑的效果預(yù)估。

6.1 與病害劣化研究結(jié)合提高模擬針對性

前期病害劣化機(jī)理研究表明，廣元千佛崖摩崖造像主要病害劣化受到如下環(huán)境因素影響：大量造像暴露在嘉陵江峽谷風(fēng)磨蝕下，地區(qū)降水量大且集中，溫濕度變化劇烈；病害劣化關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)為風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、空氣溫度、空氣相對濕度，上述環(huán)境參數(shù)間相互影響、彼此耦合[12，17]。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵參數(shù)對病害劣化發(fā)展的影響，可根據(jù)相對濕度劃分為低濕度范圍（低于40%）、常規(guī)濕度范圍（40%～90%）、高濕度范圍（高于90%）。低濕度范圍體現(xiàn)為冬季整體性的干燥，相對濕度隨溫度升高而升高，文物本體在“巖體-空氣”動態(tài)平衡中處于失水狀態(tài)；在常規(guī)濕度范圍內(nèi)，相對濕度隨溫度升高而下降，當(dāng)風(fēng)速高于1 m/s時隨風(fēng)速升高而下降，此時通風(fēng)（風(fēng)速）的除濕作用大于對蒸發(fā)的促進(jìn)、帶來濕潤空氣的效果，但也隨著帶來風(fēng)蝕危險；在高濕度范圍內(nèi)，相對濕度隨溫度升高而升高，體現(xiàn)為溫度較高、蒸發(fā)水平較大的夏季時段，此時段通風(fēng)（風(fēng)速）對蒸發(fā)的促進(jìn)、帶來濕潤空氣的效果大于其除濕作用，且當(dāng)風(fēng)速較小時其對除濕作用的加強(qiáng)將愈發(fā)微弱，將維持極端濕潤環(huán)境[12]。

圖3 廣元千佛崖區(qū)域溫度、相對濕度、風(fēng)速耦合關(guān)系（來源：作者自繪）

因此，對廣元千佛崖案例而言，以風(fēng)速、相對濕度作為主要模擬對象，通過CFD模擬判斷保護(hù)性建筑建設(shè)與否對風(fēng)場與溫濕度場的影響，可以在一定程度上預(yù)判保護(hù)性建筑對未來病害劣化發(fā)展趨勢的影響。

6.2 與數(shù)字化勘察測繪以及監(jiān)測工作成果結(jié)合

為了更準(zhǔn)確地反映文物本體和崖體實(shí)際情況，減小因?yàn)榭臻g模型失真而導(dǎo)致的模擬準(zhǔn)確度下降，在兼顧模擬可行性的前提下，模擬以三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)搭建了三維模型。并在后續(xù)網(wǎng)格化等技術(shù)環(huán)節(jié)中盡量貼合模型情況，提高模擬結(jié)果的可信度和針對性（圖4）。

圖4 模型簡化（左）與網(wǎng)格化（右）（來源：作者自繪）

模擬所使用的空氣環(huán)境參數(shù)來自筆者前期進(jìn)行的監(jiān)測分析研究，巖體條件參數(shù)來自前人取樣測試結(jié)果。使用實(shí)際數(shù)據(jù)模擬了全年平均、風(fēng)速較小不利于擴(kuò)散時、風(fēng)速極大風(fēng)蝕風(fēng)險加劇時等不同情況下的區(qū)域環(huán)境、窟龕內(nèi)環(huán)境情況，并利用先期布設(shè)于待模擬窟龕中的測點(diǎn)數(shù)據(jù)對模擬可信度進(jìn)行了驗(yàn)證。

6.3 模擬分析成果

未建設(shè)保護(hù)性建筑時，以806窟為例，沿峽谷風(fēng)向條件下窟龕內(nèi)風(fēng)速小于外界，南側(cè)壁面附近風(fēng)速相對較大造像風(fēng)蝕風(fēng)險最大，氣流呈復(fù)雜的渦旋形式且外界風(fēng)吹過后窟龕內(nèi)渦旋會持續(xù)較長時間，窟龕內(nèi)造像也存在較高風(fēng)蝕風(fēng)險；垂直峽谷風(fēng)向條件下窟龕內(nèi)風(fēng)速同樣小于外界，內(nèi)部存在低速渦旋但由于風(fēng)速過小而對文物影響較小，四壁面窟龕口位置繞流風(fēng)速大（圖5、圖6）。

圖6 806窟垂直峽谷風(fēng)向條件下窟龕微環(huán)境風(fēng)場模擬結(jié)果（來源：作者自繪）

建設(shè)保護(hù)建筑后，同樣條件下806窟入口處風(fēng)速由6.9 m/s下降為3.91 m/s，保護(hù)性建筑覆蓋區(qū)域內(nèi)平均風(fēng)速由1.26 m/s下降至0.32 m/s（圖7），風(fēng)向由“北風(fēng)占主導(dǎo)地位、北風(fēng)頻率超過30%”，變?yōu)椤案黠L(fēng)向基本均衡、風(fēng)向頻率均在5%～10%左右”；通過估算①該案例中相對濕度通過溫度模擬結(jié)果估算得到。平均相對濕度由（65±8）%略升高為（71±3）%。

圖7 保護(hù)建筑對區(qū)域風(fēng)向分布的影響（來源：作者自繪）

根據(jù)前述病害劣化機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)反推可以認(rèn)為，模擬結(jié)果表明，保護(hù)性建筑除了直觀的遮陽、避雨功能外，在未改變窟龕所處相對濕度區(qū)間的基礎(chǔ)上，較大幅度降低了風(fēng)速、減少了直接磨蝕造像表面的北風(fēng)，穩(wěn)定了窟龕內(nèi)相對濕度變化幅度，但對區(qū)域的天然除濕作用略有降低但濕度升高不顯著。

因此，模擬結(jié)果在一定程度上表明，構(gòu)建保護(hù)性建筑將有效減少風(fēng)蝕及表面徑流危害，減緩溫濕度持續(xù)劇烈變化誘發(fā)的空鼓、剝落；不會因保護(hù)建筑阻礙通風(fēng)而明顯加劇凝結(jié)及生物病害。

7 未來展望

判斷石窟文物病害劣化發(fā)展，需要對微環(huán)境與文物淺表層進(jìn)行有效的綜合分析。CFD模擬技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)對微環(huán)境的模擬分析，但難以直接涉及文物本體。未來研究應(yīng)考慮與非穩(wěn)態(tài)熱濕耦合模擬等技術(shù)結(jié)合，探索對“文物本體-賦存環(huán)境”整體進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的技術(shù)手段。

此外，CFD模擬軟件技術(shù)門檻較高，不利于在文物保護(hù)工作中的普及應(yīng)用。隨著文物保護(hù)工作科學(xué)化的進(jìn)一步發(fā)展，未來研究應(yīng)嘗試由文物保護(hù)工作者、環(huán)境工程師、軟件工程師合作，開發(fā)面向文物保護(hù)工作且具有普及性的CFD軟件工具。