趙 凡

(四川省文物考古研究院，四川成都 610041)

0 引 言

四川地區(qū)現存明代木結構古建筑中有壁畫及彩畫作裝飾者多達十余處，其中大多數采用編竹夾泥墻為圍護結構，例如平武報恩寺、新津觀音寺、蓬溪寶梵寺、邛崍盤陀寺、廣漢龍居寺等全國重點文物保護單位均是如此，其在分布地域、營造時代、建筑結構、裝飾手法等方面具有典型性[1]。一般對于古代建筑壁畫或彩畫而言，由于自身組成材料和結構的脆弱性，對保存環(huán)境十分敏感，尤其長期在熱濕環(huán)境下保存極易發(fā)生各種病害[2-3]。目前我國文物保護工作正在從“搶救性保護”向“搶救性與預防性保護并重”方向發(fā)展，在文物保存環(huán)境監(jiān)測與評估領域開展了大量相關研究工作，然而主要集中在博物館館藏文物方面，通過較為全面系統(tǒng)研究已經形成了一系列環(huán)境監(jiān)測和評價的標準規(guī)范；在不可移動文物方面研究較少，僅針對如故宮古建筑、敦煌莫高窟洞窟、漢陽陵帝陵外藏坑等少數重要古跡遺址開展了一些案例研究[4-10]。

本次針對四川地區(qū)明代編竹夾泥墻木結構古建筑這一典型建筑類型，以廣漢龍居寺中殿為例，對該建筑的熱濕環(huán)境進行監(jiān)測分析。監(jiān)測方法采用目前常用的基于物聯網技術的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)實現，即在龍居寺中殿建筑空間特征位置布置空氣溫濕度傳感器，利用物聯網技術對環(huán)境監(jiān)測數據進行采集、傳輸、存儲、輸出。通過對海量監(jiān)測數據的整理，分析了建筑空間溫濕度時空變化規(guī)律，評估了建筑熱濕環(huán)境特征，探討了熱濕環(huán)境對文物保存的影響。該工作屬于首次針對特定類型古建筑熱濕環(huán)境方面的研究，研究成果不僅豐富了四川地區(qū)明代編竹夾泥墻木結構古建筑熱濕環(huán)境特征的認識，而且為龍居寺中殿壁畫病害和墻體結構安全問題的成因分析提供了依據。

1 建筑概況

廣漢龍居寺中殿位于四川省廣漢市新豐鎮(zhèn)龍居村，建于明正統(tǒng)十二年(公元1447年)，為第七批全國重點文物保護單位。該建筑坐北向南，平面近方形，有臺基，面闊三間11.2 m，進深三間12.1 m，七架抬梁式木結構，歇山式屋頂。建筑內部墻體和墊拱板表面保存有壁畫92.7 m2，闌額表面保存有彩畫6.7 m2，繪于明成化二年，主要內容為佛教十二圓覺，屬四川地區(qū)明代建筑壁畫中精品[11]。

該建筑上部露明，頂部為青筒瓦屋面。四壁圍護結構包括墻體、墊拱板及門，沿南北和東西中軸線對稱分布，其中墻體由墻柱自然分割，南北兩壁各兩面(圖1)，東西兩壁各三面(圖2)，厚度約18～20 cm；墊拱板由斗拱自然分割，東西兩壁各六面，南北兩壁各七面，厚度約16～18 cm；門位于南北兩壁明間，六抹槅扇門。主要圍護結構墻體和墊拱板均為編竹夾泥墻結構，中間骨架由“立枋—穿枋—編壁”3個層級組成，外側墻面依次為草拌泥層、石灰和涂料裝飾層，內側壁畫依次為地仗層、白粉層、顏料層或金層[12]。

圖1 建筑北壁外側正射影像圖Fig.1 Orthophotograph of the north outer wall

圖2 建筑西壁外側正射影像圖Fig.2 Orthophotograph of the west outer wall

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測方法

根據建筑結構和空間布局特點，選擇滿足設備參數要求的空氣溫濕度傳感器，在建筑空間特征位置進行測點布設、設備安裝和監(jiān)測調試，利用物聯網技術通過云服務器實現監(jiān)測設備上傳數據的采集、運算、存儲，采用WEB端和移動端進行數據的實時查看、下載及初步整理分析。溫濕度傳感器設備主要參數：溫度范圍(-20～100 ℃)，精度(≤±0.3 ℃)，分辨率(0.01 ℃)；相對濕度范圍(0～100%)，精度(≤±2%)，分辨率(0.01%)。監(jiān)測時間：2017-10-01—2018-09-30，監(jiān)測周期：1年，數據采集間隔：15 min。

2.2 測點布置

測點布置綜合考慮建筑內外、布局朝向、測點高度等因素影響，按照充分反映建筑空間不同特征位置微環(huán)境的原則進行布點。測點數量共計12個，每個測點布置溫濕度傳感器1臺，其中1#～3#傳感器位于建筑內部依中軸線放置，4#～8#傳感器位于建筑內部緊鄰內側壁畫放置，9#～11#傳感器位于建筑墻體中部凹腔埋置，12#傳感器位于建筑外部西壁檐下緊鄰墻面放置(圖3)。

圖3 測點位置布置圖Fig.3 Locations of the measuring points

3 結果與討論

3.1 建筑空間溫度時空變化規(guī)律

3.1.1時間變化規(guī)律 通過對比監(jiān)測數據，建筑內部中軸線、建筑內部緊鄰壁畫、建筑墻體中部、建筑外部緊鄰墻面四類特征位置的溫度監(jiān)測數據具有較好的一致性。為了解建筑空間空氣溫度的時間變化規(guī)律，按照朝向和高度一致的原則分別從各類特征位置測點中依次選擇2#、7#、11#、12#傳感器為代表，通過對監(jiān)測周期內溫度月平均值的對比分析了解總體變化趨勢(圖4)。在此基礎上分別選擇溫濕度變化特征最具典型性的冬季(1月份)和夏季(8月份)作為代表性時段，且考慮到不同天氣類型對溫濕度變化的影響，進一步在代表性時段中選擇天氣類型最具典型性的兩天作為代表性時間，通過對代表性時間監(jiān)測數據的對比分析了解溫度隨時間具體變化情況(圖5和6)。

圖5 冬季代表性時間溫度變化Fig.5 Temperature change curve during typical winter time

由圖4可見，建筑空間在監(jiān)測周期內空氣溫度月平均值總體變化趨勢一致，呈現出明顯的季節(jié)性，冬季低，夏季高，春季和秋季處于過渡階段，與該地區(qū)常年氣溫變化情況相似。各類特征位置代表性傳感器之間略有差異，隨季節(jié)變化表現出一定區(qū)別，秋冬季基本相當，春夏季有所差別。

圖4 監(jiān)測周期溫度月平均值變化Fig.4 Temperature change curve of monthly average during the monitoring period

由圖5和圖6可見，建筑空間在冬季和夏季代表性時間內空氣溫度變化特征總體一致，即一天24 h周期性升降，通常早晨到達極小值，下午到達極大值，其他時間處于過渡階段，與日照輻射程度正相關。各特征位置代表性傳感器之間周期性升降變化隨時間變化存在明顯的遞變規(guī)律，主要表現為極值發(fā)生時間按照建筑空間由外向內的順序依次不同程度滯后，以極大值更為顯著，建筑內部相比建筑墻體滯后更明顯。同時極值發(fā)生時間和滯后程度也隨季節(jié)、天氣等因素影響存在一定變化，冬季相比夏季極小值發(fā)生時間推后、極大值發(fā)生時間提前，晴天相比多云和下雨滯后程度更大。例如按照由外向內順序傳感器12#、11#、7#、2#，冬季2018-01-14極小值發(fā)生時間依次為8∶21、8∶26、9∶13、9∶18，極大值發(fā)生時間依次為15∶42、16∶42、18∶19、18∶36；夏季2018-08-15極小值發(fā)生時間依次為6∶48、7∶06、7∶35、8∶03，極大值發(fā)生時間依次為16∶19、17∶33、19∶06、19∶09。

圖6 夏季代表性時間溫度變化Fig.6 Temperature change curve during typical summer time

3.1.2空間變化規(guī)律 通過對比監(jiān)測數據，各傳感器監(jiān)測周期和各月的溫度平均值差異均較小，但極值和差值差異明顯。為了解建筑空間溫度的空間變化規(guī)律，本次以全部測點傳感器為對象，通過對監(jiān)測周期監(jiān)測數據和月較差相關指標的對比分析，認識各類特征位置之間的整體差異，分析同類特征位置不同測點受布局、朝向、高度等因素的影響。

由圖7和圖8可見，建筑空間各傳感器溫度監(jiān)測數據和月較差呈現出一致的規(guī)律性，主要表現為三類特征位置按照建筑內部、建筑墻體、建筑外部的順序，溫度監(jiān)測數據依次極大值增大、極小值減小，平均值不明顯，月較差依次極大值增大、極小值增大、平均值增大，即按照建筑空間由內向外的順序空氣溫度周期性升降的波動幅度逐漸增大，其中建筑內部相對穩(wěn)定，建筑外部及建筑墻體波動明顯。例如按照傳感器1#～8#、9#～11#、12#的順序，監(jiān)測數據差值取值范圍依次為26.38～28.52 ℃、33.5～43.51 ℃、50.09 ℃，月較差平均值取值范圍依次為7.89～10.11 ℃、14.64～20.95 ℃、24.95 ℃。同時由圖5和圖6可見，各類特征位置代表性傳感器空氣溫度在冬季和夏季特征時段內波動幅度情況同上，例如按照傳感器2#、7#、11#、12#的順序，冬季2018-01-14日溫差依次為1.56 ℃、2.80 ℃、8.16 ℃、11.96 ℃，夏季2018-08-15日溫差依次為2.49 ℃、4.18 ℃、15.26 ℃、21.75 ℃。

圖7 監(jiān)測周期溫度監(jiān)測數據相關指標對比Fig.7 Temperature comparison of monitoring date-related indicators

圖8 監(jiān)測周期溫度月較差相關指標對比Fig.8 Temperature comparison of monthly difference-related indicators

同類特征位置不同測點受布局、朝向、高度等因素影響也較為明顯，主要體現在溫差方面。例如1#～3#傳感器測點同屬建筑內部中軸線同一高度不同位置，中段2#相比南段1#和北段3#的溫差略有偏小，說明建筑南北兩壁明間的六抹槅扇門圍護結構對建筑內外熱量交換具有一定積極作用。9#和10#傳感器同屬建筑墻體東西兩壁同一高度位置，西壁相比東壁溫差明顯偏大，極大值尤為明顯，可見西曬導致熱輻射作用對于建筑墻體溫度升高影響顯著。4#～5#傳感器和6#～8#傳感器同屬建筑內部同一平面位置不同高度，兩者隨高度增加波動均依次略有增大，初步分析這一方面受建筑頂部屋面熱輻射影響導致，另一方面與建筑內部地下溫度的保溫作用有關。

3.2 建筑空間濕度時空變化規(guī)律

3.2.1時間變化規(guī)律 通過對比監(jiān)測數據，建筑內部中軸線、建筑內部緊鄰壁畫、建筑墻體中部、建筑外部緊鄰墻面四類特征位置的相對濕度監(jiān)測數據具有較好的一致性。為了解建筑空間空氣相對濕度的時間變化規(guī)律，按照朝向和高度一致的原則分別從各類特征位置測點中依次選擇2#、7#、11#、12#傳感器為代表，通過對監(jiān)測周期內相對濕度月平均值的對比分析了解總體時間變化趨勢(圖9)。在此基礎上分別選擇溫濕度變化特征最具典型性的冬季(1月份)和夏季(8月份)作為代表性時段，且考慮到不同天氣類型對溫濕度變化的影響，進一步在代表性時段中選擇天氣類型最具典型性的兩天作為代表性時間，通過對代表性時間監(jiān)測數據的對比分析查明相對濕度隨時間具體變化情況(圖10和11)。

圖9 監(jiān)測周期相對濕度月平均值變化Fig.9 Relative humidity change curve of monthly average during the monitoring period

圖10 冬季代表性時間相對濕度變化Fig.10 Relative humidity change curve during typical winter time

由圖9可見，建筑空間在監(jiān)測周期內空氣相對濕度月平均值總體變化趨勢基本一致，季節(jié)性差異明顯，夏季和秋季較高，冬季和春季較低，與該地區(qū)常年相對濕度變化情況相當。各特征位置代表性傳感器之間的差異性隨季節(jié)變化表現出較明顯區(qū)別，秋季和春季差異性較小，夏季和冬季差異性較大。

由圖10和圖11可見，建筑空間在冬季和夏季代表性時段空氣相對濕度變化特征分為兩類情況，一類如建筑內部(2#、7#)和建筑外部(12#)傳感器，表現為一天24 h周期性升降，通常早晨到達極大值，下午到達極小值，其他時間處于過渡階段，與空氣溫度變化呈負相關；另一類如建筑墻體(11#)傳感器，表現為走勢平穩(wěn)，總體趨勢與前者一致。其中第一類情況建筑內部和外部各特征位置之間周期性升降隨時間變化存在一定遞變規(guī)律，即極值發(fā)生時間建筑內部相比建筑外部明顯滯后。同時極值發(fā)生時間和延遲時間段也隨季節(jié)、天氣等因素影響存在一定變化，例如按照建筑內部和建筑外部順序傳感器7#、2#、12#，冬季2018-01-14極小值發(fā)生時間依次為16∶14、16∶34、17∶04，極大值發(fā)生時間依次為9∶30、10∶07、10∶16；夏季2018-08-15極小值發(fā)生時間依次為16∶36、16∶43、16∶54，極大值發(fā)生時間依次為5∶59、7∶19、8∶35。

圖11 夏季代表性時間相對濕度變化Fig.11 Relative humidity change curve during typical summer time

3.2.2空間變化規(guī)律 通過對比監(jiān)測數據，各傳感器相對濕度監(jiān)測周期和各月的平均值差異均較小，但極值和差值差異明顯。為了解建筑空間相對濕度的空間變化規(guī)律，本次以全部測點傳感器為對象，通過對監(jiān)測周期內監(jiān)測數據和月較差相關指標的對比分析，認識各類特征位置之間的整體差異，分析同類特征位置不同測點受布局、朝向、高度等因素的影響。

由圖12和圖13可見，建筑空間各傳感器空氣相對濕度監(jiān)測數據和月較差也呈現出一致的規(guī)律性，主要表現為三類特征位置按照建筑墻體、建筑內部、建筑外部的順序，監(jiān)測數據依次極小值減小，極大值和平均值不明顯，月較差依次極大值、極小值、平均值均增大，即建筑空間相對濕度周期性升降的波動幅度建筑墻體相對穩(wěn)定，建筑內部波動較明顯，建筑外部波動明顯。例如按照傳感器9#～11#、1#～8#、12#的順序，監(jiān)測數據差值取值范圍依次為42.07%～44.52%、52.91%～58.11%、80.63%，月較差平均值取值范圍依次為13.06%～17.12%、30.87%～38.12%、68.86%。同時由圖10和圖11可見，各類特征位置代表性傳感器空氣濕度在冬季和夏季特征時段內波動幅度變化情況同上，例如按照傳感器11#、2#、7#、12#的順序，冬季2018-01-14日相對濕度差依次為3.87%、4.46%、8.98%、41.77%，夏季2018-08-15日相對濕度差依次為0.15%、7.32%、11.03%、60.15%。

圖12 監(jiān)測周期相對濕度監(jiān)測數據相關指標對比Fig.12 Relative humidity comparison of monitoring date-related indicators

圖13 監(jiān)測周期相對濕度月較差相關指標對比Fig.13 Relative humidity comparison of monthly difference-related indicators

同類特征位置不同測點受布局、朝向、高度等因素影響也較為明顯，主要體現在相對濕度差方面。例如1#～3#傳感器測點同屬建筑內部中軸線同一高度位置，中段2#相比南段1#和北段3#的相對濕度差明顯偏小，說明建筑南北兩壁明間的六抹槅扇門對建筑內外濕氣交換作用顯著。9#和10#傳感器同屬建筑墻體東西兩壁同一高度位置，西壁相比東壁相對濕度差略有偏大，分析建筑墻體內部空間相對封閉，該差異主要由西曬作用導致東西兩壁墻體內部溫度不同而間接引起相對濕度變化導致。4#～5#傳感器和6#～8#傳感器同屬建筑內部同一平面位置不同高度，兩者隨高度增加平均值減小、波動增大，前者主要受建筑內部地面水分蒸發(fā)導致下部濕度增大影響，后者與建筑頂部屋面熱輻射間接引起的相對濕度變化相關。

3.3 建筑空間熱濕環(huán)境特征評估

由上述分析結果可知，建筑空間空氣溫度和相對濕度隨時間總體變化趨勢基本一致，符合該地區(qū)常年溫濕度變化情況，但兩者時空分布具體規(guī)律特征各異。空氣溫度周期性升降變化按照建筑空間由外向內的順序依次不同程度滯后，建筑內部相比建筑墻體滯后明顯，波動幅度按照此順序依次逐漸減小，建筑內部相對穩(wěn)定，建筑外部及建筑墻體波動明顯?？諝庀鄬穸冉ㄖ炔肯啾冉ㄖ獠恐芷谛陨底兓黠@滯后，建筑墻體走勢平穩(wěn)，波動幅度建筑墻體相對穩(wěn)定，建筑內部波動較明顯，建筑外部波動明顯。同時建筑南北兩壁六抹槅扇門熱濕交換、建筑東西兩壁西曬作用、建筑頂部屋面熱輻射、建筑內部地面地溫和水分蒸發(fā)等，這對建筑空間熱濕環(huán)境的空間分布規(guī)律都有一定影響。綜上可見，從建筑環(huán)境角度考慮，以廣漢龍居寺中殿為代表的四川地區(qū)明代編竹夾泥墻木結構古建筑對外界溫濕度變化具有較好的緩沖和隔離作用。

目前國內外對于不可移動文物保存環(huán)境未形成統(tǒng)一的評價標準，而對于與古建筑木構件和內部附屬壁畫等材質相似的館藏文物保存環(huán)境主要有兩條評價標準，一是2003年我國《博物館藏品保存環(huán)境試行規(guī)范》提出“博物館藏品保存環(huán)境溫度和相對濕度標準，其中對于木器、木雕標準溫度20 ℃、標準相對濕度50%～60%，對于彩繪泥塑、壁畫標準溫度20 ℃、標準相對濕度40%～50%，同時要求環(huán)境相對濕度日波動值不得大于5%，溫度日較差不得高于2～5 ℃”[13]；二是2007年美國采暖、制冷與空調工程師協(xié)會提出“普通文物溫度波動理想范圍±2 ℃，可接受范圍±5 ℃；相對濕度波動理想范圍±5%，可接受范圍±10%[14]。雖然龍居寺中殿建筑及壁畫作為不可移動文物處于半開放或開放環(huán)境下，這與館藏文物保存環(huán)境存在差異，但是從材料保存環(huán)境科學角度考慮材料劣化主要受環(huán)境相關因素的影響，對于大多數文物而言溫濕度往往是主要環(huán)境因素，因此本次以館藏文物保存環(huán)境中溫濕度評價標準對龍居寺中殿建筑及壁畫進行評價具有一定適用性。

根據監(jiān)測結果，龍居寺中殿建筑內部各測點監(jiān)測周期內溫度平均值18.07～18.49 ℃、相對濕度平均值75.69%～78.93%，溫濕度波動以夏季晴天最大，以代表性時間2018-08-15為例，當天溫度日較差2.49～4.18 ℃，相對濕度日較差7.32%～11.08%。將其與館藏文物保存環(huán)境相關標準對比可知，該建筑內部溫度平均值與標準較為接近，日較差也滿足標準要求，相對濕度平均值遠遠大于標準，且日較差也較標準偏大。由此可見，建筑內部熱濕環(huán)境對文物保存較為不利，主要體現在相對濕度平均值高、波動較大，對于建筑內部相對濕度的調控將是該建筑及內部附屬文物后期預防性保護的關鍵。建議可以在夏季和秋季相對濕度較高時段，利用建筑內外濕度差異通過打開或關閉南北兩壁明間六抹槅扇門進行建筑內外濕氣交換，或者主動采用空調設備對建筑內部進行除濕，以此達到降低建筑內部相對濕度、減小相對濕度波動的目的。

3.4 熱濕環(huán)境對文物保存的影響

根據建筑內部壁畫現狀調查結果，壁畫保存狀況較差，病害發(fā)育嚴重，這既與自身組成材料和結構特征方面內因相關，又受各種環(huán)境因素外因影響，其中建筑內部熱濕環(huán)境特征是壁畫病害的主要成因，在酥堿和霉斑兩種病害上體現得尤為明顯。墻體壁畫下部多有酥堿病害發(fā)生，這與建筑空間相對濕度時空變化規(guī)律密切相關。由建筑空間熱濕環(huán)境特征可知，空氣相對濕度平均值建筑墻體和建筑內部均較高，周期性波動幅度建筑墻體相對穩(wěn)定、建筑內部較大，由此當建筑內部相對濕度小于建筑墻體時，墻體內側壁畫地仗層中水分因蒸發(fā)作用向外遷移而不斷攜帶可溶鹽聚集在表層產生酥堿，且隨建筑空間高度降低相對濕度增大，導致墻體下部酥堿更為明顯。墻體壁畫局部也有霉斑病害發(fā)生，除了壁畫顏料中有機膠料可以為霉菌生長提供營養(yǎng)基外，與建筑內部常年溫暖濕潤的環(huán)境也密不可分。由建筑空間熱濕環(huán)境特征可知，建筑內部各測點監(jiān)測周期內溫度平均值18.07～18.49 ℃、相對濕度平均值75.69%～78.93%，且相對濕度90%以上的情況多有發(fā)生，這為霉菌生長提供了良好的環(huán)境條件。

同時根據建筑墻體現狀調查結果，編竹夾泥墻存在一系列結構安全問題，以墻面變形起鼓表現最為嚴重，經初步分析其主要成因為墻體中間竹木骨架因白蟻粉蠹危害發(fā)生劣化導致兩側泥層失去后背支撐而自身應力調整逐漸變形所致，由探孔可見部分中間骨架整體糟朽或大部分殘缺，甚至僅余殘渣。結合建筑空間熱濕環(huán)境特征，建筑墻體內部也是常年溫暖濕潤，相對濕度平均值在80%左右，波動幅度較小，這為白蟻蠹蟲生長繁殖提供了良好的氣候環(huán)境。此外建筑墻體內部偶有結露(相對濕度100%)情況出現，由此形成的冷凝水會對編竹夾泥墻兩側泥層與中間骨架之間的結合產生不利影響，加速此問題的發(fā)生。

4 結 論

對以廣漢龍居寺中殿為代表的四川地區(qū)明代編竹夾泥墻木結構古建筑熱濕環(huán)境進行監(jiān)測，分析了建筑空間溫濕度時空變化規(guī)律，評估了建筑熱濕環(huán)境特征，探討了熱濕環(huán)境對文物保存的影響。得出以下結論：

1) 建筑空間空氣溫度總體變化趨勢一致，周期性升降變化按照由外向內的順序建筑外部、建筑墻體、建筑內部依次不同程度滯后，波動幅度也逐漸減??；相對濕度總體變化趨勢基本一致，周期性升降變化建筑內部相比建筑外部滯后明顯，波動幅度建筑墻體相對穩(wěn)定，建筑內部波動較明顯，建筑外部波動明顯。從建筑環(huán)境角度講，該建筑對外界溫濕度變化具有較好的緩沖和隔離作用。

2) 建筑內部熱濕環(huán)境對文物保存較為不利，主要體現在相對濕度高、波動大，相對濕度調控將是后期預防性保護的關鍵。

3) 建筑熱濕環(huán)境不僅為壁畫酥堿和霉斑病害主要成因，而且導致了編竹夾泥墻體結構安全問題的發(fā)生。