“地上文物看山西”可謂名不虛傳。山西境內(nèi)的古建筑多達(dá)28027處，且分布廣泛，我國(guó)現(xiàn)存80%的元代及元代以前的木結(jié)構(gòu)建筑位于山西。數(shù)量如此龐大的古建筑能遺存至今，氣候是關(guān)鍵因素。干燥少雨，加之山西歷史上出現(xiàn)的極端天氣相對(duì)比較少，對(duì)古建筑保護(hù)十分有利。此外，古代工匠在設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中對(duì)氣候規(guī)律的把握運(yùn)用，即適應(yīng)性設(shè)計(jì)，也功不可沒(méi)。

適應(yīng)氣候，可謂山西古建筑千年不朽的奧秘。

適應(yīng)性的設(shè)計(jì)

平遙古城：因地制宜巧設(shè)計(jì)

平遙古城始建于西周宣王時(shí)期，距今已有2800 多年的歷史， 是我國(guó)境內(nèi)目前保存最完好的一座古代縣城。平遙古城保存完好的密碼是什么呢？

從建筑材料看，當(dāng)?shù)馗稍锏耐寥罏楣懦莾?nèi)的夯土建筑提供了絕佳材料。這種夯土在干燥天氣下的穩(wěn)定性和耐久性較高，且其中富含多種對(duì)增強(qiáng)建筑穩(wěn)固性有重要作用的礦物質(zhì)。以碳酸鈣為例，其中一部分以微小顆粒的形式均勻分布，另一部分則通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成膠結(jié)物質(zhì)，可有效分散應(yīng)力，提高夯土的抗壓強(qiáng)度。

在建筑設(shè)計(jì)方面， 古城內(nèi)的建筑的設(shè)計(jì)者們充分考慮了當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，并注重實(shí)用性。這些建筑的屋頂多為硬山頂，坡度平緩，一般在25°，夏可抵御高溫和暴雨，冬能防止積雪。排水系統(tǒng)也是古城得以長(zhǎng)久保存的關(guān)鍵因素。當(dāng)?shù)叵募境３霈F(xiàn)雨強(qiáng)較大的陣性降水。為減少降水對(duì)城內(nèi)建筑的影響，古城街道兩側(cè)精心修建了磚砌或石砌的排水溝。這些排水溝寬30～50厘米， 深40～60厘米， 縱向坡度通常保持在0.3%～0.5%。在暴雨天氣下，排水溝可在1小時(shí)內(nèi)將街道積水排空，引向城外。在建筑地基排水方面，平遙古城的建筑也有著獨(dú)特而精妙的設(shè)計(jì)。古城建筑的地基一般會(huì)高出地面30～50厘米，以防地基長(zhǎng)時(shí)間被淹。此外，建筑的散水寬度通常在1～1.5米，由磚石鋪成并向外傾斜。這種設(shè)計(jì)能夠有效地將屋頂落下的雨水快速引導(dǎo)至街道排水溝，避免雨水在建筑周邊積聚，減少對(duì)墻體和地基的侵蝕。

從整個(gè)古城的宏觀角度看，城內(nèi)的排水溝相互連通，共同構(gòu)成了完整且高效的排水網(wǎng)絡(luò)。在地勢(shì)較低的區(qū)域，還專門(mén)設(shè)置了排水涵洞，將各個(gè)街區(qū)的雨水匯聚起來(lái)，然后通過(guò)城門(mén)附近的排水口排至城外。

佛光寺：相互作用延千年

佛光寺創(chuàng)建于北魏孝文帝時(shí)期，后被毀。唐大中十一年（857年），京都女弟子寧公遇和高僧愿誠(chéng)主持重建佛光寺。寺內(nèi)現(xiàn)存的東大殿是我國(guó)規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最完整的唐代木構(gòu)建筑，被稱為“中國(guó)古建筑第一瑰寶”。

佛光寺之所以能夠被完好保留下來(lái)，有多種因素，其中與氣候條件不無(wú)關(guān)聯(lián)。當(dāng)?shù)啬昶骄邓枯^少，約為400～500毫米。這種干燥少雨的氣候特點(diǎn)大大降低了雨水對(duì)建筑物的侵蝕危害，使得墻面不易因長(zhǎng)期受雨水浸泡而塌毀，屋頂?shù)耐咂材鼙３窒鄬?duì)完好。

東大殿是佛光寺的核心建筑。其建筑形式為單檐廡殿頂，面闊七間，達(dá)34米，進(jìn)深四間，為17.66米，總面積677平方米。大殿的斗拱宏大，七鋪?zhàn)鞫饭翱v橫恣肆，斗拱高度約為柱高的1/2，出檐深遠(yuǎn)，探出達(dá)3.96米，屋面坡度較平緩，舉高約1/4.77。如此大跨度的單檐廡殿頂和宏大的斗拱結(jié)構(gòu)使得東大殿的屋檐伸出距離較長(zhǎng)，在降雨時(shí)，能將雨水拋灑到離建筑主體較遠(yuǎn)的地方。實(shí)地監(jiān)測(cè)顯示，在中雨天氣下，雨水可被拋灑至距墻體兩三米處，極大地減少了雨水對(duì)墻體和臺(tái)基的直接沖刷；平緩的屋面坡度則有利于雨水快速滑落，減少屋面積水。

木結(jié)構(gòu)建筑最怕白蟻。佛光寺所在的五臺(tái)山地區(qū)冬季寒冷，平均氣溫在-10℃以下，這種低溫環(huán)境讓白蟻難以生存。此外，東大殿殿內(nèi)空間高大開(kāi)闊，空氣流通性較好，干燥的氣候條件配合良好的通風(fēng)條件，使得大殿木構(gòu)件中的水分能夠及時(shí)散發(fā)，殿內(nèi)木材的平均含水率保持在12%～18%，這一含水率范圍既能保證木材的強(qiáng)度，又能降低木材腐朽的風(fēng)險(xiǎn)。

佛光寺所在地區(qū)的晝夜溫差也較大， 白天最高溫度可達(dá)25℃以上， 夜晚最低溫度可降至5℃以下。在白天溫度升高時(shí)，木材微微膨脹， 夜晚溫度降低時(shí)，木材收縮，這種熱脹冷縮的過(guò)程使木材之間的榫卯結(jié)構(gòu)結(jié)合得更加緊密，增強(qiáng)了木結(jié)構(gòu)建筑整體的穩(wěn)定性。盡管溫差變化也會(huì)給木材帶來(lái)一定的熱應(yīng)力，但由于建筑結(jié)構(gòu)的合理性和木材本身的質(zhì)量，這種影響并未對(duì)建筑造成嚴(yán)重破壞。

除了木結(jié)構(gòu)建筑，佛光寺的石制建筑也保存較好。以位于東大殿前的唐代石經(jīng)幢為例。該石經(jīng)幢高3.24米，八角形，石經(jīng)幢下設(shè)束腰六邊形基座，刻有獅獸壺門(mén)及仰覆蓮瓣， 幢身刻《佛頂尊勝陀羅尼經(jīng)》。石質(zhì)材料本身就具有較好的耐久性，當(dāng)?shù)馗稍锖涞臍夂騽t避免了石經(jīng)幢因天氣潮濕而引發(fā)的生物和化學(xué)侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。在低溫環(huán)境下， 石經(jīng)幢表面微生物的滋生率相較于溫暖潮濕地區(qū)降低了90% 以上，有助于保護(hù)石經(jīng)幢的表面和結(jié)構(gòu)。

佛光寺的東大殿和唐代石經(jīng)幢等不僅擁有獨(dú)特的建筑特點(diǎn)，還與當(dāng)?shù)貧庀髼l件相互作用，共同促成了自身的長(zhǎng)久保存。

應(yīng)縣木塔：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定拒風(fēng)雨

應(yīng)縣木塔一般指佛宮寺釋迦塔。該塔位于山西省朔州市應(yīng)縣城內(nèi)西北隅的佛宮寺院內(nèi)，建于遼清寧二年（1056年），是世界上現(xiàn)存最古老、最高大的純木結(jié)構(gòu)樓閣式建筑。

木塔通高67.31米，底層直徑達(dá)30.27米，如此龐大的體量卻能歷經(jīng)歲月而不倒，其建筑結(jié)構(gòu)功不可沒(méi)。應(yīng)縣木塔建在兩層石砌臺(tái)基上，下層臺(tái)基高0.98米， 上層臺(tái)基高2.10米， 總高度3.08米。這一高度并不是隨便設(shè)計(jì)的，而是有著特殊的作用。應(yīng)縣年平均降水量約400毫米，雖不算多，但降水集中在夏季，短時(shí)間內(nèi)雨水徑流量不小。而木塔臺(tái)基的高度設(shè)計(jì)可以讓雨水快速排離塔基。經(jīng)實(shí)地監(jiān)測(cè)，在暴雨天氣下，周邊普通建筑地基受雨水浸泡的時(shí)長(zhǎng)約為兩三個(gè)小時(shí)，而木塔臺(tái)基處受浸泡時(shí)間不足半小時(shí)，大大減少了雨水對(duì)塔基和柱子的侵蝕，保護(hù)了建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

木塔采用內(nèi)外兩圈木柱支撐體系，內(nèi)圈8 根柱子，外圈16根柱子，柱子直徑在0.5～0.6米，粗壯堅(jiān)實(shí)。這些柱子作為主要豎向承重構(gòu)件，承擔(dān)著巨大的壓力。應(yīng)縣當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)天氣頻繁，年平均風(fēng)速在3～4米每秒，最大風(fēng)速可達(dá)10米每秒以上，強(qiáng)大的豎向支撐力保證了木塔在大風(fēng)天氣下不會(huì)輕易傾斜或倒塌。而且，柱子之間通過(guò)梁枋連接，形成穩(wěn)固的框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了木塔整體的穩(wěn)定性。

應(yīng)縣木塔的榫卯結(jié)構(gòu)更是精妙絕倫，不僅讓木塔外觀更加雄偉壯觀，更在應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的各種挑戰(zhàn)時(shí)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。應(yīng)縣屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，白天在陽(yáng)光的照射下， 氣溫可升至15～20℃， 夜晚氣溫則能迅速降至0～5℃，晝夜溫差可達(dá)10～15℃。木材在這種溫差環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。在白天溫度升高時(shí)，木材膨脹，榫卯節(jié)點(diǎn)處的連接會(huì)更加緊密；夜晚，溫度降低，木材收縮，榫卯結(jié)構(gòu)又能通過(guò)自身的微小形變來(lái)適應(yīng)這種變化，避免了因熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。研究人員通過(guò)對(duì)木塔部分榫卯節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一年的溫差變化，榫卯節(jié)點(diǎn)的緊密程度在熱脹冷縮的作用下不僅沒(méi)有降低，反而提高了約10%，進(jìn)一步增強(qiáng)了木塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

干燥少雨的氣候條件也為木塔的保存提供了有力支持。一般認(rèn)為，濕度常年高于60%時(shí)，木材易腐朽。應(yīng)縣的年平均相對(duì)濕度在50% ～55%， 低于木材腐朽所需的濕度環(huán)境。在這樣干燥的環(huán)境中，木材中的含水率較低，微生物難以生存和繁殖，木材腐朽的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。此外，干燥的空氣還能使木材保持良好的力學(xué)性能，避免因受潮而致強(qiáng)度下降。對(duì)比濕度較高地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑，在相同的使用年限內(nèi)，應(yīng)縣木塔木材的強(qiáng)度損失率僅為高濕度地區(qū)木材強(qiáng)度損失率的三分之一左右。

寒冷的氣候?qū)?yīng)縣木塔的保護(hù)也起到了重要作用。白蟻是木結(jié)構(gòu)建筑的天敵，在溫暖潮濕的環(huán)境中，白蟻繁殖迅速且對(duì)木材有極強(qiáng)的破壞力。而應(yīng)縣冬季寒冷，平均氣溫在-10℃左右， 極端低溫可達(dá)-20 ℃以下。這樣的低溫環(huán)境對(duì)白蟻等害蟲(chóng)的生存繁殖構(gòu)成極大阻礙。當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，白蟻的活動(dòng)能力明顯下降；當(dāng)溫度持續(xù)低于0℃一段時(shí)間后，白蟻的死亡率大幅上升。在應(yīng)縣這樣的寒冷地區(qū)，白蟻對(duì)木塔木結(jié)構(gòu)的破壞率較溫暖潮濕地區(qū)降低了約90%，有效保護(hù)了木塔的木結(jié)構(gòu)不受蟲(chóng)害侵蝕。

應(yīng)縣木塔的建筑結(jié)構(gòu)與當(dāng)?shù)貧庀髼l件之間存在著一種微妙而緊密的關(guān)系。建筑結(jié)構(gòu)在適應(yīng)氣象條件的過(guò)程中，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力；氣象條件在一定程度上也為建筑的長(zhǎng)久保存和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定提供了有利的環(huán)境。這種相互依存、相互作用的關(guān)系，使得應(yīng)縣木塔能夠在千年的時(shí)光長(zhǎng)河中屹立不倒，成為人類建筑史上的瑰寶，也為我們研究古建筑與自然環(huán)境的關(guān)系提供了珍貴的樣本。

氣候變化的挑戰(zhàn)

“變臉”的溫度

隨著全球氣候變暖，山西的氣溫呈上升趨勢(shì)且波動(dòng)愈發(fā)明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近50 年來(lái)，山西的年平均氣溫上升了約1.5℃。這種溫度變化給古建筑保護(hù)帶來(lái)了諸多難題。

對(duì)于平遙古城墻等磚石結(jié)構(gòu)建筑，夏季高溫使磚石膨脹，冬季低溫又使其收縮，長(zhǎng)期的熱脹冷縮作用導(dǎo)致磚石出現(xiàn)裂縫。經(jīng)檢測(cè)，平遙古城部分城墻磚石的裂縫寬度已經(jīng)達(dá)到0.5～1厘米，若不及時(shí)處理，放任裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，可能會(huì)危及城墻安全。

木結(jié)構(gòu)建筑同樣深受其害，應(yīng)縣木塔的木材因溫度變化導(dǎo)致含水率隨季節(jié)發(fā)生改變。夏季的高溫高濕使木材吸水膨脹；冬季的低溫干燥使木材失水收縮，極易造成木材變形開(kāi)裂。對(duì)應(yīng)縣木塔木材的變形情況進(jìn)行的監(jiān)測(cè)顯示，部分木材在一年內(nèi)的變形量達(dá)到了0.5 ～ 1 厘米，這對(duì)木塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性構(gòu)成了潛在威脅。

“惡作劇”的降水

氣候變化導(dǎo)致山西的降水模式也發(fā)生了改變。近20 年來(lái)， 山西部分地區(qū)的年降水量增加了10%～20%，暴雨日數(shù)增加了兩三天。

降水量的增加對(duì)古建筑構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。以平遙古城為例，部分古建筑的彩繪因雨水侵蝕，顏色褪去，模糊不清，受損面積達(dá)到了30%～40%。雨水還滲入建筑內(nèi)部，使墻壁發(fā)霉，木結(jié)構(gòu)腐朽。一些古建筑的屋頂因排水不暢，在雨季時(shí)積水嚴(yán)重，導(dǎo)致屋頂結(jié)構(gòu)受損，此類古建筑的占比達(dá)到了20%～30%。

云岡石窟等石窟建筑在降水增加的情況下也受到一定程度的影響。云岡石窟所在的武州山山體為砂巖結(jié)構(gòu)，孔隙率相對(duì)較大，吸水性較強(qiáng)。在暴雨的沖刷下，雨水容易滲入巖體內(nèi)部。云岡研究院的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在一次強(qiáng)降水過(guò)程中，部分洞窟巖體的含水率在短時(shí)間內(nèi)可從5%～8%迅速升至15%～20%。長(zhǎng)期頻繁的雨水滲透，使得巖體內(nèi)部的礦物質(zhì)成分發(fā)生溶解、遷移和再沉淀，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)逐漸疏松。由于長(zhǎng)期的侵蝕，一些洞窟的壁面發(fā)生了片狀剝落，原本精美的雕刻線條變得模糊不清，部分洞窟的壁畫(huà)也受到嚴(yán)重威脅。降水還可能引發(fā)周邊山體的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)云岡石窟構(gòu)成間接的毀滅性打擊。

“搗亂”的風(fēng)災(zāi)和沙塵

在氣候變化的作用下，山西的風(fēng)況同樣發(fā)生了顯著變化。過(guò)去幾十年間，山西省平均風(fēng)速整體呈下降趨勢(shì)，在一定程度上減少了大風(fēng)對(duì)古建筑的直接物理沖擊，但也帶來(lái)了一系列問(wèn)題。由于風(fēng)速下降，大氣污染物擴(kuò)散能力減弱，致使空氣中的有害污染物濃度增加。這些污染物長(zhǎng)期附著在古建筑表面，對(duì)建筑材料的侵蝕速度加快，導(dǎo)致原本堅(jiān)固的磚石結(jié)構(gòu)變得疏松，一些精美的雕刻圖案也逐漸模糊。與此同時(shí)，極端風(fēng)速事件卻在增多。以前，大風(fēng)的風(fēng)速可達(dá)10～15米每秒；現(xiàn)在，部分地區(qū)的極端風(fēng)速能超過(guò)15米每秒，甚至比以往的最大風(fēng)速值高出2～3米每秒。風(fēng)力等級(jí)和出現(xiàn)頻率也有所改變，風(fēng)力達(dá)到8級(jí)（風(fēng)速為10.8～13.8米每秒）以上的大風(fēng)天氣出現(xiàn)的頻率相較于過(guò)去增加了20%～30%，對(duì)古建筑的屋頂造成了極大威脅。在這樣的大風(fēng)天氣下，古建筑屋頂瓦片的受損率從原本的15%～25%提升至20% ～35%。大風(fēng)對(duì)古建筑墻體的影響也在加劇。隨著風(fēng)速加大，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)12 米每秒時(shí)，風(fēng)速每增加1米每秒，墻體所受風(fēng)壓增大10%～ 15%；在一些極端大風(fēng)天氣中，墻體所受風(fēng)壓較之以往增大了20%～45%。對(duì)于一些年代久遠(yuǎn)、墻體結(jié)構(gòu)本身就較為脆弱的古建筑來(lái)說(shuō)，受損風(fēng)險(xiǎn)大幅提升。

在風(fēng)力的作用下，沙塵顆粒不斷摩擦古建筑表面，讓磚石、木材等建筑材料變得粗糙，失去原本的光澤。經(jīng)專業(yè)檢測(cè)，在風(fēng)沙侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域，古建筑表面的粗糙度平均增加了20% ～ 30%。例如，大同的部分古建筑的墻體和雕塑在風(fēng)沙的長(zhǎng)期侵蝕下，表面的細(xì)節(jié)逐漸模糊，一些精美的雕刻線條變得不再清晰，彩繪的顏色也因沙塵顆粒的摩擦而褪色、剝落。

古建筑的“氣象衛(wèi)士”

為了及時(shí)洞察古建筑的細(xì)微變化，文保單位聯(lián)合氣象部門(mén)構(gòu)建了全方位、多層次的監(jiān)測(cè)體系。氣象部門(mén)利用分布廣泛的專業(yè)氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為文保單位提供詳盡的氣象數(shù)據(jù)支持服務(wù)；文保單位則通過(guò)安裝在古建筑上的溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器等各類儀器，密切關(guān)注古建筑的狀態(tài)，并預(yù)判它們可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素，提前采取防護(hù)措施，有效保障古建筑的安全。比如，在得知將有極端高溫天氣時(shí)，提前加強(qiáng)對(duì)木構(gòu)建筑的通風(fēng)散熱措施，防止木材因溫度過(guò)高而變形；若預(yù)測(cè)到將出現(xiàn)強(qiáng)降水，則及時(shí)檢查古建筑的排水系統(tǒng)，確保排水通暢。

文保單位還會(huì)根據(jù)古建筑的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取有針對(duì)性的維護(hù)措施：對(duì)于磚石結(jié)構(gòu)的古建筑，選用新型防水材料，為它們穿上“ 防水衣”。在平遙古城的修繕中就使用了納米防水涂層對(duì)城墻進(jìn)行處理，城墻的防水性能因此提高了80%～90%。針對(duì)木構(gòu)建筑，則會(huì)定期開(kāi)展防腐、防蟲(chóng)處理，為木材涂抹特制的“保護(hù)膜”。

此外，文保單位還會(huì)聯(lián)合當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)，在古建筑周邊大規(guī)模植樹(shù)造林，打造防風(fēng)固沙林帶，讓樹(shù)木成為古建筑的“綠色衛(wèi)士”。此舉可讓風(fēng)速降低20%～30%，有效減輕風(fēng)沙對(duì)古建筑的侵害，調(diào)節(jié)周邊氣象條件，為古建筑營(yíng)造適宜的小氣候環(huán)境。文保部門(mén)還對(duì)古建筑周邊的排水系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，以確保雨水能夠迅速、順暢地排走。

（作者單位：山西省氣象學(xué)會(huì)）

【責(zé)任編輯】趙菲

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