預防性保護理念對我國石窟寺保護的影響與實踐

安 程呂 寧張 榮崔光海鄭 宇

（1.機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所 北京；2.北京國文琰文化遺產保護中心有限公司 北京；3.清華大學建筑設計研究院 北京；4.北京國文琰信息技術有限公司 北京）

內容提要：我國石窟寺文物數量眾多、價值極高，保存環境的差異性很大。石窟寺作為大型的室外建筑體，其預防性保護難度和技術比一般文物要求更高。中國石窟寺風險監測與分析形成了針對石窟寺病害特點及客觀條件的技術路線，在廣元千佛崖石窟大型環境改善工程的預防性保護實踐中發揮了重要作用。由于其對數據處理、監測傳感等技術的要求更高，故而取得的技術進展和理念拓展，對各類其他文物預防性保護也具有一定借鑒價值。

一、石窟寺預防性保護與風險監測分析

石窟寺是佛教文化傳播融合的見證，也是研究歷史、政治、經濟、藝術、宗教、建筑的珍貴資料［1］。我國現存大量石窟寺及石刻，其中世界遺產5處、全國重點文物保護單位307處。石窟的材質、工藝多樣，兼具石刻、壁畫、泥塑、彩繪以及木構建筑特點［2］，多種材料通過膠結物質共同構成整體。與其他類別的文物相比，石窟處于復雜多變的巖體、地質、水文、氣象條件中［3］，開放性強而環境條件更為嚴酷?？梢哉f，石窟現狀是其內在性狀與所處的外部環境共同作用的結果［4］。本體條件與賦存環境的多樣性的雙重作用下，其劣化情況復雜、保護難度較大，我國石窟的典型病害包括表面風化、脫落、積塵結垢、鹽析、人為損害、微生物損害、裂隙、植物破壞等。不同石窟面臨的病害劣化威脅也具有一定特殊性，如山西大同云岡石窟以表面風化、片狀剝落、砂巖空鼓等典型的石質文物病害為多，而甘肅敦煌莫高窟則更多面臨地仗起甲、酥堿等典型的壁畫文物病害威脅。此外，我國石窟或體量較大，如云岡石窟乃至四川樂山大佛，或窟龕數量眾多——僅以“千佛”為名的全國重點保護單位就超過20處，保護修復工作量巨大，單純依靠破壞發生后的搶救性修復，效率低且成效差。

預防性保護近年來外延不斷擴展，主要思路可簡述為“主動阻止和消除各種不利因素”［5］。由于預防性保護理念切合上述我國石窟保存現狀與保護工作實際情況，石窟的預防性保護研究與探索性實踐逐漸得到越來越多文物保護領域專家學者的重視。近年來，隨著我國文物保護事業從搶救性為主向搶救與預防并重的發展轉變，我國對開展石窟預防性保護的需求愈發強烈。

作為預防性保護研究與實踐的重要組成部分，風險監測與分析是我國石窟寺預防性保護實踐中起步較早的工作內容，如敦煌莫高窟、云岡石窟等地于20世紀六七十年代已開始文物環境監測實踐，并為保護措施的合理制定提供了一定的數據支撐。迄今已有“甘肅敦煌莫高窟、山西云岡石窟、重慶大足石刻、四川廣元千佛崖、四川巴中南龕石窟、四川安岳臥佛院石窟、新疆克孜爾石窟、甘肅武威天梯山石窟等一批石窟寺石刻類型全國重點文物保護單位開展了環境監測工作”［6］。

二、我國石窟寺風險監測與分析的技術路線特點

近年來部分學者通過借鑒安全工程等領域中風險防控等理論或技術工具，針對我國石窟寺預防性保護的特點與需求，提出了針對石窟寺風險監測與分析的工作思路與技術路線［7］。與此同時，部分石窟寺利用了館藏文物預防性保護及其他相關領域中已有較多應用的軟硬件技術，如氣象數據實時監測，基于激光測距、圖像分析的本體病害劣化監測技術，野外長距離數據傳輸等，使得風險監測與分析的技術基礎已逐漸成熟。上述技術路線的不斷完善、技術水平的持續提高，正逐步提高石窟風險監測與分析支撐預防性保護實踐的實效性。

在前人研究基礎上，筆者對我國石窟寺風險監測與分析的技術路線進行簡要梳理。

1.石窟寺風險監測與分析的主要目標

鑒于石窟寺預防性保護關注的重點是通過“主動阻止和消除各種不利因素”，盡量于劣化產生、演變前減少乃至消除風險，風險監測與分析在其中應確立如下三方面目標：其一，協助其他前期研究工作，確定文物面臨的全部風險；其二，提供初步數據，并對各風險的內外致因定量分析；其三，對風險致因有效監控。

2.石窟寺風險監測與分析的工作方式

與館藏文物不同，以石窟寺為代表的不可移動文物由于文物本體多種材料復合與環境復雜多變的雙重特點，使得石窟預防性保護要處理多種劣化機理共同發生、彼此耦合的復雜系統問題。因此，石窟寺風險監測與分析往往并非面對預先確定的環境閾值，而是對風險類型、風險致因、調控效果的系統性動態評估。

3.石窟寺風險監測與分析的技術路線案例

石窟寺風險監測與分析技術路線主要由如下部分構成：第一，基于前期研究成果與病害實際情況，開展前置的、初步的文物本體與環境數據采集工作，為機理分析提供數據基礎，并利用不斷獲得的實測數據持續對劣化致因溯源進行迭代、完善；第二，面向實際案例，建立由宏觀病害現象、理論劣化過程、可控可測物理參數等不同層面要素有機構成的較為完善的石窟風險模型，實現由宏觀到微觀、由定性到定量、由文物領域到相關自然科學支撐學科的過渡，同時依據風險模型進一步完善監測方案；第三，從微觀、定量、自然科學支撐學科視角出發，提供不同條件下石窟宏觀、定性、文物領域關切的劣化長期發展預測，提出扎實可靠的預防性保護措施目標與方案建議；第四，綜合利用計算機模擬和小規?，F場試驗持續迭代等手段，完善保護措施設計，評估保護措施實效。

三、風險監測與分析支撐開放性石窟預防性保護實施——四川廣元千佛崖預防性保護（試驗段）

通過參與研究性保護工程，風險監測分析正日漸成為石窟預防性保護的有機組成部分，為石窟保護探索更新、更有效的保護措施。具體而言，石窟寺環境體量、控制難度大于博物館室內較為封閉的環境，固有環境調控手段在開放性窟龕、摩崖造像難以直接應用。國內已有部分石窟保護工程通過封閉窟龕、構建窟檐、建設大型保護建筑等方式將原有賦存環境“變成可控的小環境”［8］，再引入常用的環境調控措施，探索出“為露天的石質文物加蓋保護性建筑，實施監測、建立檔案、數據庫并進行安全可靠性評估”的技術路線［9］，并在廣元千佛崖開展了首個開放性石窟環境調控實踐案例。

四川廣元千佛崖長388.8米，共13層，現存54窟、819龕、7000余造像，其中80%以上為唐代造像，是我國南部最為宏偉的石窟群之一［10］?；?011年至今的監測工作，千佛崖開始了預防性保護措施探索，構建了全球首個面向石窟寺預防性保護的大型不可移動文物預防性保護設施，現已建成試驗段并持續監測評估中。在廣元千佛崖預防性保護工作探索中，風險監測與分析扮演了較為重要的角色，主要包括建立風險模型并實施監測、基于監測數據開展定量化溯源分析并提出預防性保護目標、預防性保護措施的設計優化與效果評估三個方面（圖一）。

圖一// 廣元千佛崖預防性保護技術路線圖（筆者繪制）

1.建立風險模型并實施監測

表一// 廣元千佛崖病害劣化統計

前期病害調查對不同劣化現象出現的范圍進行了統計，確認了表面風化、脫落、積塵、結垢、鹽析為該石窟主要病害劣化類型（表一）。通過對該石窟石材取樣分析，發現其具有典型的泥質石英砂巖特征。此外，廣元千佛崖巖體樣品風化情況較為嚴重，結構強度明顯低于同類新鮮石材，且浸水條件下結構強度還會進一步退化。在參考砂巖表面風化、結垢、脫落、鹽析的共性機理后，建立了病害劣化、主要機理、關鍵影響因素共同構成的病害風險多因素耦合分析模型（圖二），該模型揭示出空氣溫濕度、風速風向、巖體溫度與含水量、降水及pH值、巖體穩定性等廣元千佛崖主要影響因素。自2011年起對風險模型揭示的主要影響因素開展監測，目前已開展了氣象參數、巖體內部、文物表面圖像等多種監測。

2.基于監測數據開展定量化溯源分析并提出預防性保護目標

隨著監測工作的逐步展開，利用監測數據開展了溯源分析，探究了各環境影響因素與表面風化、結垢、剝落、鹽析以及彼此間的定量聯系，梳理得出表面徑流、風環境以及熱濕條件三個有干預必要性、干預效果明顯的環境影響因素，為預防性措施的設計提供方向。

圖二// 廣元千佛崖病害多因素耦合分析模型（筆者繪制）

表面徑流對廣元千佛崖的風化、剝落影響最為顯著。為評估表面徑流對廣元千佛崖的影響情況，并在評估中盡量排除其他因素影響，文物保護工作人員通過文物本體圖像監測的方式對表面徑流范圍及其主要特征進行了分析。通過使用圖像分析軟件對千佛崖各窟龕降雨前后的表面微變圖像分析，廣元千佛崖各主要窟龕外側的黑色結殼區域與表面徑流區域基本重合。在此基礎上，對廣元千佛崖進行了大范圍的表層硬度測試。測試結果顯示，有黑色結殼區域（即表面徑流區域）里氏硬度平均為360.6，明顯低于無黑色結殼區域平均值544.4。據此可以初步得出結論，表面徑流的有無是決定廣元千佛崖巖體抗風化能力強弱的最關鍵因素，而這與取樣分析得到的“廣元千佛崖石材樣品在浸水條件下結構強度會明顯退化”的結果互相印證，表明減少表面徑流將有利于減緩廣元千佛崖巖體結構強度的退化速度，進而對風化、剝落等劣化現象起到緩解作用。

窟龕周邊及其內部風環境是廣元千佛崖劣化發展演變的重要影響因素。通過使用計算流體力學計算機仿真，并經由窟龕內實測風速、風向的校準，表明窟龕內部和周邊區域不同位置風環境情況有較大差異，風速分布較為明顯地分為小于2m/s區域、介于2-4m/s區域、大于4m/s區域，風化嚴重程度隨風速增大而明顯增加。

環境熱濕條件的持續劇烈變化也是廣元千佛崖劣化發展演變的重要影響因素。由于環境溫濕度的持續劇烈變化，不同時間、不同位置巖體間溫度、含水量差異，導致應力差與水鹽遷移作用。監測數據表明，廣元千佛崖文物表面在不同時段受到太陽輻射差異較大，且空氣與巖體升溫速度不同，產生復雜的溫度差異。通過開展文物本體裂隙監測，并將監測結果與溫度變化情況擬合，發現上述溫度差異導致的熱應力是直接影響裂隙尺寸變化、結構薄弱節點持續擴張的主要外因。加之前期研究得到的“吸水量差異、吸水過程由表及里產生的濕應力”初步結論［11］，說明環境溫濕度的劇烈變化是需要改善的環境問題之一。

在表面徑流、風場、環境溫濕度變化幅度需要得到改善的同時，監測數據表明“風、雨、溫、濕彼此耦合，應進行系統性調節”［12］。針對這一問題，廣元千佛崖首次應用了耦合因素多元回歸技術，對溫度、濕度、風速等關聯性因素進行系統性的大數據分析，分析結果表明基于廣元千佛崖的環境特點，在濕度較低及適中的條件下，保障通風有利于保持溫濕度穩定，而當濕度較高時通風則無助于緩解潮濕。

綜合上述幾方面的風險監測與分析，筆者對廣元千佛崖擬采取的保護措施提出以下目標建議：保護措施應阻隔表面徑流并盡量減少降水滲入以緩解潮濕，減小直接掠過文物表面的瞬時風速同時維持通風量，減小太陽輻射差異促進溫濕度基本穩定、均勻。

3.預防性保護措施的設計優化與效果評估

對保護措施提出上述目標建議后，石窟風險監測與分析工作進一步深入到預防性保護措施的方案設計與優化中，針對“靠懸臂系統形成保護棚罩甚至不碰觸石窟所在的崖壁”的預防性保護建筑設計思路［13］，提出了全面遮擋表面徑流，增大不利朝向風阻，減少日間太陽輻射直射、夜間天空背景輻射的建筑設計建議。在試驗段建設前，通過使用非穩態熱濕耦合計算機模擬技術，對試驗段建成后文物本體與環境的長期發展演變進行了預測。預測結果表明，如建設試驗段，對試驗段內文物本體的表層含水量、溫度等關鍵指標而言，其變化幅度將明顯減小，極端高低溫、極端高低含水量出現的次數也將明顯減少。借助石窟風險監測與分析對預防性保護措施設計的完善，初步明確了該方案在保護效果上的有效性，目前廣元千佛崖已選擇了僅有少數殘損嚴重小窟龕的區域，建成了預防性保護建筑試驗段。

針對已經建成的試驗段，仍在通過持續的內外實測數據比對，對預防性保護措施的實際效果進行評估。持續評估表明：試驗段內表面徑流已得到了有效控制；風速在平均值基本不變以維持通風水平的前提下，最大值有了顯著減??；試驗段內溫濕度的變化幅度、變化頻繁程度都有了明顯降低。該預防性保護措施的實效性已通過石窟風險監測與分析得到了初步證實，如表二所示。

四、石窟風險監測與分析對預防性保護的借鑒價值思考

前文已初步表明，隨著技術路線的完善和各類監測分析技術的引入，目前風險監測與分析相關工作已逐步具備了對石窟文物預防性保護的劣化致因分析、保護措施設計與優化、保護措施評估評價提供有效支撐的能力。與此同時，石窟風險監測與分析形成的技術路線、積累的技術儲備，還有望對更為廣泛意義上的預防性保護工作提供有益借鑒。

表二// 試驗段內外文物賦存環境比較（2017、2018兩年數據）

從理念層面而言，石窟風險監測與分析體現了一種重視實時監測與數據溯源，不局限于預先給定閾值的動態評估思路，為各類其他文物的預防性保護帶來新思路。隨著文化遺產利用模式的日益多樣化，預防性保護也面臨著越發差異化的內外因條件。以原狀陳列為例，不同材質文物的差異性環境要求、原狀陳列空間的開放性等因素，給預防性保護帶來復雜開放條件下環境“變化規律認知和調控方法”的挑戰［14］。如故宮博物院倦勤齋原狀陳列等，文物建筑、書畫、木質家具、玉器、象牙制品等處于同一半開放空間中［15］。除原狀陳列外，各類突破文物類型壁壘、打破展品與觀眾物理隔絕的“情境構建”式展陳也將得到越來越廣泛的應用［16］。在可預見的將來，大數據分析、深度學習等技術將不斷發展，云端化、自動化的動態評估有望在文博單位得到應用，基于動態評估思路的個性化、智慧化預防性保護在技術上將成為可能，有助于文博單位應對不同環境條件或展陳形式演變帶來的預防性保護挑戰。

從技術層面而言，石窟預防性保護更嚴苛的數據分析要求催生了文物環境耦合因素多元回歸分析技術，可應用于環境失調原因的深度分析，有助于各類賦存環境復雜程度相對較低的文化遺產的保存條件進一步優化。此外，石窟環境調控難題推動著通透式幕墻、非接觸式輕質結構等高效的環境被動調節技術發展，將為館藏文物預防性保護以及其他不可移動文物的預防性保護帶來新的技術的可能性。同時，通過首先營造一個較為優質的大環境，在此基礎上再開展精細化環境調控的方式，還將有望大幅度降低預防性保護的能耗水平。

［1］呂寧：《思想的碰撞——中國石窟保護理念的發展》，科學出版社2017年，第13頁。

［2］陳迪云、茍曉琴：《石質文物的風化腐蝕破壞及保護淺析》，《地質災害與環境保護》1992年第2期。

［3］同［2］。

［4］黃克忠：《中國石窟的保護現狀》，《敦煌研究》1994年第1期。

［5］王旭東：《基于風險管理理論的莫高窟監測預警體系構建與預防性保護探索》，《敦煌研究》2015年第1期。

［6］安程：《石窟環境監測模擬及整體性分析研究》，科學出版社2019年，第26頁。

［7］同［5］。

［8］黃克忠：《石質文物保護若干問題的思考》，《中國文化遺產》2018年第4期。

［9］同［8］。

［10］馬彥、丁明夷：《廣元千佛崖石窟調查記》，《文物》1990年第6期。

［11］安程、王麒：《基于監測大數據分析的廣元千佛崖保護性建筑實際效果研究》，《中國文化遺產》2018年第5期。

［12］安程、李玉敏：《四川廣元千佛崖造像表面微元模型與空氣環境因素探討》，《江漢考古》2014年第6期。

［13］崔光海：《廣元千佛崖摩崖造像保護建筑試驗段設計方案》，《世界建筑導報》2019年第4期。

［14］王濤：《北京地區名人故居原狀陳列溫濕度調查與分析》，《中國博物館協會名人故居專業委員會2016年年會論文集》，第256—276頁。

［15］苑洪琪：《倦勤齋的復原陳設與保護》，《中國紫禁城學會論文集（四）》，2004年，第113—117頁。

［16］宋向光：《當代我國博物館展陳發展現狀及趨勢》，《中國博物館》2015年第3期。