從搶救性保護到預防性保護
——古月橋保護修繕工程實踐分析

張 榮（北京國文琰文化遺產保護中心有限公司 北京 100192）

王 麒（北京國文琰文化遺產保護中心有限公司 北京 100192）

王 帥（北京國文琰文化遺產保護中心有限公司 北京 100192）

李玉敏（北京國文琰文化遺產保護中心有限公司 北京 100192）

呂 寧（清華大學建筑設計研究院有限公司文化遺產保護研究中心 北京 100084）

黃美燕（義烏市文物保護管理辦公室 浙江義烏 322000）

一、預防性保護的概念辨析

“預 防性保護”是我國文化遺產保護領域里面近幾年較流行的一個語匯。“預防性保護一詞來自英文‘Preventive Conservation’的直譯，該概念最早提出是在1930年于羅馬召開的第一屆藝術品保護科學方法研究國際會議上”[1]。國際文化遺產保護界對“預防性保護”已經研究多年，并逐漸發展成為一門獨立的學科，該學科研究領域涵蓋了遺產保護、遺產防災、遺產監測、館藏文物環境控制等方向。

在我 國的法規和行業規范文件中， 2015版《中國文物古跡保護準則》（以下簡稱《準則》）①《中國文物古跡保護準則》是由國際古跡遺址理事會中國國家委員會制定，國家文物局推薦的行業規范，2000年制訂第1版，2015年修訂完成第2版。率先提出“預防性保護”概念②《中國文物古跡保護準則》2015版第12條：“最低限度干預：應當把干預限制在保證文物古跡安全的程度上。為減少對文物古跡的干預，應對文物古跡采取預防性保護。”。

而最近兩年內，一系列重要文件的精神，將“預防性保護”納入了中國文化遺產保護事業的快車道，將這個名詞從概念帶到了實踐的最前沿。2017年《國 家文物事業發展“十三五”規劃》明確提出，要從以 往單純注重搶救性保護，向搶救性與預防性并重的保護方式轉變，在館藏文物保護、革命文物保護、文物保護裝備上都提到了“預防性保護”的理念，并明確要求“推動文物預防性保護常態化、標準化，出臺日常養護、歲修、巡查和監測工作規范。”2018年中共中央辦公廳、國務院辦公廳先后印發了《關 于實施革命文物保護利用工程（2018-2022年）的意見》和《關于加強文物保護利用改革的若干意見》兩個文件，都提出了“預防性保護”的概念，前者要求“統籌推進搶救性與預防性保護”；后者提出“支持文物保護由搶救性保護向搶救性與預防性保護并重、由注重文物本體保護向文物本體與周邊環境整體保護并重轉變。”2019年財政部、國家文物局印發的《國家文物保護專項資金管理辦法》中，將“預防性保護”作為文物保護資金的一個專項支出內容。

2015版《準則》中提出，“預防性保護”目的是為減少保護工程對文物古跡的干預，并給出“預防性保護”的定義：預防性保護是指通過防護和加固的技術措施和相應的管理措施減少災害發生的可能、災害對文物古跡造成損害、以及災后需要采取的修復措施的強度[2]。從預防性保護的目標與定義上來看，預防性保護有三個要點內容：1.預防性保護要滿足最低限度干預原則；2.預防性保護要通過技術措施和管理措施共同實施；3.預防性保護要減少或避免文物古跡遭受的威脅與災害。

本文希望通過古月橋保護修繕工程案例的闡釋，在“預防性保護”理念的指引下，提出“預防性保護”的中國解決方案，以推動預防性保護這一理論在中國文化遺產保護領域的發展與實踐落地。

預防性保護的概念要求，改變以往“頭疼醫頭，腳疼醫腳”的臨時性“搶救”概念，要在破壞最終發生前，通過科學系統的分析，找到對文化遺產最根本的威脅因素，并以“最小干預”的方式，科學有效地對文化遺產進行保護，并且要對保護過程與成果進行監測與評估。

二、古月橋預防性保護修繕工程

古月 橋位于浙江省義烏市赤岸鎮龍溪之上，為我國迄今可考最早出現的折邊拱橋。橋頂南側石梁面上刻有“皇宋嘉定葵酉季秋閏月建造”題刻，建于宋嘉定六年（1213年），相傳為南宋工部侍郎、邑人徐僑（文清公）所筑。1982年在全國文物普查時首次發現該橋，2001年公布為全國重點文物保護單位。

（一）基于價值研究的數字化測繪

折邊形拱橋作為我國拱橋發展史上的一種特殊形制，今僅在浙江及周邊地區有實例留存，具有鮮明的地方特色③“可喜的是在浙江保存著較多從三邊形到圓弧拱演變軌跡的具有早期構造特征的橋梁，為研究這一轉變提供了實物例證。”參見：張書恒. 浙江宋代橋梁研究[C]//浙江省文物考古研究所.浙江省文物考古研究所學刊（2）.北京：科學出版社，1993：320.。不少學者認為，折邊拱是曲拱結構發展的過渡階段。中國漢代墓葬考古發現也證明了這一點：由磚拱疊澀逐漸發展為三、五、七折拱，最終發展為圓拱。這恰與西方普遍認為的由金字塔“假拱”到折邊拱再到圓拱的發展歷程相符（圖3）。

古月橋采用單拱縱聯分節并列砌置，橋身分四層。

作為主要承重結構的橋身底層由六列肋梁組成五邊形折拱形制，每列石梁5根，拱段之間以橫鎖石相連，橫鎖石上鑿出凹槽，使拱條石與橫鎖石緊密相接；同時，為了使橋整體保有一定的靈活性，橫鎖石并非貫穿整體六列石梁，而是以每排兩根、錯開排列的方式，連接六列石梁。

橋身第二層為鋪設于承重層上的底板層，該層由石板在石梁之間垂直橋身方向平鋪而成。

橋身第三層為底板層之上的填充層，該層由大小不一的碎石、黃土填充而成。

橋身第四層為填充層上的橋面層，該層中央鋪有長條石，折拱橫鎖石位置垂直于橋身方向鋪有條石，其余橋面部分平行于橋面方向錯落鋪設石板。

為深入研究古月橋的構造做法，以及準確測量橋體的變形情況，勘察設計方采用三維激光掃描的方式對橋梁進行整體測繪。使用 FARO Focus3D X 330三維激光掃描設備，最小點間距可達1毫米，單點測量誤差不超過2毫米，滿足對橋體進行測量精度和分辨率要求（圖4）。

根據掃描測繪結果，古月橋全長31.20米，底拱長14.67米，拱矢高4.99米，橋面兩側寬約4.91米，中部寬4.45米，東西兩側引橋各為7.65米，坡度約為25°；自起拱處至拱最高處約為3.745米，按照宋代1尺④宋尺與今尺寸的計算有多種方式，本文中采用《尺錄》及鞏縣出土宋代鐵尺實物的計算方式，即1尺=31.186厘米。約合31.186厘米計算，整橋為10丈，引橋部分約50尺，橋體部分約50尺；橋身軸線跨度48尺，與起拱處至最高處的12尺，恰為一底與高之比為4∶1的三角形。結合宋代造橋技術特點，該三角形應與古月橋建造之初的放樣關系相合[3]（圖5）。

同時，根據掃描實測結果，以六列石梁梁底為基準繪制軸線。雖然目前六列石梁都發生了一定程度的偏移，但整體的收分明顯。橋基支撐的最端頭肋梁間距最寬，軸線間距為86厘米，合宋代2尺7寸5分，橋身正中肋梁間距最窄，軸線間距應為78厘米，約合宋代2尺5寸。整體軸線間距由13尺7寸5分向內逐漸收分至12尺5寸，橋體由橋基兩側最寬處的4.836米（約合13尺7寸5分）收至橋中最窄處的4.446米（約合14尺2寸5分）。這說明，古月橋在建造之初就保有向內的預應力，古月橋的力學結構設計非常合理，古月橋穩定地保存、使用超過800年，也證明了其橋體力學設計成功（圖6）。

結合《宋史》中所載宋代已經掌握了橋梁模型和試驗技術，以古月橋如此精密巧妙的設計，極有可能在建橋之初先建有模型，再根據模型放樣建橋。古月橋橋體收分的設計，使橋梁更加輕巧美觀，無論從側面還是正面看，古月橋都具有優美的曲線。更加重要的是，古月橋的收分設計，使橋體依靠自重產生了向內的預應力，這種現代力學設計理念，在800年前的古月橋設計上就巧妙地體現出來，這種設計保證了古月橋經歷800年的風雨侵襲、洪水襲擊也依舊屹立不倒。

在三維激光數字化精細測量分析研究的幫助下，我們對古月橋的構造做法和結構體系有了更加清晰的認識。古月橋在中國科技史、橋梁建筑史上具有重要地位，橋體結構構造體系是其最重要的價值所在，也是在保護工程中要保護和延續下去的重要價值點。

表1 代表性樣品的孔隙率測定

（二）殘損勘察研究

在對古月橋的殘損勘察過程中，發現目前除了表面生物與微生物病害、石塊之間的灰漿缺失外，橋體的主要威脅為橫鎖石斷裂，以及部分肋梁端頭的壓潰與位移；同時，橋體風化表現出明顯的規律：兩側風化輕微而中間風化嚴重；橋面板缺失嚴重，尤其是南側橋面，局部甚至出現了透天的現象，下雨時由橋面向橋底結構構件滲漏水情況嚴重（圖7）。

1.微觀材料檢測分析

為了研究石材的特質、病害的情況及對橋整體結構的影響，取得巖石、苔蘚、石灰、附近土壤共18個樣品，采用多種實驗方法對樣品進行分析，以期獲得石材的特質、病害機理以及微觀和宏觀之間的內在聯系。

（1）礦物組成分析。通過對采集到的巖石樣品分析，橋體所用石材為火山碎屑巖，主要為火山角礫巖。

（2）顯微觀察分析微觀殘損。使用高倍電子顯微鏡觀察巖石樣品，風化情況與宏觀勘察結果一致，位于中央部位的樣品風化程度較兩側深。同時，高倍率下樣品上可見大量絲狀、片狀、膠裝附著物，并散布有微生物殘骸（圖8），說明微生物存在并對巖石風化有影響。

（3）孔隙率測定。取三個分別位于橋頭底部、橋身中部和橋身正中的樣品進行壓汞孔隙率測定，由表1可知，三處不同位置的石材樣品孔隙率均在10%左右，高于一般火山角礫巖2%～9%的孔隙率，應是風化所致；同時，8號樣品位于橋中央，風化最嚴重，亦與宏觀勘察結果一致。

結合微觀樣品的檢測，印證了宏觀勘察的結論，即越往橋中央風化越嚴重，靠近兩側風化程度較輕。同時，石構件發生化學風化的機理經分析，主要原因是橋面滲水、微生物及植物生長，加之氣候潮濕，橋體結構材料長期處于陰暗潮濕的環境，在水、微生物的共同作用下發生嚴重的結構性石梁差異性風化。

2.結構計算

針對古月橋的結構穩定性檢測，采用計算機模擬分析計算的方式，并比較分析了前輩學者在2004年[4]和2014年兩次測算結果，從而作出綜合判斷。

結構計算采用有限元方法，在現場調研和綜合分析的基礎上，進一步將縱肋條石梁和橫鎖石交接處簡化為僅X軸單方向變形約束的鉸接受力體系。模型所有節點的空間坐標都是依據本次測繪三維掃描后的實際位置點確定的，因此模型本身完全反映了橋體現狀。根據現場采集的巖石樣品進行超聲波速測試和力學實驗，測得其縱波速度、橫波速度、彈性模量及單軸抗壓強度等參數。其中，附近采石場的新鮮巖樣彈性模型平均為19.58GPa（注：GPa為壓力單位），泊松比⑤泊松比是指材料在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變的絕對值的比值，也叫橫向變形系數，是反映材料橫向變形的彈性常數。為0.17；現場采集的風化巖樣平均彈性模量為14.41GPa，泊松比為0.171。在計算中，取風化巖石的平均數據來表征橋體材料的殘損。經過結構計算，初步可知，古月橋在沒有外力作用下，自身結構體系基本穩定（圖9）。

根據水文地質資料，龍溪10年一遇的洪峰流量是224立方米每秒，5年一遇的洪峰流量是167立方米每秒。古月橋段5年一遇的洪峰流量是110立方米每秒，水務局于上游設四個分洪管后，每個分洪管設計流量是10.1立方米每秒，故分洪后古月橋段五年一遇的洪峰流量是69.66立方米每秒。通過計算得知，鑒于橋體自身Z向變形已經十分嚴重，雖然龍溪已經經過分流泄洪，但洪峰仍然對脆弱的橋體有較嚴重威脅，會引發橋體Z向持續變形。

根據本次結構計算結果，對比2004年和2014年的結構計算，可以看出幾次計算的結果基本一致。古月橋在沒有外力作用下，目前自身結構體系基本穩定。但由于承載結構的差異性風化和形變位移嚴重，在外力作用下，比如嚴重的洪水、通過橋面的較大荷載都可能影響橋體穩定性。

3.勘察結論

綜合上述，古月橋在水以及生物病害的共同作用下，橋體目前出現了較為嚴重的殘損，主要表現為不均勻風化、石梁斷裂等病害，尤其是應力集中的梁頭、橫鎖石部位，大部分梁頭由于風化，與橫鎖石接觸面積變得很小，并且石構件之前缺少墊層緩沖，導致梁頭應力集中，加之該區域又是風化病害集中區域，石構件端點的破壞已經形成了惡性循環。

由于橋面板部分缺失和墊層防排水能力失效，橋體下部結構肋梁、橫鎖石長期處于潮濕環境，植物、微生物生長繁盛。橋體結構構件的風化與生物病害呈加速狀態。

根據結構計算，由于橋體結構的科學合理性，雖然橋體風化嚴重，但古月橋橋身結構目前處于穩定狀態。但是如果其結構構件繼續風化破壞，或遭遇較大洪水側推，或受到外加超過一定限制的不均勻荷載等問題，則有可能引起橋梁局部倒塌甚至全部垮塌。

根據以上勘察結論，工作組對古月橋預防性保護提出的初步建議是：延緩古月橋的風化破壞，改善目前結構構件應力集中部位的受力狀態；并通過監測和管理的方式，減少洪水、人為破壞等外因對古月橋的影響。

（三）設計方案制定

根據勘察結論，工作組提出了兩套修繕設計方案。兩個方案的區別在于是否對橋體整體進行落架，是否對斷裂的橫鎖石采用鋼筋或碳纖維等現代材料進行加固。經與項目評審專家組深入討論后，決定采用最小干預的方案：不進行結構落架，不采用鋼筋或碳纖維等材料改變現有結構體系和材料強度⑥石刻保護專家黃克忠先生、古建筑保護專家張之平先生建議：古月橋已經存在了800多年，既然結構計算證明，它自身結構基本穩定，就不要輕易改變它的受力體系。古月橋的結構體系是橋梁類文化遺產最重要的價值點，要嚴格保護。。

在這個原則指導下，工作組制定了古月橋的保護方案如下（圖10）：

1.在不改變古月橋現有結構體系的前提下，針對性地研制補強材料，增強承重結構整體剛性，限制結構節點位移，改善端頭節點應力集中和受力不均狀態。

2.清除和抑制微生物和植物生長，重新鋪設夯實填充層，補配缺失橋面板，改善橋面和兩側的排水狀況，改善石質風化加劇的現狀，減緩其風化速率。

3.建立對古月橋保存狀態、本體及環境的監測系統，監測古月橋修繕過程中的結構體系是否有變化。并在修繕工程完成后，長期對古月橋的風化、生物病害及洪水等災害進行監測。

（四）工程技術研究

1.保護材料研發

根據方案，古月橋保護工程最核心要解決的一項任務，就是為古月橋針對性地研發修補和構件間的墊層材料。

為了完成方案中限制節點位移的目的，工作組提出使用犧牲性材料進行節點強化的方法。這種方式既可滿足防止節點繼續弱化的目的，又滿足修繕“最少干預”的原則。首先古月橋節點的問題體現在梁頭截面變小而產生了梁頭的壓潰與壓裂，而這又造成梁頭截面進一步縮小的惡性循環。那么緩解梁頭受力狀況、充分發揮殘余截面的受力性能就成了不外加其他結構而維持現有節點的最佳方法。其次保護風化后的表層石材，不僅是為了保護文物原狀，也成為了維持梁體截面的重要一環。選擇犧牲性材料作為受力墊層，能有效地使梁頭接觸面受力更加均勻，同時也能對節點的位移進行限制，而犧牲性材料低于風化石材的強度則可以作為風化部分石材的“軟保護”，一旦破壞發生時，先于被保護的石材破壞，起到預警作用。

本著犧牲性材料應與古月橋原有火山角礫巖性質相近的原則，天然水硬性石灰材料吸引了我們的注意。首先其礦物成分與原石材相近；其次它具有收縮變形性小、孔隙率大、透水性及透氣性良好的基本性質，以及較強的抗凍融、水穩定性、耐溫濕度循環變化影響，且具有抵抗堿性介質侵蝕的能力。在以往的研究與工程應用中，它也體現出比水泥和有機樹脂高分子材料更可靠的性能。因此我們決定以天然水硬性石灰材料為基材進行改性研究，使其能夠滿足犧牲性材料的指標（圖11）。

根據古月橋保護工程的要求，對該種基于水硬性石灰研發的犧牲性材料設定了以下性能要求：

（1）材料強度必須低于古月橋現狀風化后的石構件強度，以保證在發生破壞時，補強材料先于石構件破壞，從而保護已風化石構件的完整性；根據勘察報告中古月橋石材強風化部位的單軸抗壓強度為20～30MPa的結論，確定該犧牲性補強材料的單軸抗壓強度應在10～20MPa之間。

（2）與石質文物本體很好地兼容、耐久而不易產生剝離。在化學成分、性質上與古月橋的火山角礫巖較為接近，防止因所含鹽分不同而在結合處發生析鹽等病害，而對本體石材產生破壞。

（3）易于清理，在石材上基本無殘留，具有較強的可逆性。

（4）考慮到施工的要求，材料應該具有較好的可灌性，所以材料的強度指標應以凈漿為準，不應添加集料。

經過不同的材料組份的配比實驗，工作組最終得到了由水硬性石灰、火山角礫巖礦粉和少量聚乙烯醇纖維組成的犧牲性保護材料[5]。材料通過強度實驗、老化實驗和現場實驗，能夠良好地達到設計性能指標（圖12）。該材料在2017年2月獲得了國家發明專利。

2.施工技術

根據設計要求，施工單位精心組織了科學的施工順序：

（1）搭設腳手架和鋼梁架（圖13）。該鋼梁架并不直接支撐橋體，所有節點與橋體結構部位保持5毫米距離，鋼架的作用是在施工過程中或者雨季洪水作用下，一旦結構失穩，鋼架對現有橋體結構起到預防保護作用。

（2）對橫鎖石與梁頭節點進行局部歸安以限制位移，并用犧牲性材料將梁頭缺失面積補充完整，在橋體結構穩固并且犧牲性補強材料達到抗壓強度標準后，再進行后續工序施工。

（3）拆卸橋面板。橋兩頭同時對稱揭起（防止橋體偏心受力），從橋面上移除的石板、壓闌石按位置順序予以明確編號和詳細記錄，妥善保存于干燥場所，以便后期歸安。

（4）清理橋面、側面橋身、側塘石及壓闌石底面的植物及微生物。

（5）補配已缺失或更換嚴重破損的橫鋪石底板。在古月橋附近村莊采集相同材質的火山角礫巖石材，采用傳統工藝手工加工石板，并補配在缺失部位。

（6）填充層補充。將角礫巖碎巖，均勻地鋪在底板層之上；以河砂、黃土與石灰體積以5∶2∶3的比例加水充分攪拌，整堆密封7～15天，使生石灰完全熟化，再進行二次攪拌，干濕度控制以用手捏能結塊、落地能散開為標準。然后鋪設于碎石層之上，壓實、找平后按照傳統三合土地面施工、保養方法進行多次人工拍打，拍打至10厘米左右，待干結后沖水進行防滲檢驗。[6]

（7）橋身壓闌石和金剛墻整理歸安，并用紙筋灰勾縫防止側向滲水。

（8）橋面板補配，在附近村落收集火山角礫巖舊石板，用傳統工藝手工加工成與原石板一致的橋面板，參照保存較為完整的北側橋面，補配安裝南側橋面缺失面板。

整個工程施工體現了高科技保護技術與傳統工藝的緊密結合。以傳統工藝為基礎，使用當地傳統配比的三合土墊層作為防水層（圖14），用傳統工藝加工補配缺失石構件。在傳統工藝無法解決的問題上使用新技術，特別是材料技術，用針對性研發的犧牲性水硬性石灰材料修補破損石梁節點，并用現代檢測技術手段——色差儀、紅外熱像儀、砂漿強度檢測分析等設備及方法對材料性能是否達到設計指標進行檢測（圖15）。使用現代鋼結構為古月橋搭建了一個預防性支撐保護結構，預防結構失穩的發生，該支撐體也為工程實施與監測提供了一個堅實的施工平臺。

3.監測技術

根據設計要求，進行了全程的工程監測。重點對橋體穩定性與位移進行監測。在橋梁周圍設置了永久觀測點，在所有橫鎖石端頭以及結構關鍵部位都設置了監測標靶與實時位移監測儀（圖16），并在部分開裂構件上粘貼石膏條，用傳統方式監測裂隙的變化。通過定期的全站儀測量與實時位移數據監測，確保施工過程中，橋體結構的穩定。數據表明，在整個施工過程中以及工程結束至今，橋體結構始終保持穩定，原有結構體系沒有任何改變，很好地達到了設計要求。

監測還對古月橋的氣象環境和水文環境、尤其是對洪水狀況進行了監測。義烏每年春、夏季節下雨頻繁且雨量較大，龍溪洪水湍急。根據監測數據，近兩年施工過程中，龍溪洪水未對古月橋結構產生穩定性的影響。并且近幾年，龍溪已經采取了分流限洪的措施。根據初步監測成果判斷，龍溪洪水未對古月橋的安全穩定性產生影響。

結語

古月橋保護工程的“預防性”，體現在以下幾點：

1.通過高科技勘察手段與結構計算，科學評價“古月橋”的穩定性，真正做到將保護工程對文物本體的影響“最小干預”。

2.搭建預防性保護鋼梁，預防施工過程中的橋體結構失穩。

3.采用針對性研發的犧牲性材料作為構件間的墊層，增強了原結構的整體性，保護了所有的原有結構構件。并且該材料的強度略小于風化構件的表面強度，一旦風化繼續發生，會首先集中于受力集中并且強度較小的犧牲性材料，從而對文物本體起到預防保護的作用。

4.通過傳統工藝，修復橋面板與三合土墊層，防止雨水下滲，減弱風化與生物病害的影響。

5.古月橋保護工程實施了全過程監測，對施工過程中橋體結構變形進行控制，對保護材料的實施效果進行鑒定，預防工程過程中對文物產生的破壞。

6.通過管理要求，對修繕后的洪水以及橋梁的使用進行規范，預防未來自然與人為破壞對古月橋的影響。

義烏古月橋保護修繕整個工程從勘察設計到 竣工驗收歷時5年，項目管理和技術團隊重視前期勘察研究工作，專門委托團隊進行勘察分析研究，并創造性地在施工過程中引入了監測和技術服務團隊（圖17）。

以價值評估為判斷依據，重視拱橋原有的結構構造體系的真實性，系統分析了古月橋現有結構體系的穩定性，以及面臨的危害情況，設計方案提出了研究性、預防性的系統解決方案。

工程采用最小干預原則，整個工程過程未進行結構構件落架，完整保留了原有橋梁力學體系，沒有更換任何結構性構件。并通過監測，科學地控制這個工程的實施進程與質量⑦2019年1月，古月橋工程通過了浙江省文物局組織的竣工驗收，工程實施效果得到了專家與當地居民一直好評。2019年4月，古月橋保護修繕工程榮獲“全國優秀古跡遺址保護特別推薦項目”。2019年10月14日，在馬來西亞檳城舉行的聯合國教科文組織亞太地區遺產論壇大會上，古月橋修繕工程榮獲“聯合國教科文組織亞太地區文化遺產優異項目獎（UNESCO Asia-Pacific Awards for Cultural Heritage Conservation-Award of Merit）”。。

古月橋修繕工程從設計到施工，體現了高新測繪技術、材料技術、監測技術與傳統工藝的完美結合，是我國文化遺產保護工作，從搶救性保護向預防性保護發展的一項重要成功實踐（圖18-20）。