適應氣候 山西古建筑的不朽奧秘

“地上文物看山西”可謂名不虛傳。山西境內的古建筑多達28027處，且分布廣泛，我國現存80%的元代及元代以前的木結構建筑位于山西。數量如此龐大的古建筑能遺存至今，氣候是關鍵因素。干燥少雨，加之山西歷史上出現的極端天氣相對比較少，對古建筑保護十分有利。此外，古代工匠在設計、建造過程中對氣候規律的把握運用，即適應性設計，也功不可沒。

適應氣候，可謂山西古建筑千年不朽的奧秘。

適應性的設計

平遙古城：因地制宜巧設計

平遙古城始建于西周宣王時期，距今已有2800 多年的歷史， 是我國境內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，當地干燥的土壤為古城內的夯土建筑提供了絕佳材料。這種夯土在干燥天氣下的穩定性和耐久性較高，且其中富含多種對增強建筑穩固性有重要作用的礦物質。以碳酸鈣為例，其中一部分以微小顆粒的形式均勻分布，另一部分則通過化學反應形成膠結物質，可有效分散應力，提高夯土的抗壓強度。

在建筑設計方面， 古城內的建筑的設計者們充分考慮了當地的氣候特點，并注重實用性。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。排水系統也是古城得以長久保存的關鍵因素。當地夏季常出現雨強較大的陣性降水。為減少降水對城內建筑的影響，古城街道兩側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小時內將街道積水排空，引向城外。在建筑地基排水方面，平遙古城的建筑也有著獨特而精妙的設計。古城建筑的地基一般會高出地面30～50厘米，以防地基長時間被淹。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。這種設計能夠有效地將屋頂落下的雨水快速引導至街道排水溝，避免雨水在建筑周邊積聚，減少對墻體和地基的侵蝕。

從整個古城的宏觀角度看，城內的排水溝相互連通，共同構成了完整且高效的排水網絡。在地勢較低的區域，還專門設置了排水涵洞，將各個街區的雨水匯聚起來，然后通過城門附近的排水口排至城外。

佛光寺：相互作用延千年

佛光寺創建于北魏孝文帝時期，后被毀。唐大中十一年（857年），京都女弟子寧公遇和高僧愿誠主持重建佛光寺。寺內現存的東大殿是我國規模最大、結構最完整的唐代木構建筑，被稱為“中國古建筑第一瑰寶”。

佛光寺之所以能夠被完好保留下來，有多種因素，其中與氣候條件不無關聯。當地年平均降水量較少，約為400～500毫米。這種干燥少雨的氣候特點大大降低了雨水對建筑物的侵蝕危害，使得墻面不易因長期受雨水浸泡而塌毀，屋頂的瓦片也能保持相對完好。

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34米，進深四間，為17.66米，總面積677平方米。大殿的斗拱宏大，七鋪作斗拱縱橫恣肆，斗拱高度約為柱高的1/2，出檐深遠，探出達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構使得東大殿的屋檐伸出距離較長，在降雨時，能將雨水拋灑到離建筑主體較遠的地方。實地監測顯示，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墻體和臺基的直接沖刷；平緩的屋面坡度則有利于雨水快速滑落，減少屋面積水。

木結構建筑最怕白蟻。佛光寺所在的五臺山地區冬季寒冷，平均氣溫在-10℃以下，這種低溫環境讓白蟻難以生存。此外，東大殿殿內空間高大開闊，空氣流通性較好，干燥的氣候條件配合良好的通風條件，使得大殿木構件中的水分能夠及時散發，殿內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度，又能降低木材腐朽的風險。

佛光寺所在地區的晝夜溫差也較大， 白天最高溫度可達25℃以上， 夜晚最低溫度可降至5℃以下。在白天溫度升高時，木材微微膨脹， 夜晚溫度降低時，木材收縮，這種熱脹冷縮的過程使木材之間的榫卯結構結合得更加緊密，增強了木結構建筑整體的穩定性。盡管溫差變化也會給木材帶來一定的熱應力，但由于建筑結構的合理性和木材本身的質量，這種影響并未對建筑造成嚴重破壞。

除了木結構建筑，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幢為例。該石經幢高3.24米，八角形，石經幢下設束腰六邊形基座，刻有獅獸壺門及仰覆蓮瓣， 幢身刻《佛頂尊勝陀羅尼經》。石質材料本身就具有較好的耐久性，當地干燥寒冷的氣候則避免了石經幢因天氣潮濕而引發的生物和化學侵蝕的風險。在低溫環境下， 石經幢表面微生物的滋生率相較于溫暖潮濕地區降低了90% 以上，有助于保護石經幢的表面和結構。

佛光寺的東大殿和唐代石經幢等不僅擁有獨特的建筑特點，還與當地氣象條件相互作用，共同促成了自身的長久保存。

應縣木塔：結構穩定拒風雨

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

木塔通高67.31米，底層直徑達30.27米，如此龐大的體量卻能歷經歲月而不倒，其建筑結構功不可沒。應縣木塔建在兩層石砌臺基上，下層臺基高0.98米， 上層臺基高2.10米， 總高度3.08米。這一高度并不是隨便設計的，而是有著特殊的作用。應縣年平均降水量約400毫米，雖不算多，但降水集中在夏季，短時間內雨水徑流量不小。而木塔臺基的高度設計可以讓雨水快速排離塔基。經實地監測，在暴雨天氣下，周邊普通建筑地基受雨水浸泡的時長約為兩三個小時，而木塔臺基處受浸泡時間不足半小時，大大減少了雨水對塔基和柱子的侵蝕，保護了建筑的基礎結構。

木塔采用內外兩圈木柱支撐體系，內圈8 根柱子，外圈16根柱子，柱子直徑在0.5～0.6米，粗壯堅實。這些柱子作為主要豎向承重構件，承擔著巨大的壓力。應縣當地大風天氣頻繁，年平均風速在3～4米每秒，最大風速可達10米每秒以上，強大的豎向支撐力保證了木塔在大風天氣下不會輕易傾斜或倒塌。而且，柱子之間通過梁枋連接，形成穩固的框架結構，進一步增強了木塔整體的穩定性。

應縣木塔的榫卯結構更是精妙絕倫，不僅讓木塔外觀更加雄偉壯觀，更在應對氣候變化帶來的各種挑戰時發揮了關鍵作用。應縣屬于溫帶大陸性季風氣候，白天在陽光的照射下， 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10～15℃。木材在這種溫差環境下會產生熱脹冷縮現象。在白天溫度升高時，木材膨脹，榫卯節點處的連接會更加緊密；夜晚，溫度降低，木材收縮，榫卯結構又能通過自身的微小形變來適應這種變化，避免了因熱脹冷縮產生的應力對結構造成破壞。研究人員通過對木塔部分榫卯節點的長期監測發現，經過一年的溫差變化，榫卯節點的緊密程度在熱脹冷縮的作用下不僅沒有降低，反而提高了約10%，進一步增強了木塔的結構穩定性。

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

寒冷的氣候對應縣木塔的保護也起到了重要作用。白蟻是木結構建筑的天敵，在溫暖潮濕的環境中，白蟻繁殖迅速且對木材有極強的破壞力。而應縣冬季寒冷，平均氣溫在-10℃左右， 極端低溫可達-20 ℃以下。這樣的低溫環境對白蟻等害蟲的生存繁殖構成極大阻礙。當溫度低于5℃時，白蟻的活動能力明顯下降；當溫度持續低于0℃一段時間后，白蟻的死亡率大幅上升。在應縣這樣的寒冷地區，白蟻對木塔木結構的破壞率較溫暖潮濕地區降低了約90%，有效保護了木塔的木結構不受蟲害侵蝕。

應縣木塔的建筑結構與當地氣象條件之間存在著一種微妙而緊密的關系。建筑結構在適應氣象條件的過程中，展現出了強大的生命力；氣象條件在一定程度上也為建筑的長久保存和結構的穩定提供了有利的環境。這種相互依存、相互作用的關系，使得應縣木塔能夠在千年的時光長河中屹立不倒，成為人類建筑史上的瑰寶，也為我們研究古建筑與自然環境的關系提供了珍貴的樣本。

氣候變化的挑戰

“變臉”的溫度

隨著全球氣候變暖，山西的氣溫呈上升趨勢且波動愈發明顯。據統計，近50 年來，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帶來了諸多難題。

對于平遙古城墻等磚石結構建筑，夏季高溫使磚石膨脹，冬季低溫又使其收縮，長期的熱脹冷縮作用導致磚石出現裂縫。經檢測，平遙古城部分城墻磚石的裂縫寬度已經達到0.5～1厘米，若不及時處理，放任裂縫進一步擴大，可能會危及城墻安全。

木結構建筑同樣深受其害，應縣木塔的木材因溫度變化導致含水率隨季節發生改變。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裂。對應縣木塔木材的變形情況進行的監測顯示，部分木材在一年內的變形量達到了0.5 ～ 1 厘米，這對木塔的結構穩定性構成了潛在威脅。

“惡作劇”的降水

氣候變化導致山西的降水模式也發生了改變。近20 年來， 山西部分地區的年降水量增加了10%～20%，暴雨日數增加了兩三天。

降水量的增加對古建筑構成了嚴重威脅。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，受損面積達到了30%～40%。雨水還滲入建筑內部，使墻壁發霉，木結構腐朽。一些古建筑的屋頂因排水不暢，在雨季時積水嚴重，導致屋頂結構受損，此類古建筑的占比達到了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構，孔隙率相對較大，吸水性較強。在暴雨的沖刷下，雨水容易滲入巖體內部。云岡研究院的監測數據顯示，在一次強降水過程中，部分洞窟巖體的含水率在短時間內可從5%～8%迅速升至15%～20%。長期頻繁的雨水滲透，使得巖體內部的礦物質成分發生溶解、遷移和再沉淀，導致巖體結構逐漸疏松。由于長期的侵蝕，一些洞窟的壁面發生了片狀剝落，原本精美的雕刻線條變得模糊不清，部分洞窟的壁畫也受到嚴重威脅。降水還可能引發周邊山體的滑坡、泥石流等地質災害，對云岡石窟構成間接的毀滅性打擊。

“搗亂”的風災和沙塵

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

在風力的作用下，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。經專業檢測，在風沙侵蝕較為嚴重的區域，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沙的長期侵蝕下，表面的細節逐漸模糊，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“氣象衛士”

為了及時洞察古建筑的細微變化，文保單位聯合氣象部門構建了全方位、多層次的監測體系。氣象部門利用分布廣泛的專業氣象監測網絡，為文保單位提供詳盡的氣象數據支持服務；文保單位則通過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，密切關注古建筑的狀態，并預判它們可能面臨的風險因素，提前采取防護措施，有效保障古建筑的安全。比如，在得知將有極端高溫天氣時，提前加強對木構建筑的通風散熱措施，防止木材因溫度過高而變形；若預測到將出現強降水，則及時檢查古建筑的排水系統，確保排水通暢。

文保單位還會根據古建筑的不同結構特點，采取有針對性的維護措施：對于磚石結構的古建筑，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城墻進行處理，城墻的防水性能因此提高了80%～90%。針對木構建筑，則會定期開展防腐、防蟲處理，為木材涂抹特制的“保護膜”。

此外，文保單位還會聯合當地有關部門，在古建筑周邊大規模植樹造林，打造防風固沙林帶，讓樹木成為古建筑的“綠色衛士”。此舉可讓風速降低20%～30%，有效減輕風沙對古建筑的侵害，調節周邊氣象條件，為古建筑營造適宜的小氣候環境。文保部門還對古建筑周邊的排水系統進行了升級改造，以確保雨水能夠迅速、順暢地排走。

（作者單位：山西省氣象學會）

【責任編輯】趙菲

715081175@qq.com