科技日报记者 王禹涵
三维模型缓缓旋转，大雁塔的内部结构首次以如此清晰的方式呈现在众人面前——夯土核心、唐代砌筑砖体、明代及后期补砌砖体、木柱支撑体系，层层剥开，如同翻阅一部立体的史书。
“就像一棵古树有年轮一样，大雁塔的每一层结构都承载着不同历史时期的营造技艺与文化印记。”项目负责人、西安建筑科大工程技术有限公司副总经理苗元耀在大雁塔结构探测与稳定性评估项目验收会上如是说。5月12日，历经近一年的系统探测与评估，这座千年佛塔终于迎来了它的第一份“全身体检报告”。
为千年古塔“拍CT”
大雁塔始建于唐高宗永徽三年（公元652年），距今已有1300余年历史，是我国现存最早、规模最大的唐代四方楼阁式砖塔，也是世界文化遗产“丝绸之路：长安—天山廊道的路网”的核心组成部分。
但很少有人知道，这座沉稳的唐代建筑，内部结构究竟是什么样子？
“此前的研究多集中于表观病害调查，缺乏从结构形制到损伤特征、从劣化机理到安全评估的全链条系统性研究。”西安建筑科技大学理学院副院长李东波坦言。换句话说，人们看得见塔身表面的裂缝、风化、泛碱，却看不清塔体内部的“骨骼”与“脏器”。
去年7月，西安建筑科大工程技术有限公司联合西安建筑科技大学“砖土建筑遗产数智化保护”和“工程结构耐久性与全寿命领军教授团队”、西安市大雁塔保管所、信电综合勘察设计研究院有限公司，启动了大雁塔结构探测与稳定性评估项目。
团队构建了多源数据融合的“空天地一体化”探测体系。卫星遥感显示，大雁塔周边100米范围近三年平均沉降速率为1.76毫米，整体稳定。基于无人机倾斜摄影测量技术与密集匹配算法重构的毫米级分辨率三维模型，让每一处砖体开裂剥蚀、每一道灰缝酥碱风化都清晰可辨，团队据此建立了大雁塔首份完整的表观典型损伤数字档案。
无人机拍完了表面，内部结构如何探测？团队拿出了自主研发的电磁谐振无损探测成套技术。“每一种物质都有自己独特的电磁谐振频率，就像人的指纹一样。”苗元耀解释。该技术通过向塔体发射特定频率的电磁谐振波，全程实现无损检测，能够清晰辨识古塔内部的材质构成与分层结构，探测内部空洞、裂缝、脱空等各类隐蔽缺陷。
根据探测结果，团队首次厘清了大雁塔“夯土核心—唐代砖砌体—明代补砌砖体—木柱支撑体系”的多层级复合结构。中国文化遗产研究院原院长、研究馆员柴晓明特别强调了这类“砖包土”结构的风险：“外边的砖包里边是土，最怕的就是水。水一进去，夯土泡软了，那便是大问题。”他举例说，十几年前某地城墙修缮时就因为雨水渗入夯土导致坍塌，酿成惨剧。
读懂砖缝里的“病历”
看得见病灶，还要读懂病因。西安建筑科技大学土木工程学院教授傅强从材料劣化的微观层面，试图揭开病害的内在机理。他们在塔体表面粉化区域取样检测后发现，重度风化区域的盐分浓度，是未风化砖体的数十倍。这些可溶性盐随水分在砖体内部迁移，反复结晶、溶解，像无数把微型刻刀，一点点瓦解着砖体的结构。
“可溶性盐是表层劣化的直接诱因。”傅强说。同时，冬季的冻融循环与盐蚀还会“联手”。团队在实验室模拟发现，冰晶膨胀与盐结晶压力叠加，产生“1+1＞2”的协同损伤效应。
通过微波无损测试，傅强教授团队绘制出塔体的湿度分布图：塔基整体处于高湿状态，湿度自下而上逐渐减小、由外向内逐渐降低，形成清晰的“水线”。这条水线附近的区域，干湿交替最频繁、盐分富集最显著，是全塔耐久性劣化的最高风险区。
“水分是影响砖砌古塔劣化过程的首要关键因素。”项目报告明确指出，“它既是侵蚀性盐离子向砖体内传输的载体，也是导致冻融损伤破坏的主要介质。”西安市大雁塔保管所副所长孙祺回应：“从近几年的情况看，降水是影响水线的主要因素。”
柴晓明提醒，水的问题不能只看塔本身，“周边区域大面积地面硬化导致地表径流系数增大、排水路径受阻，同时改变了原有地表水的自然径流方向与汇流模式”。他举例说，河南开封的玉皇阁、云南的金刚宝座塔地下水位变化，最终不得不整体抬升。
“随着周边硬质铺装比例的提高、活动强度的增加以及各类干预措施的实施，古建筑的保存环境发生了明显改变，这些人为因素与病害的发生发展可能存在一定的相关性。”陕西省文化遗产研究院原副院长、正高级工程师张磊建议，下一步应将大雁塔周边100米范围内的环境影响作为重点研究对象。
对抗看不见的“敌人”
除了看得见的风化与水患，大雁塔还面临着两类看不见的“敌人”：一类是长期持续的低频环境振动，另一类是瞬时突发的地震作用。团队在塔体各层布设了振动传感器，模拟交通和游人荷载共同作用下的结构动力响应。现场测试表明，塔体局部薄弱区振动峰值速度已接近现行古建筑振动控制标准的上限，目前不会造成短期结构性破坏，但已进入需要重点关注的敏感区间。
团队评估发现，在西安设防地震下，大雁塔整体保持稳定。但若遭遇罕遇地震，塔体可能经历从裂缝萌生到整体损伤的渐进过程。需要警惕的是，塔身现存约0.9度的西北向倾斜，会显著放大地震效应——中上部结构应力将增加四成以上。
“环境振动是慢性病，就像高血压，需要长期监测；地震是急症，瞬时能量巨大，可能造成毁灭性损伤。”同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系研究员张瑞甫这样区分“天灾”与“人祸”。
张瑞甫指出一个现实难题：“现代建筑有明确的抗震规范，但文物建筑没有。”他建议，应结合古建筑自身特点，研究制定更高的保护标准。
西安市碑林博物馆原党委书记、正高级工程师周萍补充道：“现行建筑抗震设计规范以 50 年设计基准期为基础，确定了相应的地震动参数和设防标准；对于要求长期存续的大雁塔这类古建筑，其抗震设防重现期应显著提高，简单套用现代设计标准将导致安全储备不足”。
针对这些风险，项目团队提出系统性保护建议：构建“全域-局部-微观”三级健康监测体系，实施登塔游客“限流+分时段+错峰”管理，开展靶向脱盐、防风化、裂隙修复等专项养护工程。
团队还带来了创新的“治疗方案”。过去，查看大雁塔表面的裂缝和剥蚀，需要人工一张张照片翻看、识别，耗时好几天。如今，团队利用人工智能技术开发了砖石古建筑损伤智能化识别系统，系统可自动识别裂缝、砖体剥蚀、灰缝流失等表观损伤，几小时就能自动完成，精度超过九成。
此外，研究团队建议推进大雁塔高精度数字孪生模型建设，以此为基础实现塔体结构安全状态的实时可视化评估与动态预警。苗元耀说，“后续研究将系统构建大雁塔结构安全标准化数字档案与全生命周期损伤数据库，在此基础上开展多工况虚拟仿真试验，为制定科学合理的大雁塔最优保护策略提供理论依据与技术支撑。”
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