在北京这座历史名城中，无数古老建筑如繁星点点，其飞檐斗拱和雕梁画栋诉说着时间的流逝。
这些木结构建筑历经数百年的风雨侵蚀，遭受各种损害。老工匠凭借经验用锤子敲击的方式为古建筑“体检”，敲击声清脆则表明建筑结构坚固；声音沉闷则表明梁柱可能出现问题。即使工匠经验丰富，也无法准确判断病灶的位置和腐朽程度，更难及时“对症下药”。
在近期举行的2024年北京市文物行业职业技能竞赛中，密云区郊野间的一处大院映入公众视野。北京木结构古建筑保护科研与实验基地（以下简称“基地”）内汇集了按照传统工艺仿建的明长城城墙、按比例搭建的清陵宫殿以及先进的高科技设备。基地首次展示了一系列文物保护领域的创新技术，展现了文物部门与科研院所跨学科合作的成果，为古建筑的“延年益寿”提供了新思路。
北京市考古研究院（北京市文化遗产研究院）遗产预防保护部主任张涛担任基地的秘书长，与古建筑打交道将近20年。在他看来，古建筑是不会说话的“百岁老人”。他带领团队依托基地开展了一系列科研项目，试图为这些“老人”制定健康监测和诊疗方案，让它们安享晚年。
“微创手术”
基地内一座仿清代官式建筑的木结构模型格外引人注目。这座模型宛如一组巨大的榫卯结构“积木”。走进这间“积木房”，三间面阔、四梁八柱的结构清晰可见。抬头仰望，一段木梁上密布着传感器和色彩缤纷的线路。科研人员爬上梯子，手持特制的仪器和工具，为木梁进行“微创手术”。
“这是国内首个1∶1全尺寸的古建筑实验模型。”张涛站在木梁下解释道，“我们按照古建营造的传统工法，采用传统木料，搭建了一座清东陵裕陵的朝房模型，施工由拥有二三十年经验的木工工匠负责。”文物工作者和科研人员利用这一模型还原了真实的古建修缮场景，共同开展木结构微创加固研究。
在对古建筑进行结构安全检测时，文物工作者经常会遇到这样的难题：古建筑最下层、最长的横梁发生变形或腐朽等问题，而其他部位的梁架结构却完好无损。
“很多古建筑都有五架梁或七架梁的结构，如果要修理或更换其中一根梁，最传统的做法是落架大修，即拆卸整个屋面，逐层卸下上层梁架，换掉最底层有病害的梁，再重新安装所有梁架和瓦片。”张涛坦言，这种修缮方法对古建筑的扰动很大，“每次修缮都会在一定程度上破坏古建筑的原始结构和历史信息。我们开始探索一种不落架的修缮方法，希望通过‘微创手术’尽可能保留古建筑中蕴藏的宝贵信息。”
如何开展“微创手术”？张涛提出了一个大胆的想法：在变形或腐朽的木结构内部“植入”加固材料。他查阅了大量资料，发现上世纪的欧洲曾提出将金属材料嵌入木梁进行加固，但“北京四季分明，这个方法明显不行。”张涛话锋一转，向记者科普，“木材和金属的热胀冷缩差异很大，夏天金属传热快，木材膨胀后容易变形，甚至脱落。”
经过团队的头脑风暴，张涛看中了力学性能优异的碳纤维材料。它的密度不到钢的四分之一，但抗拉强度是钢的 7-9 倍，广泛应用于航空航天、汽车和建筑等领域。“碳纤维既轻便又柔韧，不会影响木结构的承重。将其植入木梁，既能补充病害木梁，又可随木材冷热收缩。”
实践却远比想象中艰难。
“2018 年开始策划课题。从选材到模型实验，从实验室到实地模型，我们的研究循序渐进。”回忆往昔，张涛打开了话匣子。
碳纤维布、板、杆，哪种更适合给古建筑“强身健骨”？新旧木材含水率和力学性能不同，植入碳纤维会有什么影响？仅仅研究这两个问题，张涛就做了三年实验室实验，进行了上千次测试。
“我们与北京工业大学和北方工业大学合作，在实验室用缩小尺寸的木梁实验，开槽植入不同碳纤维，测试加固后的力学性能。”张涛说，一切都靠摸索，“经过反复测试，我们发现碳纤维板最适合加固木梁。”
古建修缮讲究精细，科研人员愿意潜心为“百岁老人”寻良方。
2023 年，基地正式挂牌，张涛和团队有了更广阔的实验平台。前期理论研究已成雏形，这才搭建起 1:1 全尺寸的古建筑模型。“这相当于从实验室转到实际修缮现场，很多问题难以预料。”张涛打趣道，实际操作中，他才体会到“理想与现实的差距”。
首先面临的难题是“微创手术”如何“开刀”。“在实验室开槽很容易，但在古建筑模型中，我们要爬梯子举锯子，在木梁上现场开槽。”张涛笑着说，为了植入碳纤维板，槽必须笔直，等宽等深，“我们反复尝试，经常开着开着就偏了，或一头粗一头细。”
