在北京建筑大学大兴校区的东南角，有一座土木工程界的“国之重器”——大型多功能振动台阵实验室，它是我国专为建筑安全、文物保护建造的抗震“考场”。室内，4台5米见方的三向六自由度振动台在百余米长的轨道上灵活排布，既能独立作业，也可多台联动，精准模拟各类极端地震工况。

作为实验室最年长的“考生”，应县木塔缩尺模型正在这里接受结构稳定性模型试验，干预小、安全性高的最优保护方案即将出炉，助力木塔再续千年风华。

在北京建筑大学大兴校区大型多功能振动台阵实验室，应县木塔缩尺模型正在接受结构稳定性模型试验。本报记者 金瑶摄

应县木塔资料图。新华社供图

破译木塔不倒密码

走进实验室，近10米高的木塔缩尺模型静静矗立在振动台上。精美的榫卯、层叠的斗拱复刻出古建原貌，密密麻麻的传感器遍布塔身，实时捕捉着每一处细微的位移与形变。

“团队研究应县木塔保护已经整整10年了。去年，我们把木塔缩小版模型搬进实验室，希望出具一份科学的保护方案，帮木塔延年益寿。”北建大教授李爱群是试验项目的负责人。他详细介绍，作为世界现存最高的全木结构古塔，应县木塔全靠榫卯斗拱连接，通体没有一颗钉子。建成至今，它历经了970年风雨侵蚀、数次强震与战火侵袭，依然屹立不倒。

仅仅是站在模型前，就已经能感受到古人的建造智慧：全塔总高与塔底宽度比值仅为2.2，是典型的“矮胖型”结构，天然稳定性强；所有梁柱、斗拱全靠榫卯咬合，没有刚性连接，地震来临时能量会在节点之间慢慢耗散，自带减震效果；所有木柱直接落于石质基座、无深埋锚固，本身就是天然隔震构造……近千年前的工匠已经把刚柔并济的思想，巧妙地运用到建筑结构设计里。

可如今，这座千年木塔却面临着塔身轻微倾斜、部分构件松动等“衰老”的困扰。“文物保护不能拍脑袋，所有保护方案都得用试验数据说话。”李爱群说，为最大程度还原木塔真实结构特性，团队严格遵循传统营造工艺，耗时一年多完成了1∶8缩尺模型的调研、下料与拼装工作，完整保留木塔原有的结构比例、榫卯咬合方式与分层构造特点。

目前，科研人员正在对模型开展静力加载试验。“我们在木塔二层顶部架设环形钢架，依托实验室配套的大型反力墙系统逐级向钢架施加推力，模拟长期荷载和地震作用下木塔的形变。”李爱群指着密密麻麻的管线介绍，团队在模型上布置了上百个传感器，每个构件的位移、形变都能精准采集。

待静力加载试验完成、摸清结构静态受力特性后，他们还将启动多工况振动台模拟试验。“我们会把整座木塔模型搬到振动台阵台面上，逐级提升地震烈度，复刻多种真实地震场景，重点测试木塔在极端工况下的结构稳定性。”他说，届时，干预最小、安全性最高、最贴合文物保护原则的方案将出炉。

“当初刚接这个项目的时候，团队上上下下压力很大，怕做不好对不起千年国宝。现在做了初步试验后反而踏实了。”李爱群笑着说，目前，静力加载试验已经把地震烈度加到了对应8度设防、0.4g峰值加速度——相当于木塔场址发生6.5级强震。试验结果显示，模型完好无损，验证了木塔结构体系本身的安全性。“我们的目标很简单，就是帮已经970岁的木塔，安稳矗立再续千年风华。”

文物焕发新生机

该实验室于2024年5月建成。两年来，它在文物结构保护领域已硕果累累。清华大学图书馆老馆的加固试验也是在这里开展的，这座建成超过百年的民国时期建筑遗产，已被列入全国重点文物保护单位。李爱群说：“它的砖墙砌筑工艺带着鲜明的时代特点：砖墙黏结采用传统三合土，就是石灰混合糯米汁熬制而成的黏结剂，和现代水泥砂浆的力学性能完全不同。”

为了给图书馆找到最合适的加固方案，北建大团队做了1∶4的缩尺模型振动台试验，同步制作三组1∶1足尺砌体试样，完整复刻百年前砌筑工艺，测试粘接材料的真实强度。

针对图书馆原有砖墙承重的特点，团队设计了两种加固方案：一种是轻钢框架加预应力钢索的复合加固，依靠轻钢框架承接上部荷载，为砖墙卸荷，再用一圈预应力钢索把整个结构箍成整体。测试结果显示，在模拟8级大震的情况下，采用该方案加固后的模型，即便局部砖墙开裂、局部坍塌，整体结构仍稳固不倾覆；另一种方案是参考传统“四梁八柱”的思路，在内部嵌入独立钢结构骨架，不改变建筑外立面风貌，同样能满足抗震要求。两种方案各有优势，为老馆的加固修缮提供了扎实的科学依据。

走出实验室，一尊高约18米的3D打印云冈石窟大佛已经在一旁的空地上伫立了6年。凑近细看，就连衣纹褶皱都细腻逼真。这是北建大多学科协作、利用现代科技保护文化遗产的代表作。“当年，云冈研究院提出做一个可以移动的1∶1造像，让千年石窟能走出武州山、走向全世界巡展，国内没有人做过这么大体量的项目。我们接过这个任务后，组建起一支涵盖建筑学、测绘、材料学、结构工程、艺术设计、结构安全监测等方向的跨学科团队，花了8年时间才让大佛最终落地。”李爱群说。

整个大佛被“分解”成了800多个模块化构件，用定制高性能3D打印材料制作，总重量可以满足运输和拼装要求。“拼接缝特意藏在大佛下巴等不显眼的位置，最大程度保留了造像的完整性。我们还通过高精度点云扫描技术，完整复刻了造像表面毫米级的风化痕迹。”令李爱群印象深刻的是，云冈研究院院长第一次看到3D打印的大佛，赞不绝口——“这份来自专业领域的认可，是对团队最大的肯定。”

这座可移动的大佛在通过实验室的抗震试验后，被安放在实验室外的空地上，成了北建大的网红打卡点。李爱群透露，团队还会继续寻找合适的场地，让这尊移动的“云冈第一大佛”能走到更多地方，让更多人感受到千年石窟的魅力。

“文物保护属于系统性重大工程，单一学科、团队难以独立完成，必须多学科交叉，一起啃硬骨头。”李爱群说，“北建大做的就是把现代工程科技和传统文化遗产结合起来，不仅要把文物留住，还要让文物‘活’过来，被更多人看见，这就是我们作为建筑领域高校，服务文化传承的责任。”

十年磨剑领前沿

不少初次到访实验室的人，都会好奇“大型多功能振动台阵”名称的含义。其实拆解开来，每个词都藏着实验室的定位：“大型”是说实验室本身体量大，60余米长的场地和局部可开启屋盖能满足大跨度桥梁、超高层建筑等超大尺度工程的试验需求。“多功能”来源于实验室的4台振动台——通过实验室设置的一长一短两条槽道，4个台子可以根据需求灵活组合，要做超大尺寸就在两条槽道中平行布置，要做超高层就伸出开合屋盖，要做大跨度桥梁就在单条槽道中一字排开；“振动台阵”就是这4台三向六自由度振动台组成的阵列，每台尺寸都是5米见方，整体性能指标达到国际领先水平。

实验室从立项到竣工落成，历时十载，倾注了几代北建大师生的心血。如今，实验室同时挂着“工程韧性实验室”的牌子。“所谓工程韧性，就是指工程结构遭遇地震、强风等突发灾害时，可维持结构稳定、实现快速修复复原，这也是现代工程领域发展的前沿方向。”李爱群解释，“我们除了做文物保护，还做新建工程研究，帮建筑提升韧性，让老百姓能住得安心、用得放心，这就是实验室的使命。”

现代科技在这里守护着千年文明。面向未来，北建大有关负责人表示，将持续攻克各类技术难题，在文化遗产保护、工程安全韧性领域继续贡献力量。