浅析环境温湿度变化探讨古建筑群保护策略

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浅析环境温湿度变化探讨古建筑群保护策略
Analysis of Changes in Environmental Temperature and Humidity and Exploration of Protection Strategies for Ancient Building Groups

1. 引言

古建筑是一座城市的重要文脉，不仅蕴含源远流长的历史文化，也彰显城市的艺术成就。位于贵州省东部的镇远古城，是远近闻名的历史文化名城，有着非常珍贵丰富的政治、经济、军事、多民族传统文化，自秦昭王三十年(前277年)起置县，至今有两千三百多年历史[1] [2]，1956~1958年间曾设立为黔东南州州府，1986年被国务院批准列为第一批历史文化名城[3]。

但随着时代变迁，古建筑老朽、腐坏、机关松弛甚至垮塌等寿命逐步缩减问题难以避免。根据热胀冷缩、霉变细菌滋生条件等原理，古建筑几乎所有病害都与古建筑承载环境温湿度变化密切相关。镇远县属亚热带季风湿润气候区，夏季高温多雨，冬季温和少雨寒潮频繁，全年温湿度变化较为剧烈、频繁。而镇远古城当下仅使用传统的人工修复修缮、加固处理等事后保护策略，缺乏危害性温湿度环境下的预防性保护意识，保护方法片面单一、策略缺乏先进性、修复水平较落后。为提升镇远县古建筑保护水平，增加保护手段灵活性与多样性，有效保存古建筑原始价值，本文将从镇远古城承载环境温湿度方面，分析探讨古建筑群有效保护方向与实施策略。

2. 资料与方法

本文数据分析资料来源于镇远国家基本气象站(位于镇远古城内)近30a (1991年1月1日~2020年12月31日)温度与湿度观测数据。通过运用聚类分析方法对温湿度数据资料进行统计分析，观察危害性高温、高湿度以及温湿度骤变等情况的发生频率，以旬为最小时间单元统计危害性温湿度天气出现时段，结合当地古建筑布局、材料、内部空间格局等实际情况，针对性探讨应对危害性环境温湿度气候的保护方法，提出有效保护策略。

3. 环境温湿度对古建筑群寿命的影响分析

3.1. 镇远县古建筑群建筑材料类型

镇远县现存古建筑百分之九十以上分布在城区，少量分布在清溪、都坪等乡镇，主要建筑材料为“木结构”、“石(砖)结构”、“木石(砖)结合结构”三类，其中木结构类建筑在数量和质量上占主要地位，同时也是保存最为困难的一类，最具代表性的有青龙洞建筑群、周达文故居、舞阳镇古民居建筑群等，石结构古建筑主要存在于和平村遗址和天后宫、周达文故居等其余大多数木结构为主的古建筑的外墙部分，而各式各样的古民居则大多都是木石结合类。

3.2. 环境温湿度引起的古建筑病害分析

3.2.1. 温度引起的古建筑病害

根据阿仑尼乌斯经验公式原理：温度每升高10℃，反应速度增加2~4倍，将加快木材等有机建筑材料氧化变质的老化速度；温度低于0℃，可能导致材料内水分冻结，引起结构边界形变，降低建筑局部稳定性。同时，包括石材和木材在内的大多数材料都会因温度骤变产生热胀冷缩，对历史进程长达几十年甚至几百年的古建筑而言，这种物理现象长期普遍存在，反复历经四季更迭、环境温度急剧变化引起的体积伸缩形变使古建筑材质弹性疲乏，其中镶嵌的装饰或人工衔接的部位容易松脱、建筑外层易产生裂痕对其结构美学设计造成破坏，不仅加速古建筑衰老，也使古建筑的安全性和可靠性降低[4] [5]。

3.2.2. 湿度引起的古建筑病害

根据近30a环境湿度数据资料显示，镇远县城常年处于高湿环境，相对温度，湿度对古建筑有更致命的破坏力，特别是“高湿度”，是文物界公认的“破坏大王”，自然界中未经调控的湿度环境对绝大多数材质的文物都会造成不良影响[5]。比如：环境湿度过高会直接让建筑材料发生不可逆转的变形、变质、降低防雷性能、加速彩绘褪色，同时对建筑材料(主要是木结构类)造成严重病害的大多数细菌腐虫也是因环境湿度过高滋生的，湿度反复无常的环境，是金属锈蚀原理：“金属和空气中的氧气以及水互相接触，发生电化学反应，最终产生锈蚀” 的极佳条件，总体而言，湿度对古建筑的破坏在物理、化学和生物三大领域都普遍存在[4] [5]。

3.3. 分析镇远县城区温湿度年度变化情况探讨古建筑群的保护方法

3.3.1. 古建筑群承载环境适宜温湿度阈值参照标准探讨

通过广泛阅览国内外相关文献发现，目前学术界对于古建筑保护的研究主要是基于BMI、HDR、GIS等数字信息技术的三维模型化预保护策略研究[5] [6]，和通过行政干预从政策、资金、管理人员方面增加保护力度的人为调控保护，而对精细化维度的古建筑适宜温湿度的研究探讨尚未充足，还未有明确的古建筑保护环境适宜温湿度控制标准[7]，现参考《故宫古建筑内温湿度问题初探》[8]的分析研究结论：一是允许温度顺应自然条件的变化而变化，相对湿度维持在35%~60%之间对延长古建筑的寿命有很好的作用，二是保持适宜的室内相对湿度，并始终维持室内的温度在0℃以上。同时研究表明：环境温度超过35℃时，逐渐升高的气温便开始对周围环境和动植物造成明显不同程度的损害，在气象学上连续3 d温度超过35℃将达到高温预警天气标准。由此，文章以35%~60%作为本次研究的古建筑保护环境适宜湿度阈值参照标准，以0~35℃为本次研究的古建筑保护环境适宜温度阈值参照标准。

3.3.2. 古建筑群承载环境各旬不同程度极端温湿度近30 a年平均发生情况与变化趋势分析

镇远县属于亚热带季风湿润气候区，夏季高温多雨，冬季温和少雨寒潮频繁；年平均气温16.5℃，最冷月平均气温5℃，最热月平均气温26℃，历年极端最高气温40.1℃，极端最低气温−4.7℃；年平均相对湿度79%，历年极端最小相对湿度11%，年平均日照1143.9 h，年平均蒸发量为884.7 mm；暴雨、高温、干旱、霜冻、寒潮、雪凝、道路结冰等均是镇远县主要气象灾害。

(1) 温度数据资料分析

Figure 1. Different degrees of temperature and the number of days of extreme temperature range in Ancient City from January to December

图1. 镇远古城1月~12月各旬不同程度气温及极端气温日较差出现天数

根据温度数据分析结果(图1)，镇远古城的低温冷害主要出现在当年12月至次年2月，近30 a年平均出现频率约11 d，占比全年时间的3%，其中极端低温冷害天气集中出现在12月下旬~次年2月中旬；高温天气主要出现在夏季7月~8月和秋季9月，年平均出现频率约15 d，占比全年时间的4%，极端高温天气集中出现在7月中旬~9月上旬；从近30年镇远古城不同程度气温日较差数据统计分析结果看，镇远古城一日之内的气温变化除6月~7月相对较为正常稳定，其余月份均出现明显不同程度极大昼夜温差(气温日较差大于等于15℃)，近30 a年平均出现频率31 d左右，占比全年时间的9%。其中上半年1月下旬~5月下旬的温度骤变性较活跃且剧烈，昼夜温差超过18℃的温度骤变性天气明显多余下半年。

(2) 湿度数据资料分析

从镇远古城不同程度湿度数据分析结果看(图2)，镇远古城几乎全年处于高湿度环境，城内大于等于60%的高湿度天气近30a年平均出现频率约352 d，年度时间占比达96%；同时，综合气温数据分析结果，5月下旬~7月中旬升温入夏、9月下旬~11月上旬降温入冬，镇远古城将在这一时段内长期处于严重密集的湿热环境中；相对气温日较差数据的短期大幅度波动，镇远县城近30a湿度日较差 ≥ 60%的平均发生情况较平稳(图2)，仅在7月下旬~8月下旬出现小幅波动，其余时段发生湿度骤变的情况较为均衡，近30a年平均出现频率约94 d，占比全年时间的26%。

Figure 2. Different degrees of humidity and the number of days of extreme humidity range in Ancient City from January to December

图2. 镇远古城1月~12月各旬不同程度湿度及极端湿度日较差出现天数

4. 利用古建筑群承载环境气候的温湿度变化特点探讨针对性保护方向与策略

4.1. 镇远县古建筑群保护现状

国家古建筑“四保存”机制要求从建筑形制、结构精细到建筑材料、乃至工艺，由形到质层层保护。经镇远人民世代传承保护与发扬，至今镇远县古建筑文物保护单位共计98处，其中青龙洞古建筑群、在华日本人民发展同盟“和平村”旧址、镇远古城墙、天后宫4处为国家级文物保护单位，中共镇远支部旧址(周达文故居)、邹泗钟专祠(博物馆)等16处为省级以上文物保护单位。据镇远县文物保护相关机构提供资料显示，受资金、人员、技术等限制，同时根据《文物保护法》“不改变文物原状”修旧如旧的基本保护原则，镇远县古建筑群当下主要使用修复修缮、加固处理等传统保护方法进行保护，修复技术较落后，预保护策略缺乏。本文将从古建筑承载环境温湿度方面开辟新的保护途径，准确把握当地温湿度气候，拓展保护策略，根据环境极端温湿度以及温湿度发生短临剧烈变化情况，及时针对性开展有效保护，增强保护力度

4.2. 针对镇远古建筑群承载环境温度方面的保护方向与建议

根据对镇远古城1月~12月不同程度气温及极端气温日较差数据分析结果：冬季的12月~次年2月均存在不同程度低温冷害，12月下旬至次年2月中旬古城低温冷害天气较为严重；盛夏7月~8月和初秋9月，特别是7月中旬~9月上旬是镇远古城高温天气最密集时段；活动剧烈的不同程度极大昼夜温差则除了6月~7月外，其余月份普遍存在且出现频次差异不明显。建议在危害性极端温度时段内，对重点文物保护单位环境温度进行实时监测与必要调控，利用无线传感器网络监测设备等集成度高、成本较低、方便快捷的监测技术[9]，进行古建筑预防性保护监测，在极端危害性天气来临时，第一时间人为调控局部空间温度将其气温尽可能维持在0~35℃范围内；对其它一般文物保护单位加强巡检巡查密度，及时采取手段，通过密封、供暖、加固等方法减轻危害；长期普遍存在的不同程度极大昼夜温差，因镇远古城建筑布局与内部结构独特性，得到了有效的缓解，镇远古建筑自带极好通风与采光性能，能短时间内有效综合调节承载环境昼夜温差，削减极大昼夜温差造成的损坏。

4.3. 针对镇远古建筑承载环境湿度方面的保护方向与建议

从镇远古城1月~12月不同程度湿度数据分析结果看：镇远古城几乎全年处于高湿度环境，年度时间占比高达96%，其中9月下旬~11月上旬最为密集，极端湿度日较差占比年度时间的26%在各月均有分布，出现最为密集的时段是7月下旬~8月下旬。见于严重极端湿度问题的普遍性与密集性，建议常规化古建筑环境湿度监控工作，对县级及以上古建筑文物保护单位增设除湿设备，调控承载环境周围湿度维持60%以下，对重要文物保护单位增加技术性保护，结合BMI、HDR、GIS等数字信息技术创建三维模型[10] [11]，及时对受损部位开展物理修复修缮，形成综合性保护手段，有效减轻常年高湿度环境对古建筑群造成的不利影响。

5. 总结

(1) 在0~35℃的古建筑保护适宜温度参考阈值外，镇远古城低温(−5℃~0℃)与高温(35℃~41℃)危害性天气分别占比全年时间的3%与4%，对应分布在冬、夏季，15℃以上极大昼夜温差占比全年时间的9%，全年极端灾害性气温整体占比不大，温度变化活动剧烈但不频繁，除利用古建筑自身极好的采光与通风性能克服短时间内的极大昼夜温差影响外，可在冬季和夏季进行局部空间温度监测与调控，利用无线传感器网络监测设备等监测技术，进行古建筑预防性保护监测。

(2) 在35%~60%的古建筑保护适宜湿度参考阈值之外，大于等于60%的高湿度天气近30a年平均出现频率为352 d，年度时间占比高达96%，同时，5月下旬至7月中旬升温入夏、9月下旬至11月上旬降温入冬，导致镇远古城在该阶段内长期处于严重密集的湿热环境，对古建筑的破坏尤为严重。极端湿度危害性形势严峻，实时监控古建筑环境湿度，增设除湿设备调控承载环境周围湿度维持60%以下非常必要[12]；同时应对重要文物保护单位给予技术性保护加持，结合BMI、HDR、GIS等数字信息技术创建三维模型制定预保护策略，及时对受损部位开展物理修复修缮，形成综合性保护手段，有效削减常年高湿度环境对古建筑群造成的不利影响[10] [11]。

(3) 镇远古城是远近闻名的历史文化名城，2020年被国家文化和旅游部确定为国家5A级景区，在民生活动与旅游市场的相互作用下，当地居民拥有自发的保护意识，但缺乏科学性与专业性[13]。建议相关文物保护单位针对性开展保护工作的同时，加强科普宣传与政策倾斜，将古建筑保护与当地社会发展融合，有效开发社会保护力，降低保护成本，提升保护力度与质量，对镇远县城区㵲阳镇古民居建筑群、青龙洞古建筑群、镇远古城墙、天后宫等一系列文物保护单位起到关键性保护作用。

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