保護(hù)棚作為遺址預(yù)防性保護(hù)手段的初步探索
——周口店遺址第一地點(diǎn)保護(hù)設(shè)施工程

2020-09-02 01:25崔光海

建筑遺產(chǎn) 2020年2期

崔光海

徐知蘭

李儼

1 項(xiàng)目背景

1918 年，瑞典地質(zhì)學(xué)家安特生（Johan Gunnar Andersson）在今北京房山區(qū)周口店鎮(zhèn)的龍骨山地區(qū)獲得骨骼碎片，從此開啟了考古學(xué)家和地質(zhì)工作者對周口店遺址的發(fā)掘和研究。1929 年，中國古人類學(xué)家裴文中在龍骨山發(fā)掘出第一顆完整的“北京人”頭蓋骨化石，后來的近百年中，陸續(xù)出土40 多個“北京人”的化石遺骸，10 多萬件石器，近200 種動物化石及大量的用火遺跡等，使該地成為世界著名的古人類和古脊椎動物考古遺址，以及古人類學(xué)、考古學(xué)、古生物學(xué)、地層學(xué)、年代學(xué)、環(huán)境學(xué)及巖溶學(xué)等多學(xué)科綜合研究基地。[1-2]

因具有被世人認(rèn)可的重要價值，周口店遺址于1961 年被列為第一批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，于1987 年與故宮一起成為中國第一批世界文化遺產(chǎn)。本次保護(hù)工程的重點(diǎn)對象為周口店遺址的猿人洞，是裴文中先生發(fā)現(xiàn)第一顆頭蓋骨化石的地方，也被稱為“第一地點(diǎn)”。

1994 年到2006 年間，聯(lián)合國教科文組織、國家文物局、北京市文物局先后對猿人洞進(jìn)行了清理、修整以及兩次搶險加固保護(hù)工程。

為了徹底解決雨水沖刷造成的風(fēng)化問題，遺址管理處自2008 年起著手研究猿人洞的保護(hù)方案。直至2013 年最終方案報(bào)聯(lián)合國教科文組織世界遺產(chǎn)中心咨詢機(jī)構(gòu)備案，得到肯定的審核意見，期間共經(jīng)過了十幾輪嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證和評審過程。隨后，經(jīng)過五年的建造研究和周密施工，周口店考古遺址第一地點(diǎn)保護(hù)設(shè)施終于在2018 年9 月底正式對公眾開放。（圖1）

2 保護(hù)棚作為預(yù)防性保護(hù)手段

自19 世紀(jì)起，在遺址上搭建構(gòu)筑物或建筑物作為保護(hù)棚的做法，就是保護(hù)和展示考古遺址的一種手段，達(dá)到在保護(hù)考古遺址的同時，也能對外開放，讓游客參觀和了解遺址的目的。近年來，隨著全球文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域?qū)︻A(yù)防性保護(hù)重要性的日益強(qiáng)調(diào)，保護(hù)棚作為綜合效能更具優(yōu)勢的保護(hù)形式也在全球得到了推廣。[3]

與過去經(jīng)常采用的化學(xué)試劑保護(hù)或物理手段加固的方法相比，為考古遺址建設(shè)保護(hù)棚的措施對遺址本體的直接干預(yù)程度低、可逆性強(qiáng)，能在很大程度上提前隔絕來自自然環(huán)境的病害因素，緩解其對遺址本體產(chǎn)生的負(fù)面影響，并且能為考古人員的持續(xù)研究和調(diào)查提供長期穩(wěn)定的有利條件。周口店考古遺址第一地點(diǎn)保護(hù)設(shè)施工程的實(shí)踐表明，保護(hù)棚確實(shí)能有效改善考古遺址的保護(hù)條件，提供較為穩(wěn)定的微環(huán)境和文物本體的展示條件，達(dá)到更好地進(jìn)行價值闡釋，“預(yù)防”遺址本體被進(jìn)一步破壞的效果。

除了需要解決隔絕病害因素的技術(shù)難題，保護(hù)棚的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程也存在其

項(xiàng)目概況

項(xiàng)目名稱：周口店遺址第一地點(diǎn)保護(hù)設(shè)施工程

項(xiàng)目地點(diǎn)：北京周口店遺址第一地點(diǎn)“猿人洞”

設(shè)計(jì)單位：清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

項(xiàng)目總負(fù)責(zé)：呂舟

主持建筑師：崔光海

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：汪靜、揭小鳳、李京、馬智剛、李增超、蔣炳麗、郭漢英、劉玖玲、王晶、郭紅艷、張微、汪昊天、徐知蘭、羅璇

建設(shè)單位：周口店遺址博物館

施工單位：北京龍建集團(tuán)有限公司

設(shè)計(jì)時間：2008.5—2014.11

建造時間：2015.8—2018.8

占地面積：3 487 m2

建筑面積：3 487 m2

結(jié)構(gòu)形式：大跨度空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

建筑層數(shù)：一層他的挑戰(zhàn)和需要謹(jǐn)慎考慮的問題。譬如：保護(hù)棚體積龐大，其室內(nèi)外設(shè)計(jì)如何能夠恰如其分地襯托考古遺址本體而不喧賓奪主？保護(hù)棚的外觀如何融入遺址所在場地的自然環(huán)境與歷史人文背景？建設(shè)過程中如何將對遺址本體及其所在環(huán)境的影響減到最小程度？

周口店考古遺址第一地點(diǎn)保護(hù)設(shè)施工程以修建保護(hù)棚的形式對該考古遺址進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)，在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營的過程中，對回應(yīng)前述問題和挑戰(zhàn)作出了初步嘗試，積累了一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。工程以前期勘察、監(jiān)測和病害分析為前提和設(shè)計(jì)依據(jù)，從整體保護(hù)的基本立場出發(fā)，在充分調(diào)查場地環(huán)境等設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上，針對如何隔絕考古遺址的主要病害威脅、如何確保遺址本體及場地在建設(shè)中的全過程安全，以及如何使保護(hù)棚成為協(xié)調(diào)場地環(huán)境的媒介等主要矛盾，提出了簡潔樸素而切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。（圖2—圖3）

圖2 場地現(xiàn)狀總平面圖與建筑最小覆蓋范圍示意圖（圖片來源：同圖1 ）

圖3 經(jīng)過嚴(yán)格排水設(shè)計(jì)的保護(hù)棚雙層葉片系統(tǒng)外觀（圖片來源：同圖1 ）

3 主要問題與設(shè)計(jì)過程

3.1 病害情況分析

從大的地理單元看，龍骨山處于西部太行山脈與華北大平原交匯的丘陵地區(qū)，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，歷年極端最高氣溫為40.1 C，極端最低氣溫為-19.8 C，極端最大風(fēng)速22.9 m/s，年平均有霜期153 天。高溫、干旱、暴雨、雷暴、冰雹、寒潮等極端天氣形成的氣象災(zāi)害時有發(fā)生。[4]

猿人洞原是一個天然石灰?guī)r溶洞，按其巖石性質(zhì)，至少可劃分13 層堆積層，年代可推至70 萬年前。坑內(nèi)南北兩側(cè)巖壁堆積層已基本發(fā)掘完畢，僅在石灰?guī)r壁上殘留少部分堆積物，而東西兩側(cè)壁由于堆積層向兩側(cè)延伸，故還有發(fā)掘余地。通過地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有以下幾處存在地質(zhì)病害：東側(cè)壁頭蓋骨發(fā)掘處起鼓變形、溶蝕洞及裂縫可能導(dǎo)致局部坍塌失穩(wěn)；北側(cè)壁局部地段可能產(chǎn)生坍塌；西側(cè)壁（標(biāo)準(zhǔn)剖面處）泥、砂角礫堆積巖體強(qiáng)度不斷降低；南側(cè)壁—東側(cè)壁灰燼層被挖掘，存在洞體坍落的危險。（圖4）

圖4 病害治理微重力測量重力推斷成果圖（圖片來源：周口店北京人遺址博物館提供）

造成這些病害的根本原因是由于遺址地點(diǎn)處于露天保存狀態(tài)，受到外部氣候條件的直接影響。在華北地區(qū)氣候條件下，猿人洞所在的山體單元上的日常大氣降水（包括雨、雪、冰雹、霜、露等）和極端天氣產(chǎn)生的沖刷及溶蝕破壞、風(fēng)的吹蝕和溫差作用下的漲縮和凍融，是主要的病害因素；加上自然形成的植物群落也緩慢地侵蝕和破壞著堆積層；極端天氣還會產(chǎn)生集中破環(huán)，使遺址本體可能出現(xiàn)掉塊、滑移、塌方等現(xiàn)象。（圖5）

圖5 遺址剖面坍塌現(xiàn)象（圖片來源：同圖4 ）

特別是2012 年北京“7 · 21”特大自然災(zāi)害期間，房山區(qū)受暴雨影響最大。特大暴雨過后，周口店猿人洞發(fā)掘坑內(nèi)洞底及西剖面有雨水迅速積聚后又迅速消失的現(xiàn)象（圖 6）。經(jīng)物探勘察證明洞底存在大的裂隙、破碎帶和溶溝發(fā)育，形成了導(dǎo)水通道。

圖6 北京“7·21”特大自然災(zāi)害期間猿人洞遺址底部積水情況（圖片來源：同圖4 ）

圖7 猿人洞遺址原始地貌（圖片來源：同圖4 ）

可見，長期暴露在大氣環(huán)境中的猿人洞考古遺址面臨嚴(yán)重的保護(hù)困境。如果能夠采取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段減少這些自然氣候和災(zāi)害因素的影響，將會在很大程度上改善保護(hù)條件，提前“預(yù)防”這些負(fù)面因素對遺址造成的持續(xù)危害，實(shí)現(xiàn)大幅減緩殘損速度的保護(hù)目標(biāo)。

3.2 確立整體保護(hù)思路

2012 年7 月21 日發(fā)生的特大暴雨自然災(zāi)害進(jìn)一步表明了對猿人洞遺址進(jìn)行整體覆蓋保護(hù)的必要性和緊迫性。自20 世紀(jì)90 年代起，針對猿人洞的病害，管理單位在國家文物局和聯(lián)合國教科文組織的支持下，曾采取一系列局部保護(hù)措施。1994 年，由聯(lián)合國教科文組織資助，清理了猿人洞四壁、洞底生長了半個多世紀(jì)的雜草、灌木和喬木，平整洞底，重修護(hù)欄，加修排水道；2004 年和2006 年，國家文物局和北京市文物局批準(zhǔn)進(jìn)行了兩次搶險加固保護(hù)工程，對猿人洞灰燼層、南側(cè)壁、北側(cè)壁進(jìn)行了加固保護(hù)，使巖體穩(wěn)定性得到了有效加強(qiáng)；2008 年開始，為解決雨水沖刷和風(fēng)化加速的問題，遺址管理處提出局部保護(hù)思路，但因不能根治水患和結(jié)構(gòu)受力等技術(shù)問題，導(dǎo)致項(xiàng)目一直處于研究和試驗(yàn)階段。經(jīng)過三年的觀察和詳細(xì)探討，參與實(shí)施保護(hù)措施的各技術(shù)責(zé)任方都發(fā)現(xiàn)，已實(shí)施的局部保護(hù)措施及小范圍的遮護(hù)措施難以滿足保護(hù)需求。[2]

因此，管理單位組織技術(shù)力量結(jié)合近年猿人洞的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查研究，經(jīng)過多次論證，于2013 年確定了完整性的保護(hù)猿人洞的整體保護(hù)思路——搭建保護(hù)棚，整體保持猿人洞四壁原狀，不觸碰堆積層，從山體范圍考慮整體截?cái)嘌卤诒砻鎻搅魉驮O(shè)計(jì)排布保護(hù)棚的結(jié)構(gòu)落腳點(diǎn)，整體保護(hù)猿人洞遺址和它所在的山體單元。（圖8）

圖8 保護(hù)棚設(shè)計(jì)構(gòu)思草圖（圖片來源：清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司文化遺產(chǎn)保護(hù)中心提供）

3.3 場地勘察與研究

設(shè)計(jì)以遺址安全為首要原則。在設(shè)計(jì)開展之前，對周口店遺址所在的場地進(jìn)行了全面的勘察與研究，確保建筑主體結(jié)構(gòu)和整體保護(hù)的技術(shù)細(xì)節(jié)能夠符合場地的現(xiàn)實(shí)狀況。

猿人洞遺址區(qū)域以山丘洞穴、巖體、堆積和植物組成的自然景觀為主，山林茂盛、草木蔥蘢、嶙石掩映，現(xiàn)狀為一長方形深坑，東西長約35 m，南北寬約5～8 m，深約30 m，周邊為70 萬年以來形成的13 層的堆積層，總面積約1 340 m2。[2]（圖3，圖7）

根據(jù)地勘報(bào)告，猿人洞外圍山體單元約1 500 m2范圍皆為不能擾動的敏感區(qū)域，此部分與遺址本體緊密關(guān)聯(lián)，受力后會產(chǎn)生聯(lián)動破壞。因此，確立了保護(hù)棚建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分的落腳點(diǎn)必須位于此區(qū)域之外的設(shè)計(jì)原則。與此同時，猿人洞所在山體單元在保護(hù)棚建成后的整體景觀也是重要的考慮因素，期望能夠借保護(hù)棚的設(shè)計(jì)在一定程度上還原和修復(fù)其所處環(huán)境在形態(tài)和植被覆蓋程度等方面的完整性。

4 樸素的解決方案

經(jīng)過對周口店猿人洞考古遺址的整體現(xiàn)狀條件和長期病害監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，從整體保護(hù)的思路出發(fā)，確定了保護(hù)設(shè)施需要解決的三個主要問題：根治病害、避免擾動和協(xié)調(diào)環(huán)境。針對這些問題，提出采用半封閉圍護(hù)結(jié)構(gòu)的策略，配合大跨度空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和雙層葉片等一系列技術(shù)手段滿足保護(hù)需求，并使用計(jì)算機(jī)模擬手段驗(yàn)算內(nèi)部物理環(huán)境效能，確保保護(hù)設(shè)施能切實(shí)解決上述問題。（圖9—圖10）

圖9 保護(hù)棚平面圖（圖片來源：同圖8 ）

圖10 保護(hù)棚剖面圖（圖片來源：同圖8 ）

圖11 保護(hù)棚結(jié)構(gòu)落點(diǎn)（圖片來源：同圖8 ）

4.1 根治病害

解決前述病害因素對遺址造成負(fù)面影響的問題是保護(hù)棚設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的首要目標(biāo)。

（1）排水設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)施阻隔大氣降水的功能，首先要確定考古遺址及其周邊場地必需的雨水遮蔽范圍，作為建筑屋面的最小覆蓋范圍，并根據(jù)對山體坡度變化的分析找出分水線位置。結(jié)合南高北低的現(xiàn)狀地形，沿現(xiàn)有山路在保護(hù)棚建筑南側(cè)設(shè)置截水溝。以此截水溝和山路成為南側(cè)山勢流水的兩道屏障。這樣，南側(cè)山勢高處的雨水流至截水溝后即沿著截水溝排出遺址之外，使被遮護(hù)的猿人洞及其所在場地免受地表徑流和雨水的侵襲損害。

保護(hù)棚建筑對考古遺址形成遮蔽之后，屋面將承受原來場地上相應(yīng)的降水量，因此屋面排水的設(shè)計(jì)成為非常重要的問題。具體來說有兩點(diǎn)：首先要排水順暢，沒有滯留淤緩，從而避免雨水從屋面半封閉的雙層葉片下滲至建筑內(nèi)部的考古遺址；其次要求屋面匯水排出不能對山腳形成沖刷，從而穩(wěn)定遺址的崖壁基礎(chǔ)。

保護(hù)棚外層表皮葉片的分布位置借助參數(shù)化設(shè)計(jì)方法確定，葉片逐層搭接并設(shè)置合理角度，使雨水得到有效組織，由保護(hù)棚屋面隆起最高處向周圍逐層流下排出。其中，部分雨水流入南側(cè)山頂暗埋的雨水溝并最終匯入山頂截水溝；部分雨水直接流入保護(hù)棚北側(cè)基礎(chǔ)落腳沿線暗埋的排水溝并最終匯入場地內(nèi)既有排水設(shè)施；其余雨水降落至東西兩側(cè)屋面檐溝，也匯入北側(cè)落腳暗埋的排水溝排出場地。這樣，屋面雨水最終都經(jīng)過排水設(shè)施迅速排走，加快地表徑流速度，減少山體蓄水，減少地下滲透對崖壁造成的不利影響。（圖3）

圖12 保護(hù)棚建成后室內(nèi)效果（圖片來源：同圖8 ）

圖13 半封閉結(jié)構(gòu)防水、通風(fēng)和利于采光（圖片來源：同圖8 ）

圖14 大跨度結(jié)構(gòu)施工過程（圖片來源：清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司文化遺產(chǎn)保護(hù)中心提供）

圖15 施工吊裝（圖片來源：同圖14 ）

（2）調(diào)整內(nèi)部微環(huán)境

由于猿人洞考古遺跡長期處于自然環(huán)境中，還需要通過保護(hù)棚為遺址提供相對穩(wěn)定的內(nèi)部微環(huán)境，為考古遺址和室外環(huán)境之間營造減小氣候震蕩強(qiáng)度的緩沖空間，避免室內(nèi)外環(huán)境條件突變造成其他不可預(yù)測的影響。

因此，保護(hù)棚專門設(shè)置了雙層葉片體系作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。上下兩層表皮由3 ～4 m 見方的葉片層疊組成，葉片的大小、角度由參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件計(jì)算確定，并經(jīng)雨水模擬軟件、物理環(huán)境模擬軟件模擬校核調(diào)整，確保達(dá)到降低風(fēng)速、減少溫濕度震蕩幅度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這一雙層葉片體系能在完全隔絕極端天氣影響的同時確保通風(fēng)順暢，過濾直射陽光，為室內(nèi)提供間接自然采光。因此，猿人洞內(nèi)部微環(huán)境的溫濕度波動幅度被控制在較小的范圍內(nèi)，尤其是通過保留自然通風(fēng)大幅降低了室內(nèi)的空氣濕度，避免了由此產(chǎn)生的結(jié)露和結(jié)霜現(xiàn)象。

同時，由于濕度降低和缺少直射陽光的照射，對崖壁巖體造成危害的植物自然凋亡，而其根系仍保留在崖體內(nèi)，能起到一定的穩(wěn)固作用。由此，在避免大規(guī)模干預(yù)的情況下緩解了生物病害對遺址的破壞。后期的監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明，猿人洞考古遺址的內(nèi)部物理環(huán)境在保護(hù)棚建成之后得到了充分的改善。（圖12—圖13）

4.2 避免擾動

保護(hù)棚整體覆蓋的方案也為結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)大跨度空間提出了挑戰(zhàn)。同時，如何在施工期間確保遺址本體土層安全穩(wěn)定，避免對場地的擾動，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)落點(diǎn)

在結(jié)構(gòu)選型方面，結(jié)合建筑形式要求與結(jié)構(gòu)受力要求，保護(hù)棚采用了大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅能在受力方向形成穩(wěn)定連續(xù)的桿件形態(tài)，而且能靈活適應(yīng)復(fù)雜多變的地形，施工技術(shù)也比較成熟。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也充分考慮了鋼結(jié)構(gòu)的幾何誤差缺陷和加工焊接引起的殘余應(yīng)力的影響，并對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵部位進(jìn)行了詳細(xì)受力分析，例如在基礎(chǔ)落點(diǎn)處適當(dāng)釋放水平力，減少基礎(chǔ)設(shè)計(jì)水平推力，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

為減小對場地的干擾，保護(hù)棚基礎(chǔ)落點(diǎn)的定位成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先需要解決的問題。方案在南側(cè)山頂及北側(cè)山腳各設(shè)置一排基礎(chǔ)落點(diǎn)。落點(diǎn)均選在敏感區(qū)域之外的平坦巖層之上，距離洞口較遠(yuǎn)，不接觸遺跡及其賦存巖壁。對于山頂落點(diǎn)處，由于基巖埋深較淺，選擇了天然地基設(shè)計(jì)獨(dú)立基礎(chǔ)，并選用淺基礎(chǔ)形式，避免在山坡區(qū)域挖樁可能對猿人洞造成的損害，以及可能挖到溶洞的復(fù)雜情況。山腳落點(diǎn)處，由于基巖埋深較大，選擇樁墩基礎(chǔ)，且兩排樁的樁頂承臺雙向拉結(jié)形成整體。（圖11）

（2）施工安全

為避免施工期間對場地的擾動，設(shè)計(jì)方案還專門考慮了施工期間的保護(hù)要求。由于工程重要，并處于巖溶地區(qū)，地下構(gòu)造不確定性大，不論使用獨(dú)立基礎(chǔ)還是樁墩基礎(chǔ)，均要求進(jìn)行單柱和單樁的現(xiàn)場荷載實(shí)驗(yàn)，每個基礎(chǔ)和樁墩均進(jìn)行超載測試，并在使用過程中加強(qiáng)變形監(jiān)測。

在施工前專門對考古遺址進(jìn)行了現(xiàn)場保護(hù)，并在從方案設(shè)計(jì)到施工建設(shè)完成的全過程中，進(jìn)行影像檔案記錄和數(shù)據(jù)監(jiān)測，為保護(hù)性設(shè)施對考古遺址的預(yù)防性保護(hù)效果提供評估依據(jù)。整體建筑施工全部采用場外預(yù)制場內(nèi)拼接，最大限度降低施工期間對場地的干擾，也確保了可以倒序拆除，完整恢復(fù)原始面貌。（圖14—圖15）

4.3 協(xié)調(diào)環(huán)境

（1）模擬山形

為實(shí)現(xiàn)新建保護(hù)設(shè)施與周邊景觀環(huán)境協(xié)調(diào)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)方案對山體的等高線進(jìn)行分析和擬合，用計(jì)算機(jī)模擬推測出猿人洞所在山洞頂部坍塌前的原始形狀，作為保護(hù)設(shè)施整體形態(tài)的原型參考，以此呼應(yīng)現(xiàn)存山體的形態(tài)起伏。貼合山形的曲面造型配合以綠植屋面，使保護(hù)設(shè)施在實(shí)現(xiàn)建筑功能的同時，修補(bǔ)原有場地的空間形態(tài)。（圖16—圖17）

圖16 總平面圖：建筑模擬山形修補(bǔ)空間關(guān)系（圖片來源：同圖14 ）

圖17 建筑整體融入山形地勢（圖片來源：同圖14 ）

（2）減小屋面尺度

為滿足保護(hù)棚內(nèi)開放參觀與開展研究的使用功能，并使建筑更好地融入周邊環(huán)境，需要通過賦予空間合宜的尺度感，確保建筑能夠提供良好的空間體驗(yàn)，因此對結(jié)構(gòu)和雙層葉片的尺寸、材料和功能細(xì)部進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。

最終確定的保護(hù)棚尺寸為長約80 m，寬約55 m，最大高度近40 m，作為一座大跨度空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)構(gòu)厚度僅約1 m。雙層表皮的葉片構(gòu)件采用金屬鋁板建造，外表面采用種植屋面，內(nèi)表面為耐火型玻璃纖維材料，并以緊臨的鴿子洞內(nèi)壁為基礎(chǔ)模型，通過三維激光掃描技術(shù)制作圖案模板，翻制掛板懸于鋼結(jié)構(gòu)下部，引起人們對原始洞穴的聯(lián)想，營造展示空間的現(xiàn)場感。雙層葉片的尺寸設(shè)計(jì)約為3 ～4 m 見方，與原有場地上周邊植被的平均間距相一致，在感官上更容易取得與外部環(huán)境的協(xié)調(diào)，也通過化整為零的視覺效果，在很大程度上減小了大跨度建筑的尺度感。（圖18—圖20）

圖18 雙層葉片肌理與采光效果（圖片來源：同圖14 ）

圖19 葉片尺度與原有植被相協(xié)調(diào)（圖片來源：同圖14 ）

圖20 雙層葉片構(gòu)造分解（圖片來源：同圖14 ）

（3）屋面綠植與場地植被

為與環(huán)境融為一體，保護(hù)棚采用了屋面綠植技術(shù)，在葉片上安裝輕質(zhì)種植槽。種植槽內(nèi)的植物選擇是根據(jù)與周邊環(huán)境融合要求及場地環(huán)境條件綜合確定的，由于地處北坡，選擇了耐蔭且對土壤及氣候適應(yīng)力強(qiáng)的五葉地錦，同時搭配佛甲草，固土保濕，補(bǔ)充種植槽的綠化空白。

為了保證植物順利生長，上下葉片間設(shè)計(jì)了灌溉系統(tǒng)：滴灌主管沿縱向主結(jié)構(gòu)設(shè)置，滴灌支管沿橫向結(jié)構(gòu)鋼管到達(dá)每個葉片，滴灌支管安裝在每個種植槽內(nèi)。葉片表面設(shè)置了攀爬繩供植物攀爬?？紤]到維護(hù)檢修要求，上層的每片葉片上安裝了掛鎖拉桿，供檢修人員使用。（圖21—圖22）

圖21 綠植屋面種植槽與滴灌系統(tǒng)（圖片來源：清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司文化遺產(chǎn)保護(hù)中心提供）

圖22 綠植屋面（圖片來源：同圖21 ）

保護(hù)棚建成后，還對山上的植被進(jìn)行了修整，以恢復(fù)原有的景觀環(huán)境，保持遺產(chǎn)地歷史環(huán)境的景觀風(fēng)貌。保護(hù)棚現(xiàn)已建成一年有余，種植屋面的綠植景觀頗為豐茂，建筑隱伏于龍骨山的樹木掩映之下，正在實(shí)現(xiàn)融入遺址環(huán)境之中的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.4 數(shù)字技術(shù)

最后值得一提的是，項(xiàng)目的全過程采用了多元數(shù)字參數(shù)化手段輔助設(shè)計(jì)、施工。包括設(shè)計(jì)初期，山體環(huán)境和建筑形體的生成；保護(hù)棚結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和上下兩層葉片的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)過程中雨水模擬、山體匯流模擬分析、內(nèi)部微環(huán)境模擬；項(xiàng)目實(shí)施初期，鋼結(jié)構(gòu)施工方案模擬和施工驗(yàn)算；以及施工階段，劃分吊裝單元、深化設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，指導(dǎo)材料采購、構(gòu)件加工和安裝，確保設(shè)計(jì)建造精度；使用無人機(jī)測量技術(shù)對完成施工的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維掃描并形成三維模型，與原設(shè)計(jì)模型比對，作為幕墻設(shè)計(jì)調(diào)整的依據(jù)；屋面安裝完成后，利用無人機(jī)拍攝多角度鳥瞰圖，生成三維模型對葉片進(jìn)行逐片檢查，用于校核解決由于施工誤差導(dǎo)致的銜接問題等。（圖23—圖27）

圖23 洞內(nèi)采光分析（圖片來源：同圖21 ）

5 小結(jié)

周口店遺址第一地點(diǎn)保護(hù)設(shè)施的建設(shè)工程，是把現(xiàn)代科技理念融于文化遺產(chǎn)保護(hù)，把現(xiàn)代建造技術(shù)應(yīng)用于遺產(chǎn)保護(hù)的一次重要嘗試，也是保護(hù)棚作為考古遺址預(yù)防性保護(hù)手段之一的又一次深入探索。本工程的順利實(shí)施可為類似保護(hù)性設(shè)施的勘察、設(shè)計(jì)和建設(shè)提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)目前顯示的監(jiān)測結(jié)果，保護(hù)設(shè)施基本達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。尤其是經(jīng)歷了2019 年5 月的冰雹和12 月的大雪的考驗(yàn)，取得了良好的保護(hù)效果。

周口店遺址第一地點(diǎn)保護(hù)設(shè)施建設(shè)工程建成以來得到了多方肯定并榮獲多項(xiàng)重要獎項(xiàng)，包括2018 年度中國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)工程質(zhì)量最高榮譽(yù)獎——中國鋼結(jié)構(gòu)金獎；2019 年亞洲建筑師協(xié)會建筑獎①亞洲建筑師協(xié)會建筑獎是一項(xiàng)由亞洲建筑師協(xié)會設(shè)立的年度大獎，旨在推出亞洲地區(qū)的優(yōu)秀建筑作品，鼓勵傳承亞洲精神，推動亞洲建筑環(huán)境的提升。獎項(xiàng)包括住宅項(xiàng)目、公共設(shè)施建設(shè)、工業(yè)建筑、保護(hù)項(xiàng)目、建筑的社會責(zé)任和可持續(xù)性共六大類。獎項(xiàng)設(shè)置包括金獎和若干提名獎。保護(hù)項(xiàng)目金獎。亞建協(xié)評審團(tuán)對這座建筑的評價如下：“這個與眾不同的項(xiàng)目集建筑、藝術(shù)、考古和復(fù)雜的技術(shù)于一體，在嚴(yán)格遵循功能要求的同時，保護(hù)和恢復(fù)周邊的地形和植被，并與之融為一體。這個半通透的單層網(wǎng)殼、雙層表皮結(jié)構(gòu)建筑能在阻隔雨水的同時，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)和間接采光，由此精心呵護(hù)這處珍貴而脆弱的世界遺產(chǎn)地不受自然環(huán)境的負(fù)面影響。設(shè)計(jì)秉承最小干預(yù)的原則和可逆原則，力求隨時間的推移，將建筑完美地融入其周邊環(huán)境。”