【摘要】本文以故宫博物院“养心殿研究性保护项目”中的“养心殿建筑环境研究与整治”专项为实际案例，围绕该区域建筑环境的研究与分析，从基础理论、研究方法、技术路线三方面来进行阐述，并介绍了部分阶段性研究成果。通过该项研究，力求在故宫逐步建立一套完整的古建筑环境研究的理论体系和操作方法，从而完善建筑遗产的科学保护体系。

【关键词】故宫；养心殿；建筑环境；环境监测；检测分析

建筑环境是导致建筑劣化的重要原因；对建筑环境的关注与研究是建筑遗产保护的重要课题。故宫博物院“养心殿研究性保护项目”自启动以来，一直着重于全方位的研究与可持续发展的保护理念。2015年底，故宫古建部展开了对建筑及可移动文物的勘察工作，发现多座建筑室内潮湿、地砖受潮不均、砖面盐析现象严重、砖面酥碱，建筑室内地面可见霉菌斑痕；室内墙面及天花的裱糊纸张受潮、变形、剥落、表面霉菌滋生；建筑梁架表面存在明显的水迹，其中一些为屋顶渗漏的带状痕迹，另一些为冷凝结露的点状痕迹；整个区域建筑本体的病虫害现象十分严重；院落排水不畅，地面长草，柱根木材糟朽，材质整体内部潮湿，霉菌滋生；建筑彩画、油饰褪色、开裂、剥落等。

以上各类病害，都是由于建筑在几百年的风雨沧桑中不断受到内外部环境的影响和侵蚀，导致其建筑本体的材料发生老化、风化、酥碱、裂化、霉变等系列物理、化学及生物反应。因此，在“养心殿研究性保护项目”中设立了“养心殿区建筑环境研究与整治”专项，由笔者担任该专项的项目负责人，其目的是从环境根源上探明各类病害成因，对环境现状及其风险因素进行评估分析，通过设计合理的建筑修缮、环境整治以及调节管控方案来避免同类病害的反复出现。

1．“建筑环境”的基本定义

通常意义的“建筑环境”，是指影响建筑的所有环境因素，包涵建筑所处的外部环境、建筑本体（重点在于建筑围护结构）的情况、建筑围合空间的内部环境等，以及它们之间相互影响相互作用机理：

1.1外部环境

包括气象环境（大气温度、空气湿度、雨、雪、太阳辐射、风速、风力强度、风向）、空气质量、地形地貌（地势、植被、土地使用情况）、地质情况、水文地理（地下水及地表水的分布、水位、流向）情况。

1.2内部环境

包括建筑本体材料内部的环境情况（温度、湿度、含水率等）以及建筑围合空间内部的环境情况，同样包括温度、湿度、光照强度、紫外线、空气质量、空气流速等情况。

1.3相互之间的作用机理

建筑的内部环境由建筑本体（围护结构）对外部环境的隔离能力和对外部温度、湿度的缓冲能力决定。建筑围护结构是指建筑将外部环境和内部环境隔绝分开的这个“外壳”，可以抵挡和隔离风、雨、雪、阳光等，建筑的材料和构造特性可以对外部的温度、湿度起到缓冲作用。

2．研究范畴与方法

基于“建筑环境”的基本定义，其研究范畴应包括建筑内外部相关环境要素、建筑本体围护结构的材料性能及其环境调节功能、以及这些要素相互之间的作用机理、如何导致文物材料产生各类老化、残损等。

2.1环境参数分析

各环境要素作为抽象的研究对象，是反应建筑所处环境状态的重要指标。以养心殿区建筑环境为研究对象，需要首先厘清相关环境参数与建筑病害之间的关系。

建筑内部环境中，温度、相对湿度、通风、光照、空气污染物等环境参数成因各异，对不同的建筑材料与文物材料造成的病害后果和作用机理各不相同。运用桑基图可以直观的表现环境参数成因与造成的病害之间的关联关系（图1）。

图 1 环境影响因素与建筑病害之间

关联关系桑基图（以相对湿度为例）

2.2建筑围护结构的性能分析

以养心殿的古建筑为例，其建筑围护结构包括：屋顶、墙体、门窗、室内外地面、台明以及建筑基础，由多种不同材质的建筑结构及构件组成（如图2）。其结构构成、材料特性、对环境的调节功能如表1所示。

图 2 古建筑围护结构示意图

表 1 古建筑围护结构构成及材料性能

保存完好的建筑围护结构应该具备良好的环境调节功能，从而使建筑和文物均处于健康的保存环境中。

3．检测与分析

3.1技术路线设计

基于对环境要素及其产生原因的剖析，我们分别从建筑内部状态、建筑围护结构和外部环境入手，设计和搭建了不同的测试分析项目，来深入剖析各环境要素的波动变化规律以及对古建筑及文物材质产生破坏影响的原因（表2）。

表 2 针对环境要素的测试分析项目

另外，我们还对区域地质构造、建筑本体构造（基础埋深、地炕烟道情况）、建筑材料性能、相关病害产物进行了检测分析，多项检测分析项目仍在持续进行中，本文不再详细描述。

3.2部分检测分析成果

3.2.1建筑室内热湿环境监测

在养心殿区的各座建筑室内及室外，我们按如图3方式进行了温湿度监测设备的立体布控。

图 3 养心殿区建筑室内

温湿度监测立体布设方式

以养心殿西配殿为例，经过夏季的连续监测，殿内温湿度的分布规律如图4所示。

图 4 养心殿西配殿室内温湿度情况

监测数据分析表明室内温湿度的空间和时间分布呈现以下特征：

（1）水平分布

整座建筑室内地表附近温度最高均值为28.6℃，最低均值为26.0℃，相差2.6℃；地表附近相对湿度最高均值为90.4%，最低均值为78.0%，相差11.6%；地表附近温湿度的不均匀性较高。

整体而言，夏季西配殿内部的相对湿度整体偏高，其中尤以南次间和北次间最为严重，已经对地表附近的木制构件、砖石、裱糊、油饰等建筑组成部分的保存状态造成很大威胁，是西配殿需要重点治理的首要环境问题。

（2）垂直分布

当高度增加时，西配殿内温度递增，相对湿度递减：地面附近，温度达到最低均值26.0℃，相对湿度达到最高均值90.4%；屋顶附近，温度达到最高均值30.6℃，相对湿度达到，最低均值73.4%。

由数据可见，西配殿内部的夏季温度较高，例如1m高处的平均温度超过27℃，距离人们的体感舒适温度较远，不适宜人员参观停留；同时，建筑物内部较高的温度与高相对湿度共存，极易催生虫害和霉菌，威胁木质构件、彩画、裱糊等建筑组成部分的保存寿命。

（3）时间分布

如图4所示，室外温湿度的波动较大，而室内的温湿度波动非常平缓。与冬季的监测结果（图5-1、图5-2）对照来看，这一点更为明显。

图 5-1 西配殿平均温度冬季分布规律

图 5-2 西配殿平均相对

湿度温度冬季分布规律

可见，西配殿地表以上的建筑围护结构对于外界温、湿度每日的较大波动有良好的缓冲作用，保持了夏、冬季室内空间中每日温湿度的和缓变化。这一特性有利于保护建筑内部的含水构件，避免室内木材、油饰、陈列文物等由于环境状态波动剧烈而导致过度形变，因此需要加以维护和保持。

3.2.2建筑气密性能测试分析

建筑气密性，指的是建筑在正常使用中的密闭状态下（如关闭门窗和通风口），室内外气体在单位时间内经过建筑围护结构的各种孔隙渗漏进行交换的数量，通常用单位时间内室内外气体交换体积与室内总体积的比值来表示[1]，单位为换气次数/小时。建筑的气密性能是多种环境因素中我们易于掌握和调控的一种。

为了尽可能使用无损检测手段，我们设计了示踪气体法，采用CO₂作为示踪气体。

采用这种方法，我们在东围房、体顺堂、东配殿和西配殿分别进行了气密性测试，测试结果如图6所示。其中，东围房的气密性最高，西配殿次之，体顺堂和东配殿每小时的换气次数大于0.5，与实际观察相符。

图 6 养心殿区建筑气密性分析图

3.2.3地下土壤环境监测分析

为了监测养心殿区地下土壤体积含水量、温度、盐分的变化，选取了西配殿前6m勘探孔，埋设了1m为间隔的地下土壤环境监测设备（共5组设备）。经过数月监测，结果如下：

（1）土壤体积含水量

不同深度处土壤的体积含水量随时间变化的监测结果如图7所示。从中可以看出，地下1m处含水量最高，基本维持在0.09m³/m³；2m处含水量骤减（最低），2-4m范围内，深度增加土壤含水量增大。因此，推测地下1m和2m之间有隔水性很强的人工土层。

图 7 地下土壤（1-4m）

体积含水量变化趋势图

监测数据表明，西配殿周边地下的湿度环境较差，可能存在不均匀的积水层，而建筑地下部分的围护结构可能有所残损，对于水汽传递的缓冲作用不足，使地下不均匀的积水层得以向室内地面扩散，因此需要采取针对性的治理措施。

（2）地下土壤温度

不同深度处的土壤温度随时间变化的监测结果如图8所示。可以看出，温度沿地表面向下逐渐降低，所有温度高于0℃，分布范围为4-17℃；自地表向下温差依次减小，平均温差2.25℃/m；越接近地表面，温度受空气温度影响，波动越剧烈。

图８ 地下土壤温度变化趋势图

（3）地下土壤盐分

不同深度处的土壤盐分随时间变化的监测结果如图9所示。可以看出，地下1m和3m处土壤含盐（无机盐）量较大。因此，1m和3m附近土层对地表泛盐有影响的可能，但结合含水量分布，如果2m处存在强隔水层，则排除3m土层的影响作用。

图９ 地下土壤盐分含量变化趋势图

4．总结与展望

如前文所述，通过养心殿专项，目前已初步建立了建筑环境研究的理论体系。这也是故宫古建筑研究与保护理念的一次新突破和新发展。而有针对性的测试分析项目，目前已取得了多项数据分析成果。从勘测与监测的成果中可以看到，作为可移动文物以及古建筑本身的保存环境，古建筑室内外环境要素超标是产生建筑病害和文物威胁的重要源头。

一方面，以环境测量与数据分析为基础，能够发现环境问题根源、划定重点治理区域，从而进一步确定环境调控手段的方式、范围和力度，以符合“最小干预”原则的形式对内外部环境进行优化调控，为延长内藏文物以及建筑本体寿命奠定坚实的基础；另一方面，通过精细化分析能够确定建筑围护结构的实际薄弱部分，进一步通过修缮措施强化并改善围护结构的整体性能，从而提升建筑物保持室内环境稳定平衡的天然能力，从“根治”的角度提高古建筑修缮措施的优化效率与持久性。在研究性质的前期实验分析基础上，未来还有更多实践工作需要我们完成：

（1）将环境监测工作常态化、长期化，同时扩大监测范围，增加监测要素，从而掌握更多建筑内部的实际环境状况，为进一步的规律分析积累更多数据。

（2）结合实际修缮工作的进度，继续开展更多对建筑围护结构、建筑材料性能的测试分析工作，更精确的掌握建筑围护结构性能以及建筑内部环境的变化规律，从而优化古建筑保护修缮的效果。

（3）根据环境监测数据及各项测试分析数据，搭建养心殿区建筑环境模拟模型，为将来对该区域建筑环境的整治、调控、预警等系列举措提供科学依据。