石窟环境监测模拟及整体分析研究

中国的石窟寺摩崖造像价值突出、数量众多而分布广泛。石窟所在地域的地质条件、气候环境、地形地貌各有不同，不同地区、不同时期开凿的工艺也有所区别，再加上长期以来所经历的自然、人文历程的不同，目前我国石窟形成了共性与特性兼有的复杂病害、劣化特点。面对上述情况，以关注石窟环境为特点的研究、保护实践日益受到重视。由此出发，本书针对常见的石窟与环境整体的监测与模拟，提出了进行定性空间划分的方式及其结果，并对划分的每一区块的特点、假设与近似，进行了初步的探索。本书从现有的石质文物岩石材料劣化现象统计分类研究、劣化机理研究出发，初步梳理了由劣化现象到最终可测、可控的参数之间的联系：针对某一劣化现象，概述了当前研究中对其形成机理的研究成果；从劣化机理出发，以自然科学的视角，分析劣化机理构成的"情境"可以拆分为哪些物理过程、化学反应以及生物过程；针对这些物理过程、化学反应以及生物过程，对影响其发生与否、发生速度快慢的核心参数进行概括。本书从现状监测、理论分析以及计算机模拟三个方面，对石窟文物与环境相互作用的半定量分析进行了探索，对传统的文物环境半定量分析方法进行了整合与完善，并以广元千佛崖摩崖造像为例，体现了半定量分析在如下几个方面的作用：研究石窟文物现状、预判环境改善对文物保护是否有积极作用以及作用的大小、评估现有的保护建筑对石窟与环境整体的影响情况。

安程，清华大学建筑学院建筑环境与设备工程学士、建筑学博士，宾夕法尼亚大学建筑学院访问学者。现为机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（工业和信息化部与国家文物局文物保护装备产业化及应用协同工作平台）高级工程师、国家科技专家库专家。研究方向为预防性保护、文物本体与环境监测、文物风险分析和预测等。主持国家自然科学基金青年项目资助课题，作为主要研究人员参与工信部智能制造专项、科技部国际合作委托任务、北京市自然科学基金面上项目等纵向课题多项，发表《基于监测大数据分析的广元千佛崖保护性建筑实际效果研究》《非稳态热湿耦合模拟技术在我国石质文物中的应用初探》《故宫内外不可移动文物赋存环境的比较性研究》等学术论文十余篇。

序言 吕舟
第一章 中国石窟与环境
一、中国石窟的基本情况与复杂性
（一）中国石窟概况
（二）中国石窟保护工作的复杂性
二、我国对石窟环境问题认识的发展历程
三、当前石窟及环境相关研究简介
（一）关于中国石窟的综合性论著
（二）概念定义的相关研究
（三）涉及石窟或其他石质文物环境的综合性研究
（四）关于石质文物与赋存环境关系的具体针对性研究
（五）我国石窟与赋存环境关系和石质文物的异同
（六）相关领域研究
第二章 中国石窟环境问题的分析思路
一、石窟与环境是紧密联系的整体
二、从劣化现象逐层深人到关键参数
三、宏观与微观的区分与兼顾
四、根据具体问题合理简化与取舍
第三章 石窟与环境的整体空间模型
一、石窟的气象环境
（一）石窟地域气候及其简化思路
（二）石窟区域空气环境模型
二、空气微环境
（一）空气微环境模型
（二）微环境的分类
三、石窟文物物质遗存
（一）石窟浅层岩体“裂隙-多孔介质”模型
（二）附属文物——泥塑、地仗、彩绘等
四、地质环境范围
（一）地质环境中的岩石
（二）地质环境中的水
（三）石窟浅层岩体与地质环境的界限
五、石窟与环境整体空间模型
第四章 石窟岩石材料劣化现象、病害机理、基本过程及主要参数
一、劣化现象与其病害机理、基本过程
（一）空鼓形成机理及其相关物理化学过程
（二）剥落形成机理及其相关物理化学过程
（三）溶蚀形成机理及其相关物理化学过程
（四）结垢形成机理及其相关物理化学过程
（五）结壳形成机理及其相关物理化学过程
（六）盐析机理及其相关物理化学过程
二、常见基本过程的主要影响参数
（一）常见物理过程及其相关参数
（二）常见化学反应及其相关参数
（三）生物作用过程
（四）基本过程与时间周期
（五）基本过程与破坏效果
三、基本过程与主要影响参数小结
第五章 石窟与环境相互作用的定性分析
一、石窟区域空气环境与地质环境
（一）区域空气环境中热量传输与温度问题
（二）石窟区域空气环境、地质环境的水与湿气问题
（三）宏观空气流动
二、石窟空气微环境
（一）边界层效应
（二）微环境空间的稳态温度分布
（三）微环境空间的稳态湿度分布
（四）微环境内的宏观空气流动
（五）人与其他非文物热湿源对微环境的影响
三、石窟浅层岩体的动态平衡
（一）石窟浅表层的换热
（二）石窟浅表层的传质
四、统一分析石窟浅表层热湿变化对赋存状态影响的可能性
（一）不同机理影响统一的可能研究方向
（二）不同机理影响的初步综合
第六章 石窟与环境相互作用的半定量分析方法初探
一、分析方式概述
（一）对相关参数的检测、监测
（二）借鉴现有研究成果进行理论分析
（三）计算机模拟
（四）检测监测、理论分析与计算机模拟的互补与综合运用
二、石窟区域空气环境、地质环境
（一）现状监测
（二）理论分析
（三）计算机模拟
三、石窟空气微环境
（一）现状的检测、监测
（二）理论分析
（三）计算机模拟
四、石窟浅表层与空气微环境间的相互作用
（一）石窟岩石侧参数的获取
（二）现状监测与检测
（三）理论分析
（四）计算机模拟
（五）石窟浅表层与环境相互作用对文物安全的影响
第七章 广元千佛崖保护建筑建设中石窟与环境整体性分析的体现
一、广元千佛崖基本情况与空间划分
（一）案例概况
（二）石窟与环境整体的空间划分
（三）千佛崖气象与地质基本情况
二、主要劣化现象与表面病害的环境诱因与关键参数
（一）岩石部分主要劣化现象与表面病害
（二）劣化现象的发生机理及主要相关参数
三、未建设保护建筑状态下石窟与环境整体的半定量分析
（一）石窟区域环境
（二）石窟空气微环境
（三）石窟浅表层与微环境间的相互作用
（四）小结——石窟与环境相互作用特点及对保护建筑的要求
四、保护建筑对石窟与环境整体影响的半定量分析
（一）石窟区域空气环境、地质环境的变化
（二）石窟微环境的变化
（三）石窟浅表层的变化
五、对千佛崖保护建筑效果的评价
第八章 总结与展望
一、主要结论
（一）总体结论
（二）石窟文物半定量分析手段总结
（三）对保护建筑与窟檐营建的思考
二、未来研究展望
参考文献
附录