保護棚作為遺址預防性保護手段的初步探索
——周口店遺址第一地點保護設施工程

崔光海

徐知蘭

李儼

1 項目背景

1918 年，瑞典地質學家安特生（Johan Gunnar Andersson）在今北京房山區周口店鎮的龍骨山地區獲得骨骼碎片，從此開啟了考古學家和地質工作者對周口店遺址的發掘和研究。1929 年，中國古人類學家裴文中在龍骨山發掘出第一顆完整的“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、考古學、古生物學、地層學、年代學、環境學及巖溶學等多學科綜合研究基地。[1-2]

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

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

為了徹底解決雨水沖刷造成的風化問題，遺址管理處自2008 年起著手研究猿人洞的保護方案。直至2013 年最終方案報聯合國教科文組織世界遺產中心咨詢機構備案，得到肯定的審核意見，期間共經過了十幾輪嚴謹的科學論證和評審過程。隨后，經過五年的建造研究和周密施工，周口店考古遺址第一地點保護設施終于在2018 年9 月底正式對公眾開放。（圖1）

2 保護棚作為預防性保護手段

自19 世紀起，在遺址上搭建構筑物或建筑物作為保護棚的做法，就是保護和展示考古遺址的一種手段，達到在保護考古遺址的同時，也能對外開放，讓游客參觀和了解遺址的目的。近年來，隨著全球文化遺產保護領域對預防性保護重要性的日益強調，保護棚作為綜合效能更具優勢的保護形式也在全球得到了推廣。[3]

與過去經常采用的化學試劑保護或物理手段加固的方法相比，為考古遺址建設保護棚的措施對遺址本體的直接干預程度低、可逆性強，能在很大程度上提前隔絕來自自然環境的病害因素，緩解其對遺址本體產生的負面影響，并且能為考古人員的持續研究和調查提供長期穩定的有利條件。周口店考古遺址第一地點保護設施工程的實踐表明，保護棚確實能有效改善考古遺址的保護條件，提供較為穩定的微環境和文物本體的展示條件，達到更好地進行價值闡釋，“預防”遺址本體被進一步破壞的效果。

除了需要解決隔絕病害因素的技術難題，保護棚的設計和建設過程也存在其

項目概況

項目名稱：周口店遺址第一地點保護設施工程

項目地點：北京周口店遺址第一地點“猿人洞”

設計單位：清華大學建筑設計研究院有限公司

項目總負責：呂舟

主持建筑師：崔光海

設計團隊：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

建設單位：周口店遺址博物館

施工單位：北京龍建集團有限公司

設計時間：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

結構形式：大跨度空間單層網殼結構

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

周口店考古遺址第一地點保護設施工程以修建保護棚的形式對該考古遺址進行預防性保護，在設計、建設和運營的過程中，對回應前述問題和挑戰作出了初步嘗試，積累了一些值得借鑒的經驗。工程以前期勘察、監測和病害分析為前提和設計依據，從整體保護的基本立場出發，在充分調查場地環境等設計條件的基礎上，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中的全過程安全，以及如何使保護棚成為協調場地環境的媒介等主要矛盾，提出了簡潔樸素而切實可行的設計方案。（圖2—圖3）

圖2 場地現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 經過嚴格排水設計的保護棚雙層葉片系統外觀（圖片來源：同圖1 ）

3 主要問題與設計過程

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，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，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害時有發生。[4]

猿人洞原是一個天然石灰巖溶洞，按其巖石性質，至少可劃分13 層堆積層，年代可推至70 萬年前。坑內南北兩側巖壁堆積層已基本發掘完畢，僅在石灰巖壁上殘留少部分堆積物，而東西兩側壁由于堆積層向兩側延伸，故還有發掘余地。通過地質調查，發現有以下幾處存在地質病害：東側壁頭蓋骨發掘處起鼓變形、溶蝕洞及裂縫可能導致局部坍塌失穩；北側壁局部地段可能產生坍塌；西側壁（標準剖面處）泥、砂角礫堆積巖體強度不斷降低；南側壁—東側壁灰燼層被挖掘，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處于露天保存狀態，受到外部氣候條件的直接影響。在華北地區氣候條件下，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）和極端天氣產生的沖刷及溶蝕破壞、風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；極端天氣還會產生集中破環，使遺址本體可能出現掉塊、滑移、塌方等現象。（圖5）

圖5 遺址剖面坍塌現象（圖片來源：同圖4 ）

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

圖6 北京“7·21”特大自然災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，長期暴露在大氣環境中的猿人洞考古遺址面臨嚴重的保護困境。如果能夠采取恰當的技術手段減少這些自然氣候和災害因素的影響，將會在很大程度上改善保護條件，提前“預防”這些負面因素對遺址造成的持續危害，實現大幅減緩殘損速度的保護目標。

3.2 確立整體保護思路

2012 年7 月21 日發生的特大暴雨自然災害進一步表明了對猿人洞遺址進行整體覆蓋保護的必要性和緊迫性。自20 世紀90 年代起，針對猿人洞的病害，管理單位在國家文物局和聯合國教科文組織的支持下，曾采取一系列局部保護措施。1994 年，由聯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的雜草、灌木和喬木，平整洞底，重修護欄，加修排水道；2004 年和2006 年，國家文物局和北京市文物局批準進行了兩次搶險加固保護工程，對猿人洞灰燼層、南側壁、北側壁進行了加固保護，使巖體穩定性得到了有效加強；2008 年開始，為解決雨水沖刷和風化加速的問題，遺址管理處提出局部保護思路，但因不能根治水患和結構受力等技術問題，導致項目一直處于研究和試驗階段。經過三年的觀察和詳細探討，參與實施保護措施的各技術責任方都發現，已實施的局部保護措施及小范圍的遮護措施難以滿足保護需求。[2]

因此，管理單位組織技術力量結合近年猿人洞的環境監測數據和地質勘查數據進行調查研究，經過多次論證，于2013 年確定了完整性的保護猿人洞的整體保護思路——搭建保護棚，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斷崖壁表面徑流水和設計排布保護棚的結構落腳點，整體保護猿人洞遺址和它所在的山體單元。（圖8）

圖8 保護棚設計構思草圖（圖片來源：清華大學建筑設計研究院有限公司文化遺產保護中心提供）

3.3 場地勘察與研究

設計以遺址安全為首要原則。在設計開展之前，對周口店遺址所在的場地進行了全面的勘察與研究，確保建筑主體結構和整體保護的技術細節能夠符合場地的現實狀況。

猿人洞遺址區域以山丘洞穴、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）

根據地勘報告，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域，此部分與遺址本體緊密關聯，受力后會產生聯動破壞。因此，確立了保護棚建筑結構基礎部分的落腳點必須位于此區域之外的設計原則。與此同時，猿人洞所在山體單元在保護棚建成后的整體景觀也是重要的考慮因素，期望能夠借保護棚的設計在一定程度上還原和修復其所處環境在形態和植被覆蓋程度等方面的完整性。

4 樸素的解決方案

經過對周口店猿人洞考古遺址的整體現狀條件和長期病害監測數據的分析，從整體保護的思路出發，確定了保護設施需要解決的三個主要問題：根治病害、避免擾動和協調環境。針對這些問題，提出采用半封閉圍護結構的策略，配合大跨度空間單層網殼結構和雙層葉片等一系列技術手段滿足保護需求，并使用計算機模擬手段驗算內部物理環境效能，確保保護設施能切實解決上述問題。（圖9—圖10）

圖9 保護棚平面圖（圖片來源：同圖8 ）

圖10 保護棚剖面圖（圖片來源：同圖8 ）

圖11 保護棚結構落點（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面影響的問題是保護棚設計要實現的首要目標。

（1）排水設計

為了實現保護設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，并根據對山體坡度變化的分析找出分水線位置。結合南高北低的現狀地形，沿現有山路在保護棚建筑南側設置截水溝。以此截水溝和山路成為南側山勢流水的兩道屏障。這樣，南側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的降水量，因此屋面排水的設計成為非常重要的問題。具體來說有兩點：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，從而穩定遺址的崖壁基礎。

保護棚外層表皮葉片的分布位置借助參數化設計方法確定，葉片逐層搭接并設置合理角度，使雨水得到有效組織，由保護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棚北側基礎落腳沿線暗埋的排水溝并最終匯入場地內既有排水設施；其余雨水降落至東西兩側屋面檐溝，也匯入北側落腳暗埋的排水溝排出場地。這樣，屋面雨水最終都經過排水設施迅速排走，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 保護棚建成后室內效果（圖片來源：同圖8 ）

圖13 半封閉結構防水、通風和利于采光（圖片來源：同圖8 ）

圖14 大跨度結構施工過程（圖片來源：清華大學建筑設計研究院有限公司文化遺產保護中心提供）

圖15 施工吊裝（圖片來源：同圖14 ）

（2）調整內部微環境

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

因此，保護棚專門設置了雙層葉片體系作為圍護結構。上下兩層表皮由3 ～4 m 見方的葉片層疊組成，葉片的大小、角度由參數化設計軟件計算確定，并經雨水模擬軟件、物理環境模擬軟件模擬校核調整，確保達到降低風速、減少溫濕度震蕩幅度的設計目標。

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順暢，過濾直射陽光，為室內提供間接自然采光。因此，猿人洞內部微環境的溫濕度波動幅度被控制在較小的范圍內，尤其是通過保留自然通風大幅降低了室內的空氣濕度，避免了由此產生的結露和結霜現象。

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，能起到一定的穩固作用。由此，在避免大規模干預的情況下緩解了生物病害對遺址的破壞。后期的監測數據也表明，猿人洞考古遺址的內部物理環境在保護棚建成之后得到了充分的改善。（圖12—圖13）

4.2 避免擾動

保護棚整體覆蓋的方案也為結構選型和結構設計如何實現大跨度空間提出了挑戰。同時，如何在施工期間確保遺址本體土層安全穩定，避免對場地的擾動，也是設計的難點。

（1）結構設計與基礎落點

在結構選型方面，結合建筑形式要求與結構受力要求，保護棚采用了大跨度單層網殼結構，這種結構不僅能在受力方向形成穩定連續的桿件形態，而且能靈活適應復雜多變的地形，施工技術也比較成熟。結構設計也充分考慮了鋼結構的幾何誤差缺陷和加工焊接引起的殘余應力的影響，并對關鍵節點、關鍵部位進行了詳細受力分析，例如在基礎落點處適當釋放水平力，減少基礎設計水平推力，確保結構設計合理。

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

（2）施工安全

為避免施工期間對場地的擾動，設計方案還專門考慮了施工期間的保護要求。由于工程重要，并處于巖溶地區，地下構造不確定性大，不論使用獨立基礎還是樁墩基礎，均要求進行單柱和單樁的現場荷載實驗，每個基礎和樁墩均進行超載測試，并在使用過程中加強變形監測。

在施工前專門對考古遺址進行了現場保護，并在從方案設計到施工建設完成的全過程中，進行影像檔案記錄和數據監測，為保護性設施對考古遺址的預防性保護效果提供評估依據。整體建筑施工全部采用場外預制場內拼接，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，完整恢復原始面貌。（圖14—圖15）

4.3 協調環境

（1）模擬山形

為實現新建保護設施與周邊景觀環境協調的目標，設計方案對山體的等高線進行分析和擬合，用計算機模擬推測出猿人洞所在山洞頂部坍塌前的原始形狀，作為保護設施整體形態的原型參考，以此呼應現存山體的形態起伏。貼合山形的曲面造型配合以綠植屋面，使保護設施在實現建筑功能的同時，修補原有場地的空間形態。（圖16—圖17）

圖16 總平面圖：建筑模擬山形修補空間關系（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

為滿足保護棚內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，因此對結構和雙層葉片的尺寸、材料和功能細部進行了特殊的設計。

最終確定的保護棚尺寸為長約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殼結構建筑，結構厚度僅約1 m。雙層表皮的葉片構件采用金屬鋁板建造，外表面采用種植屋面，內表面為耐火型玻璃纖維材料，并以緊臨的鴿子洞內壁為基礎模型，通過三維激光掃描技術制作圖案模板，翻制掛板懸于鋼結構下部，引起人們對原始洞穴的聯想，營造展示空間的現場感。雙層葉片的尺寸設計約為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境的協調，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調（圖片來源：同圖14 ）

圖20 雙層葉片構造分解（圖片來源：同圖14 ）

（3）屋面綠植與場地植被

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

為了保證植物順利生長，上下葉片間設計了灌溉系統：滴灌主管沿縱向主結構設置，滴灌支管沿橫向結構鋼管到達每個葉片，滴灌支管安裝在每個種植槽內。葉片表面設置了攀爬繩供植物攀爬。考慮到維護檢修要求，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（圖片來源：清華大學建筑設計研究院有限公司文化遺產保護中心提供）

圖22 綠植屋面（圖片來源：同圖21 ）

保護棚建成后，還對山上的植被進行了修整，以恢復原有的景觀環境，保持遺產地歷史環境的景觀風貌。保護棚現已建成一年有余，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，正在實現融入遺址環境之中的設計目標。

4.4 數字技術

最后值得一提的是，項目的全過程采用了多元數字參數化手段輔助設計、施工。包括設計初期，山體環境和建筑形體的生成；保護棚結構網格和上下兩層葉片的設計；設計過程中雨水模擬、山體匯流模擬分析、內部微環境模擬；項目實施初期，鋼結構施工方案模擬和施工驗算；以及施工階段，劃分吊裝單元、深化設計鋼結構構件，指導材料采購、構件加工和安裝，確保設計建造精度；使用無人機測量技術對完成施工的網格結構進行三維掃描并形成三維模型，與原設計模型比對，作為幕墻設計調整的依據；屋面安裝完成后，利用無人機拍攝多角度鳥瞰圖，生成三維模型對葉片進行逐片檢查，用于校核解決由于施工誤差導致的銜接問題等。（圖23—圖27）

圖23 洞內采光分析（圖片來源：同圖21 ）

5 小結

周口店遺址第一地點保護設施的建設工程，是把現代科技理念融于文化遺產保護，把現代建造技術應用于遺產保護的一次重要嘗試，也是保護棚作為考古遺址預防性保護手段之一的又一次深入探索。本工程的順利實施可為類似保護性設施的勘察、設計和建設提供寶貴的實踐經驗。

根據目前顯示的監測結果，保護設施基本達到預期的設計目標。尤其是經歷了2019 年5 月的冰雹和12 月的大雪的考驗，取得了良好的保護效果。

周口店遺址第一地點保護設施建設工程建成以來得到了多方肯定并榮獲多項重要獎項，包括2018 年度中國建筑鋼結構行業工程質量最高榮譽獎——中國鋼結構金獎；2019 年亞洲建筑師協會建筑獎①亞洲建筑師協會建筑獎是一項由亞洲建筑師協會設立的年度大獎，旨在推出亞洲地區的優秀建筑作品，鼓勵傳承亞洲精神，推動亞洲建筑環境的提升。獎項包括住宅項目、公共設施建設、工業建筑、保護項目、建筑的社會責任和可持續性共六大類。獎項設置包括金獎和若干提名獎。保護項目金獎。亞建協評審團對這座建筑的評價如下：“這個與眾不同的項目集建筑、藝術、考古和復雜的技術于一體，在嚴格遵循功能要求的同時，保護和恢復周邊的地形和植被，并與之融為一體。這個半通透的單層網殼、雙層表皮結構建筑能在阻隔雨水的同時，實現通風和間接采光，由此精心呵護這處珍貴而脆弱的世界遺產地不受自然環境的負面影響。設計秉承最小干預的原則和可逆原則，力求隨時間的推移，將建筑完美地融入其周邊環境。”

圖24 保護棚結構應力計算（圖片來源：同圖21 ）

圖25 保護棚地震模擬（圖片來源：同圖21 ）

圖26 標高10 m 處風速分析（圖片來源：同圖21 ）

圖27 標高10 m 處溫度分析（圖片來源：同圖21 ）