保护棚作为遗址预防性保护手段的初步探索——周口店遗址第一地点保护设施工程

崔光海

徐知兰

李俨

1 项目背景

1918 年，瑞典地质学家安特生（Johan Gunnar Andersson）在今北京房山区周口店镇的龙骨山地区获得骨骼碎片，从此开启了考古学家和地质工作者对周口店遗址的发掘和研究。1929 年，中国古人类学家裴文中在龙骨山发掘出第一颗完整的“北京人”头盖骨化石，后来的近百年中，陆续出土40 多个“北京人”的化石遗骸，10 多万件石器，近200 种动物化石及大量的用火遗迹等，使该地成为世界著名的古人类和古脊椎动物考古遗址，以及古人类学、考古学、古生物学、地层学、年代学、环境学及岩溶学等多学科综合研究基地。[1-2]

因具有被世人认可的重要价值，周口店遗址于1961 年被列为第一批全国重点文物保护单位，于1987 年与故宫一起成为中国第一批世界文化遗产。本次保护工程的重点对象为周口店遗址的猿人洞，是裴文中先生发现第一颗头盖骨化石的地方，也被称为“第一地点”。

1994 年到2006 年间，联合国教科文组织、国家文物局、北京市文物局先后对猿人洞进行了清理、修整以及两次抢险加固保护工程。

为了彻底解决雨水冲刷造成的风化问题，遗址管理处自2008 年起着手研究猿人洞的保护方案。直至2013 年最终方案报联合国教科文组织世界遗产中心咨询机构备案，得到肯定的审核意见，期间共经过了十几轮严谨的科学论证和评审过程。随后，经过五年的建造研究和周密施工，周口店考古遗址第一地点保护设施终于在2018 年9 月底正式对公众开放。（图1）

2 保护棚作为预防性保护手段

自19 世纪起，在遗址上搭建构筑物或建筑物作为保护棚的做法，就是保护和展示考古遗址的一种手段，达到在保护考古遗址的同时，也能对外开放，让游客参观和了解遗址的目的。近年来，随着全球文化遗产保护领域对预防性保护重要性的日益强调，保护棚作为综合效能更具优势的保护形式也在全球得到了推广。[3]

与过去经常采用的化学试剂保护或物理手段加固的方法相比，为考古遗址建设保护棚的措施对遗址本体的直接干预程度低、可逆性强，能在很大程度上提前隔绝来自自然环境的病害因素，缓解其对遗址本体产生的负面影响，并且能为考古人员的持续研究和调查提供长期稳定的有利条件。周口店考古遗址第一地点保护设施工程的实践表明，保护棚确实能有效改善考古遗址的保护条件，提供较为稳定的微环境和文物本体的展示条件，达到更好地进行价值阐释，“预防”遗址本体被进一步破坏的效果。

除了需要解决隔绝病害因素的技术难题，保护棚的设计和建设过程也存在其

项目概况

项目名称：周口店遗址第一地点保护设施工程

项目地点：北京周口店遗址第一地点“猿人洞”

设计单位：清华大学建筑设计研究院有限公司

项目总负责：吕舟

主持建筑师：崔光海

设计团队：汪静、揭小凤、李京、马智刚、李增超、蒋炳丽、郭汉英、刘玖玲、王晶、郭红艳、张微、汪昊天、徐知兰、罗璇

建设单位：周口店遗址博物馆

施工单位：北京龙建集团有限公司

设计时间：2008.5—2014.11

建造时间：2015.8—2018.8

占地面积：3 487 m2

建筑面积：3 487 m2

结构形式：大跨度空间单层网壳结构

建筑层数：一层他的挑战和需要谨慎考虑的问题。譬如：保护棚体积庞大，其室内外设计如何能够恰如其分地衬托考古遗址本体而不喧宾夺主？保护棚的外观如何融入遗址所在场地的自然环境与历史人文背景？建设过程中如何将对遗址本体及其所在环境的影响减到最小程度？

周口店考古遗址第一地点保护设施工程以修建保护棚的形式对该考古遗址进行预防性保护，在设计、建设和运营的过程中，对回应前述问题和挑战作出了初步尝试，积累了一些值得借鉴的经验。工程以前期勘察、监测和病害分析为前提和设计依据，从整体保护的基本立场出发，在充分调查场地环境等设计条件的基础上，针对如何隔绝考古遗址的主要病害威胁、如何确保遗址本体及场地在建设中的全过程安全，以及如何使保护棚成为协调场地环境的媒介等主要矛盾，提出了简洁朴素而切实可行的设计方案。（图2—图3）

图2 场地现状总平面图与建筑最小覆盖范围示意图（图片来源：同图1 ）

图3 经过严格排水设计的保护棚双层叶片系统外观（图片来源：同图1 ）

3 主要问题与设计过程

3.1 病害情况分析

从大的地理单元看，龙骨山处于西部太行山脉与华北大平原交汇的丘陵地区，属暖温带半湿润季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，历年极端最高气温为40.1 C，极端最低气温为-19.8 C，极端最大风速22.9 m/s，年平均有霜期153 天。高温、干旱、暴雨、雷暴、冰雹、寒潮等极端天气形成的气象灾害时有发生。[4]

猿人洞原是一个天然石灰岩溶洞，按其岩石性质，至少可划分13 层堆积层，年代可推至70 万年前。坑内南北两侧岩壁堆积层已基本发掘完毕，仅在石灰岩壁上残留少部分堆积物，而东西两侧壁由于堆积层向两侧延伸，故还有发掘余地。通过地质调查，发现有以下几处存在地质病害：东侧壁头盖骨发掘处起鼓变形、溶蚀洞及裂缝可能导致局部坍塌失稳；北侧壁局部地段可能产生坍塌；西侧壁（标准剖面处）泥、砂角砾堆积岩体强度不断降低；南侧壁—东侧壁灰烬层被挖掘，存在洞体坍落的危险。（图4）

图4 病害治理微重力测量重力推断成果图（图片来源：周口店北京人遗址博物馆提供）

造成这些病害的根本原因是由于遗址地点处于露天保存状态，受到外部气候条件的直接影响。在华北地区气候条件下，猿人洞所在的山体单元上的日常大气降水（包括雨、雪、冰雹、霜、露等）和极端天气产生的冲刷及溶蚀破坏、风的吹蚀和温差作用下的涨缩和冻融，是主要的病害因素；加上自然形成的植物群落也缓慢地侵蚀和破坏着堆积层；极端天气还会产生集中破环，使遗址本体可能出现掉块、滑移、塌方等现象。（图5）

图5 遗址剖面坍塌现象（图片来源：同图4 ）

特别是2012 年北京“7 · 21”特大自然灾害期间，房山区受暴雨影响最大。特大暴雨过后，周口店猿人洞发掘坑内洞底及西剖面有雨水迅速积聚后又迅速消失的现象（图 6）。经物探勘察证明洞底存在大的裂隙、破碎带和溶沟发育，形成了导水通道。

图6 北京“7·21”特大自然灾害期间猿人洞遗址底部积水情况（图片来源：同图4 ）

图7 猿人洞遗址原始地貌（图片来源：同图4 ）

可见，长期暴露在大气环境中的猿人洞考古遗址面临严重的保护困境。如果能够采取恰当的技术手段减少这些自然气候和灾害因素的影响，将会在很大程度上改善保护条件，提前“预防”这些负面因素对遗址造成的持续危害，实现大幅减缓残损速度的保护目标。

3.2 确立整体保护思路

2012 年7 月21 日发生的特大暴雨自然灾害进一步表明了对猿人洞遗址进行整体覆盖保护的必要性和紧迫性。自20 世纪90 年代起，针对猿人洞的病害，管理单位在国家文物局和联合国教科文组织的支持下，曾采取一系列局部保护措施。1994 年，由联合国教科文组织资助，清理了猿人洞四壁、洞底生长了半个多世纪的杂草、灌木和乔木，平整洞底，重修护栏，加修排水道；2004 年和2006 年，国家文物局和北京市文物局批准进行了两次抢险加固保护工程，对猿人洞灰烬层、南侧壁、北侧壁进行了加固保护，使岩体稳定性得到了有效加强；2008 年开始，为解决雨水冲刷和风化加速的问题，遗址管理处提出局部保护思路，但因不能根治水患和结构受力等技术问题，导致项目一直处于研究和试验阶段。经过三年的观察和详细探讨，参与实施保护措施的各技术责任方都发现，已实施的局部保护措施及小范围的遮护措施难以满足保护需求。[2]

因此，管理单位组织技术力量结合近年猿人洞的环境监测数据和地质勘查数据进行调查研究，经过多次论证，于2013 年确定了完整性的保护猿人洞的整体保护思路——搭建保护棚，整体保持猿人洞四壁原状，不触碰堆积层，从山体范围考虑整体截断崖壁表面径流水和设计排布保护棚的结构落脚点，整体保护猿人洞遗址和它所在的山体单元。（图8）

图8 保护棚设计构思草图（图片来源：清华大学建筑设计研究院有限公司文化遗产保护中心提供）

3.3 场地勘察与研究

设计以遗址安全为首要原则。在设计开展之前，对周口店遗址所在的场地进行了全面的勘察与研究，确保建筑主体结构和整体保护的技术细节能够符合场地的现实状况。

猿人洞遗址区域以山丘洞穴、岩体、堆积和植物组成的自然景观为主，山林茂盛、草木葱茏、嶙石掩映，现状为一长方形深坑，东西长约35 m，南北宽约5～8 m，深约30 m，周边为70 万年以来形成的13 层的堆积层，总面积约1 340 m2。[2]（图3，图7）

根据地勘报告，猿人洞外围山体单元约1 500 m2范围皆为不能扰动的敏感区域，此部分与遗址本体紧密关联，受力后会产生联动破坏。因此，确立了保护棚建筑结构基础部分的落脚点必须位于此区域之外的设计原则。与此同时，猿人洞所在山体单元在保护棚建成后的整体景观也是重要的考虑因素，期望能够借保护棚的设计在一定程度上还原和修复其所处环境在形态和植被覆盖程度等方面的完整性。

4 朴素的解决方案

经过对周口店猿人洞考古遗址的整体现状条件和长期病害监测数据的分析，从整体保护的思路出发，确定了保护设施需要解决的三个主要问题：根治病害、避免扰动和协调环境。针对这些问题，提出采用半封闭围护结构的策略，配合大跨度空间单层网壳结构和双层叶片等一系列技术手段满足保护需求，并使用计算机模拟手段验算内部物理环境效能，确保保护设施能切实解决上述问题。（图9—图10）

图9 保护棚平面图（图片来源：同图8 ）

图10 保护棚剖面图（图片来源：同图8 ）

图11 保护棚结构落点（图片来源：同图8 ）

4.1 根治病害

解决前述病害因素对遗址造成负面影响的问题是保护棚设计要实现的首要目标。

（1）排水设计

为了实现保护设施阻隔大气降水的功能，首先要确定考古遗址及其周边场地必需的雨水遮蔽范围，作为建筑屋面的最小覆盖范围，并根据对山体坡度变化的分析找出分水线位置。结合南高北低的现状地形，沿现有山路在保护棚建筑南侧设置截水沟。以此截水沟和山路成为南侧山势流水的两道屏障。这样，南侧山势高处的雨水流至截水沟后即沿着截水沟排出遗址之外，使被遮护的猿人洞及其所在场地免受地表径流和雨水的侵袭损害。

保护棚建筑对考古遗址形成遮蔽之后，屋面将承受原来场地上相应的降水量，因此屋面排水的设计成为非常重要的问题。具体来说有两点：首先要排水顺畅，没有滞留淤缓，从而避免雨水从屋面半封闭的双层叶片下渗至建筑内部的考古遗址；其次要求屋面汇水排出不能对山脚形成冲刷，从而稳定遗址的崖壁基础。

保护棚外层表皮叶片的分布位置借助参数化设计方法确定，叶片逐层搭接并设置合理角度，使雨水得到有效组织，由保护棚屋面隆起最高处向周围逐层流下排出。其中，部分雨水流入南侧山顶暗埋的雨水沟并最终汇入山顶截水沟；部分雨水直接流入保护棚北侧基础落脚沿线暗埋的排水沟并最终汇入场地内既有排水设施；其余雨水降落至东西两侧屋面檐沟，也汇入北侧落脚暗埋的排水沟排出场地。这样，屋面雨水最终都经过排水设施迅速排走，加快地表径流速度，减少山体蓄水，减少地下渗透对崖壁造成的不利影响。（图3）

图12 保护棚建成后室内效果（图片来源：同图8 ）

图13 半封闭结构防水、通风和利于采光（图片来源：同图8 ）

图14 大跨度结构施工过程（图片来源：清华大学建筑设计研究院有限公司文化遗产保护中心提供）

图15 施工吊装（图片来源：同图14 ）

（2）调整内部微环境

由于猿人洞考古遗迹长期处于自然环境中，还需要通过保护棚为遗址提供相对稳定的内部微环境，为考古遗址和室外环境之间营造减小气候震荡强度的缓冲空间，避免室内外环境条件突变造成其他不可预测的影响。

因此，保护棚专门设置了双层叶片体系作为围护结构。上下两层表皮由3 ～4 m 见方的叶片层叠组成，叶片的大小、角度由参数化设计软件计算确定，并经雨水模拟软件、物理环境模拟软件模拟校核调整，确保达到降低风速、减少温湿度震荡幅度的设计目标。

这一双层叶片体系能在完全隔绝极端天气影响的同时确保通风顺畅，过滤直射阳光，为室内提供间接自然采光。因此，猿人洞内部微环境的温湿度波动幅度被控制在较小的范围内，尤其是通过保留自然通风大幅降低了室内的空气湿度，避免了由此产生的结露和结霜现象。

同时，由于湿度降低和缺少直射阳光的照射，对崖壁岩体造成危害的植物自然凋亡，而其根系仍保留在崖体内，能起到一定的稳固作用。由此，在避免大规模干预的情况下缓解了生物病害对遗址的破坏。后期的监测数据也表明，猿人洞考古遗址的内部物理环境在保护棚建成之后得到了充分的改善。（图12—图13）

4.2 避免扰动

保护棚整体覆盖的方案也为结构选型和结构设计如何实现大跨度空间提出了挑战。同时，如何在施工期间确保遗址本体土层安全稳定，避免对场地的扰动，也是设计的难点。

（1）结构设计与基础落点

在结构选型方面，结合建筑形式要求与结构受力要求，保护棚采用了大跨度单层网壳结构，这种结构不仅能在受力方向形成稳定连续的杆件形态，而且能灵活适应复杂多变的地形，施工技术也比较成熟。结构设计也充分考虑了钢结构的几何误差缺陷和加工焊接引起的残余应力的影响，并对关键节点、关键部位进行了详细受力分析，例如在基础落点处适当释放水平力，减少基础设计水平推力，确保结构设计合理。

为减小对场地的干扰，保护棚基础落点的定位成为结构设计首先需要解决的问题。方案在南侧山顶及北侧山脚各设置一排基础落点。落点均选在敏感区域之外的平坦岩层之上，距离洞口较远，不接触遗迹及其赋存岩壁。对于山顶落点处，由于基岩埋深较浅，选择了天然地基设计独立基础，并选用浅基础形式，避免在山坡区域挖桩可能对猿人洞造成的损害，以及可能挖到溶洞的复杂情况。山脚落点处，由于基岩埋深较大，选择桩墩基础，且两排桩的桩顶承台双向拉结形成整体。（图11）

（2）施工安全

为避免施工期间对场地的扰动，设计方案还专门考虑了施工期间的保护要求。由于工程重要，并处于岩溶地区，地下构造不确定性大，不论使用独立基础还是桩墩基础，均要求进行单柱和单桩的现场荷载实验，每个基础和桩墩均进行超载测试，并在使用过程中加强变形监测。

在施工前专门对考古遗址进行了现场保护，并在从方案设计到施工建设完成的全过程中，进行影像档案记录和数据监测，为保护性设施对考古遗址的预防性保护效果提供评估依据。整体建筑施工全部采用场外预制场内拼接，最大限度降低施工期间对场地的干扰，也确保了可以倒序拆除，完整恢复原始面貌。（图14—图15）

4.3 协调环境

（1）模拟山形

为实现新建保护设施与周边景观环境协调的目标，设计方案对山体的等高线进行分析和拟合，用计算机模拟推测出猿人洞所在山洞顶部坍塌前的原始形状，作为保护设施整体形态的原型参考，以此呼应现存山体的形态起伏。贴合山形的曲面造型配合以绿植屋面，使保护设施在实现建筑功能的同时，修补原有场地的空间形态。（图16—图17）

图16 总平面图：建筑模拟山形修补空间关系（图片来源：同图14 ）

图17 建筑整体融入山形地势（图片来源：同图14 ）

（2）减小屋面尺度

为满足保护棚内开放参观与开展研究的使用功能，并使建筑更好地融入周边环境，需要通过赋予空间合宜的尺度感，确保建筑能够提供良好的空间体验，因此对结构和双层叶片的尺寸、材料和功能细部进行了特殊的设计。

最终确定的保护棚尺寸为长约80 m，宽约55 m，最大高度近40 m，作为一座大跨度空间单层网壳结构建筑，结构厚度仅约1 m。双层表皮的叶片构件采用金属铝板建造，外表面采用种植屋面，内表面为耐火型玻璃纤维材料，并以紧临的鸽子洞内壁为基础模型，通过三维激光扫描技术制作图案模板，翻制挂板悬于钢结构下部，引起人们对原始洞穴的联想，营造展示空间的现场感。双层叶片的尺寸设计约为3 ～4 m 见方，与原有场地上周边植被的平均间距相一致，在感官上更容易取得与外部环境的协调，也通过化整为零的视觉效果，在很大程度上减小了大跨度建筑的尺度感。（图18—图20）

图18 双层叶片肌理与采光效果（图片来源：同图14 ）

图19 叶片尺度与原有植被相协调（图片来源：同图14 ）

图20 双层叶片构造分解（图片来源：同图14 ）

（3）屋面绿植与场地植被

为与环境融为一体，保护棚采用了屋面绿植技术，在叶片上安装轻质种植槽。种植槽内的植物选择是根据与周边环境融合要求及场地环境条件综合确定的，由于地处北坡，选择了耐荫且对土壤及气候适应力强的五叶地锦，同时搭配佛甲草，固土保湿，补充种植槽的绿化空白。

为了保证植物顺利生长，上下叶片间设计了灌溉系统：滴灌主管沿纵向主结构设置，滴灌支管沿横向结构钢管到达每个叶片，滴灌支管安装在每个种植槽内。叶片表面设置了攀爬绳供植物攀爬。考虑到维护检修要求，上层的每片叶片上安装了挂锁拉杆，供检修人员使用。（图21—图22）

图21 绿植屋面种植槽与滴灌系统（图片来源：清华大学建筑设计研究院有限公司文化遗产保护中心提供）

图22 绿植屋面（图片来源：同图21 ）

保护棚建成后，还对山上的植被进行了修整，以恢复原有的景观环境，保持遗产地历史环境的景观风貌。保护棚现已建成一年有余，种植屋面的绿植景观颇为丰茂，建筑隐伏于龙骨山的树木掩映之下，正在实现融入遗址环境之中的设计目标。

4.4 数字技术

最后值得一提的是，项目的全过程采用了多元数字参数化手段辅助设计、施工。包括设计初期，山体环境和建筑形体的生成；保护棚结构网格和上下两层叶片的设计；设计过程中雨水模拟、山体汇流模拟分析、内部微环境模拟；项目实施初期，钢结构施工方案模拟和施工验算；以及施工阶段，划分吊装单元、深化设计钢结构构件，指导材料采购、构件加工和安装，确保设计建造精度；使用无人机测量技术对完成施工的网格结构进行三维扫描并形成三维模型，与原设计模型比对，作为幕墙设计调整的依据；屋面安装完成后，利用无人机拍摄多角度鸟瞰图，生成三维模型对叶片进行逐片检查，用于校核解决由于施工误差导致的衔接问题等。（图23—图27）

图23 洞内采光分析（图片来源：同图21 ）

5 小结

周口店遗址第一地点保护设施的建设工程，是把现代科技理念融于文化遗产保护，把现代建造技术应用于遗产保护的一次重要尝试，也是保护棚作为考古遗址预防性保护手段之一的又一次深入探索。本工程的顺利实施可为类似保护性设施的勘察、设计和建设提供宝贵的实践经验。

根据目前显示的监测结果，保护设施基本达到预期的设计目标。尤其是经历了2019 年5 月的冰雹和12 月的大雪的考验，取得了良好的保护效果。

周口店遗址第一地点保护设施建设工程建成以来得到了多方肯定并荣获多项重要奖项，包括2018 年度中国建筑钢结构行业工程质量最高荣誉奖——中国钢结构金奖；2019 年亚洲建筑师协会建筑奖①亚洲建筑师协会建筑奖是一项由亚洲建筑师协会设立的年度大奖，旨在推出亚洲地区的优秀建筑作品，鼓励传承亚洲精神，推动亚洲建筑环境的提升。奖项包括住宅项目、公共设施建设、工业建筑、保护项目、建筑的社会责任和可持续性共六大类。奖项设置包括金奖和若干提名奖。保护项目金奖。亚建协评审团对这座建筑的评价如下：“这个与众不同的项目集建筑、艺术、考古和复杂的技术于一体，在严格遵循功能要求的同时，保护和恢复周边的地形和植被，并与之融为一体。这个半通透的单层网壳、双层表皮结构建筑能在阻隔雨水的同时，实现通风和间接采光，由此精心呵护这处珍贵而脆弱的世界遗产地不受自然环境的负面影响。设计秉承最小干预的原则和可逆原则，力求随时间的推移，将建筑完美地融入其周边环境。”

图24 保护棚结构应力计算（图片来源：同图21 ）

图25 保护棚地震模拟（图片来源：同图21 ）

图26 标高10 m 处风速分析（图片来源：同图21 ）

图27 标高10 m 处温度分析（图片来源：同图21 ）