人民大會堂在中軸線上嗎
「本文來源：北京日報」
王川 攝
劉揚
2021年11月3日，人民大會堂舉行隆重表彰大會，2020年度國家科學技術進步獎揭曉。在獲獎單位名單中，眾多大專院校和科研院所中間，“故宮博物院”幾個字猶如一眾現代理工男中藏著的一位古典美人，矜持婉約，扇裁而立。
確實，不僅故宮博物院，整個文博行業都是首次獲此殊榮。為故宮博物院捧回這個大獎的，是故宮學研究所研究館員周乾博士。
為故宮牽緣科技大獎
初冬的早晨，和周乾約好在神武門碰面。神武門在故宮的最北端，高大的宮牆威嚴肅穆，橙黃的廡殿頂在朝霞的映襯下閃著金光，郭沫若先生所題的“故宮博物院”五個大字凝重而極富神韻。
遠遠地，只見一人從神武門疾步而出。藏藍色西服配白色旅遊鞋，和此前周乾傳來的在人民大會堂領獎時的照片一樣。此人正是周乾。
簡短寒暄之後，隨周乾進宮。在高大的紅牆間七拐八繞，轉到一處安靜的小院。從工作人員出入的小門進去，豁然開朗，房屋是綠色琉璃瓦硬山頂，在一片紅牆黃頂的富麗堂皇中顯得安靜而斯文。“這就是故宮學研究所，我辦公的地方。”周乾主動介紹，“這裡以前是皇子們讀書的地方，叫南三所，俗稱阿哥所。單院長當年說，這裡以前就是讀書之地，現在用來搞學術研究也合適。”周乾說的單院長是故宮博物院前院長單霽翔。
一直往裡走，到了最西端的一間房屋，門口柱子上貼著一張B5白紙，上面寫著兩個字“周乾”，不禁讓人想起“對古建築最小擾動”的工作原則。
採訪是從國家科技進步獎說起的。601歲的紫禁城是如何和科技進步聯絡起來的呢？
榮獲國家科技進步一等獎的《中國城鎮建築遺產多尺度保護理論、關鍵技術及應用》專案，是由東南大學、中國建築設計研究院、中國城市規劃設計研究院、故宮博物院、中科院遙感與數字地球所、中建八局和浙江大學共同完成的，這是我國建築學領域首次產生國家科技進步獎一等獎。在這個獲獎單位名單中，“故宮博物院”幾個字顯得與眾不同，格外典雅。
故宮博物院得以參與這個專案，主要是科學評估了中國明清官式木構古建築的抗震機制，提出了榫卯節點加固的改進方法，建立了明清官式木構古建築不同構造、節點及結構整體精細化有限元分析模型，提升了我國木結構文物的科學保護水平。
“這個大獎對故宮博物院來說是一項榮譽，是對幾代故宮人科學保護古建築的一種肯定。”說著周乾站起身，“走，咱們去太和殿現場看一下。”
初進宮遇上太和殿
紫禁城外朝中軸線上，矗立著三座重要的建築，由南至北分別是太和殿、中和殿、保和殿，其中太和殿俗稱金鑾殿，是紫禁城內規模最大、等級最高、體量最大的建築，也是中國現存最大的木結構宮殿建築。這裡是皇帝舉行重要儀式的地方，也是見證很多重要歷史時刻的地方。
“我很幸運，一進宮就遇上了太和殿。”周乾幽默地說。
2003年，周乾從北京工業大學碩士畢業，所學專業是防災減災與防護工程，側重於建築結構分析與安全評估。畢業前，周乾和幾名同學一起，參加了一場人才招聘會，就是在這個大集般的人才招聘會上，周乾投了多份簡歷，其中一份投給了故宮博物院。
很快，一家建築設計院決定錄用周乾。正當周乾準備去當一名建築設計師的時候，故宮博物院也向周乾拋來了橄欖枝。
儘管之前只去過一次故宮，但這個世界上最大的神秘古代宮殿群還是對周乾產生了巨大的吸引力。這個曾經的帝王之家，今日的文化聖殿，是中國傳統建築文化之經典。“進宮！”周乾從此放棄了從事建築設計的職業前景，來到故宮。“一入宮門深似海。”周乾笑著說，“故宮的學問太深了。”
初進宮周乾被分配在古建部，來報到才知道，當時整個故宮只有周乾一個人是學建築結構專業的。不僅如此，木構古建的結構分析與安全評估，在國內起步也只有二三十年，真正從事這項工作的工程師，屈指可數。
周乾是幸運的，一進宮就趕上了太和殿百年大修。太和殿自1697年至2003年，三百餘年間還從未經歷過大修。“古代工匠營建修繕建築都是採用口傳心授的方式，由師傅傳給徒弟，主要憑的是經驗，太和殿之前的幾次修繕也都是採用這樣的方式。這次大修，領導要求我現場勘查後進行結構力學計算，再進行安全評估，拿出修繕建議。”這段18年前的往事，周乾至今記憶猶新。
周乾被院裡委任負責古建築結構安全分析與評估工作，在這千載難逢的機遇中，周乾被古人的建築智慧深深折服，同時也開始思考，如何更好地保護這些美輪美奐的古代宮殿。此後兩年的時間裡，周乾為太和殿進行了一系列“體檢”，從安全形度為太和殿大修提供了重要的施工依據。
2008年，歷時兩年的太和殿大修終於完工，周乾在勘查計算分析後提出的修繕建議，均被採納。今天我們看到的太和殿，就是此次大修後的樣子。“這次太和殿大修，反映了中國古建築保護人員具備了對文物採取及時有效保護的能力和水平。”周乾不無自豪地說。
從太和殿開始，故宮古建開始大面積“體檢”，故宮角樓、神武門、英華殿、慈寧花園臨溪亭、乾隆花園建築群、鹹福宮建築群、建福宮建築群……迄今已有39座古建完成了建築安全評估。從現代結構力學的角度為故宮古建築“體檢”，這還是頭一遭。
登上中科院格致論道講壇《太和殿》演講
工地現場就是靈感源泉
周乾從小就愛動腦子，小時候雖然功課並不拔尖，但凡事好問個“為什麼”，到了大學，愛琢磨的周乾如魚得水，成績很快在同學中脫穎而出，參加工作之後，這個好習慣更是被他發揮得淋漓盡致。
在太和殿大修時，一個突出的問題就是榫卯節點的加固。周乾和同事勘查發現：太和殿三次間正身順梁出現較為嚴重的榫頭下沉問題，下沉量約為0。1米，且與榫頭相連線的童柱卯口出現開裂，而順梁的其他部位完好。
這是怎麼回事呢？周乾一面向有經驗的同事學習古建築大木構造的基本知識，一面查詢相關文獻，並結合有限元分析方法，建立順梁的力學分析模型。他發現榫頭破壞的主要原因是屋頂傳給順梁的重量過大，導致榫頭區域性受力破壞。之所以破壞發生在榫卯節點位置，而順梁其他部位完好，主要原因是榫頭與卯口在製作過程中削除了部分截面，使得該部位的抵抗力降低。
經過反覆研究比較，周乾提供了幾種可行的加固方案，經過專家論證，工程最終採用了傳統“龍門戧”式支頂的方法加固順梁。加固後的順梁至今完好。
5年後，周乾從北京工業大學土木工程專業（在職）博士畢業，博士論文題目是“中國古建築榫卯結構抗震效能與加固方法研究”，這篇論文的研究物件，就是太和殿大修工程中那根下沉順梁的榫頭。
2008年5月12日，四川汶川映秀鎮發生了里氏8。0級特大地震，震中最大烈度達11度。位於距映秀鎮189公里的劍閣縣覺苑寺，在此次地震中受到了一定的破壞。同年7月，應當地文物保護部門請求，經國家文物局推薦，周乾和同單位古建部、工程管理處的同事共7人赴覺苑寺，開展古建築群的震害勘查和評估。
這次評估的物件包括覺苑寺大雄寶殿、藏經樓、東西廂房、觀音閣、陸游館、文昌宮等多座建築。交通不便、條件簡陋、烈日暴曬、餘震頻發，周乾和隊友們想方設法克服各種困難，一週之內拍攝照片3000餘張，完成古建築結構安全評估初步分析報告約3萬字。
作為團隊中唯一的力學專業成員，開展震後評估的重任無疑落在了周乾肩上。每天不到五點，天還沒亮周乾就早早起床，仔細分析前一天勘查的照片資料，繪製當天需要勘查建築的草圖，除錯各種勘查裝置。天亮出發，周乾和隊友們珍惜每一秒時間，拍照、畫圖、測量、討論、記錄，不放過古建築每一個細節，努力做到完整、完善、科學地記錄古建築的震後現狀。晚上回到駐地，大家又一起討論古建築保護的相關問題，定製第二天的工作計劃。
知道災區急需評估報告，回京後，周乾馬不停蹄地整理勘查的影象和資料資料，迅速建立了古建築的地震評估力學模型，模擬汶川地震作用對上述古建築的破壞，分析不同古建築的震害原因，提出了科學有效的保護建議。這些建議後來均為當地文物管理部門採納。
機會總是眷顧那些有準備的人。完成對覺苑寺古建築群的震害評估及抗震加固相關工作後，周乾根據自己的研究心得，從力學專業角度出發，撰寫了《汶川地震古建築震害研究》《汶川地震導致的壁畫文物震害研究——以廣元市覺苑寺大雄寶殿壁畫為例》《汶川地震古建築輕度震害研究》《汶川地震含嵌固牆體木結構震害分析》《牆倒屋不塌是我國古建築木結構的重要抗震機理》等論文，較為全面地解讀了我國古建築木結構的構造特徵、抗震機理、震害特點，以及力學分析模型的建立方法、抗震效能評定方法、科學保護與加固方法等，對於我國古建築的抗震保護與維修加固提供了寶貴的影象和資料資料。
解碼古人抗震智慧
每每站在宮殿前，端詳宮殿的一梁一柱，一門一窗，周乾都有一種和古人對話的感覺——紫禁城裡這麼多秘密，你能破解多少？
自1420年至今，北京地區發生了大大小小的地震有222次，紫禁城均安然無恙。這其中的秘密是什麼呢？
中國古建築則以木結構為最常見，怕火但抗震效能良好。木結構古建具體是如何抗震減震的呢？能不能對其進行精準分析呢？在勘查太和殿的過程中，周乾逐漸萌生了一個大膽的想法：用現代科學解碼古建秘密。
“這是柱頂石，也叫柱礎。”周乾指著大殿簷柱根部的一塊不起眼的石頭說，“柱頂石是古代中國建築裝飾藝術的一個縮影，其主要作用就是緩衝地震。”
木製的柱子在地面很容易黴變腐敗，所以墊上柱頂石，使柱子高於地面防止腐變。仔細看，柱子並不是插進柱頂石中，而是平擺浮放在柱頂石上的，立柱與柱頂石並不存在拉接關係，柱頂石頂面面積大於木柱截面面積，在發生地震時，柱子根部反覆在柱頂石表面滑動，地震結束後可基本恢復到初始狀態，緩衝了地震的破壞作用，具有四兩撥千斤的效果。
紫禁城的營建頗像搭積木，這種“搭建”的營建方式，充分體現了中國傳統木作的精巧和科學。永樂四年（1406年），明成祖朱棣下詔，以南京皇宮為藍本，興建北京皇宮。營建紫禁城一共用了14年時間，其中11年用於準備工作，包括去全國各地開採各種木材和石材，再運輸到北京，其中過程歷盡艱辛。立柱和梁枋採用榫卯方式連線，正是採取了這樣的方式，古代工匠將木構件預先加工好，在現場直接安裝，真正“搭建”完成紫禁城9000多間房屋，只用了短短3年時間。
紫禁城的宮殿多為廡殿頂和歇山頂，碩大的屋頂披著橙黃色的琉璃瓦，和端莊大氣的紅牆共同組成華麗威嚴的皇家色調，在黃瓦紅牆之間，是青綠色的額枋以及鑲著金邊的斗拱。
一個個鬥形和弓形的木構件環環搭扣又層層疊加，緊密而有序，盡現中國古建繁複之美。斗拱，為了滿足高大宮殿屋頂出簷深遠的要求而生，並逐漸發展成為屋簷下一道美麗的風景。
“斗拱是集建築力學和美學於一體的典型。”周乾說自己在古建面前，總是習慣一邊欣賞一邊琢磨，喜歡從專業角度觀察古建的科學原理。
“斗拱的力學智慧精華在於它的抗震本領。斗拱由木材製成，很容易產生變形並可以迅速恢復原狀，斗拱在豎向由一層層構件疊加起來，就像一層層彈簧連起來。發生地震時，斗拱像彈簧一樣反覆做壓縮、復原運動，不斷消弱地震力。”周乾講得妙趣橫生，“斗拱還能產生自動恢復功能，猶如不倒翁，這是因為斗拱上部體積大但構件單體截面尺寸小，下部體積小但構件單體截面尺寸大。斗拱的重心位於斗拱的下方，在水平地震力的作用下，儘管產生搖擺但不易傾覆。”
周乾指著斗拱最底層的坐鬥說：“坐鬥截面尺寸最大，增大了斗拱與其底部的接觸面。斗拱這種彈簧特性，從科學的角度稱為‘隔震’。”周乾形象地打了一個比方，“就像霍元甲接西方拳師的拳頭，倒退幾步，以柔克剛。”
早年在故宮太和殿屋頂工作照
愛上“講故事”的科普達人
每一座古建築背後都有一個時代的故事，每一座古建築都是一部木頭與磚石構建的史書。作為一名古建築專家，周乾近年來熱衷於“講故事”，講故宮的故事，講古建築的故事。這樣的“跨界”，源於一次偶然的經歷。
2015年5月的一天，周乾推著腳踏車，由東向西穿過午門北廣場時，遇到一名導遊正興高采烈地指著太和門屋頂，給遊客們講屋頂小獸的來源。導遊說，在很久以前，天上有很多神仙，他們在一起做遊戲，累了後就下凡到人間，落在屋頂上，變成了小獸。這不是胡說嗎？屋頂設定小獸是因為屋脊部位的鋪瓦泥很厚，導致瓦件下滑，古代工匠為了避免這個問題，在瓦上固定了鐵釘，鐵釘長期暴露在空氣中會鏽蝕，因而工匠在鐵釘上做了套獸的造型。
這件事使得周乾陷入了深思。故宮古建築有著博大的文化和歷史內涵，需要去弘揚和傳承，但前提是需要準確地對其進行解讀。於是，周乾萌發了“準確講好故宮故事”的想法。
從2016年開始，周乾陸續在國內多個高校、博物館、圖書館開展故宮古建築文化講座，平均每年有五十餘場，成為一名地道的文化使者。《故宮古建築的力與美》《紫禁城古建築營建思想》《圖說紫禁城中軸線古建築》《故宮古建小獸像》《故宮宮廷生活設施解密》《太和殿——建築技藝、建築美學與建築文化》……每一場講座都廣受歡迎。
除了講座，周乾還撰寫了大量的適合於公眾閱讀的故宮古建築文章，《紫禁城也有“報警神器”》解讀了清代紫禁城內的警報裝置——石別拉的構造特點和使用方法；《紫禁城裡說“透風”》科普了紫禁城古建築牆體內的立柱很少糟朽的空氣動力學原理；《紫禁城的黃金外衣是怎麼“穿”上的》揭秘了紫禁城金碧輝煌外觀與古建築“貼金”技藝的關係；《“一畝三分地”：古代農業發展的樸素哲學觀》詮釋了“一畝三分地”說法的來源及明清帝王鼓勵春耕的主要做法；《雍正父子“發明”的機械風扇》介紹了紫禁城清代帝王研發的機械風扇及使用方法；《古建築修復竟敢“偷樑換柱”》再現了故宮太和殿大修時採用的“偷樑換柱”加固技術……這些文章科學、客觀、真實地解讀故宮古建築包含的古代科學、歷史、文化和藝術，內容豐富有趣，周乾也坐實了古建築界“科普達人”的稱號。
從工程師、高階工程師到研究館員，從古建專家到文化使者、科普達人，人生不設限，職場就沒有天花板。周乾說：“這種無限可能正是故宮帶給我的，我非常幸運。”