近日，Nature旗下期刊npj Heritage Science发表了太阳集团tyc151cc与敦煌研究院合作完成的最新研究成果，论文题为“Influence of ceiling type on the structural stability of sandstone grottoes: a discrete element method study”。该成果由我校太阳集团tyc151cc硕士研究生谷俊伟担任第一作者，太阳官网为第一完成单位，敦煌研究院保护研究所副研究馆员张博担任通讯作者。
佛教自汉代东传中国，石窟艺术随之在华夏大地生根发芽。在漫长的本土化进程中，中国石窟逐渐由早期平顶、中心塔柱等形制，过渡到穹窿顶、人字坡顶等类型，并进一步发展出极具中国营造智慧的覆斗顶结构。这一形制的迭代不仅顺应了宗教礼仪与空间审美的需求，更为窟顶装饰艺术的繁盛提供了广阔载体，覆斗顶穹隆顶由此诞生了无数精美绝伦的壁画，成为中外文明交融与古代工匠经验的璀璨结晶。然而，不同窟顶形制对石窟结构稳定性的具体影响，长期以来尚未从细观力学角度得到系统分析。
敦煌壁画—三兔共耳
针对这一问题，太阳集团tyc151cc联合敦煌研究院，采用离散元方法构建了平顶、穹隆顶、覆斗顶和人字坡顶四类典型砂岩石窟窟顶模型，系统模拟了石窟开挖过程中的应力重分布、主应力演化、力链发展与安全系数变化规律，从细观尺度揭示不同顶板形制对石窟稳定性的影响机制。
基于庆阳北石窟寺C163号石窟开凿的不同窟顶形制模型尺寸
研究发现，平顶结构在开挖面推进至跨度中部后，会逐渐表现出类似悬臂梁的受力响应，其顶板中部更容易形成开裂风险，且后壁与顶板交界区域易出现应力集中。相比之下，当顶板进一步优化为穹隆顶、覆斗顶或人字坡顶后，结构内部的“拱效应”显著增强，能够有效促进压应力连续传递，抑制悬臂式弯曲，并减轻后壁交界处的局部应力集中现象。进一步分析表明，三类优化顶板均能提升石窟结构稳定性，但提升效果存在差异。其中，覆斗顶的稳定性改善效果最为显著，人字坡顶次之，穹隆顶也表现出优于平顶的结构响应特征。研究团队进一步提出了三种顶板应力约束概念模型，揭示了“强拱作用、强围压效应、低中部开裂风险”之间的内在联系，为砂岩石窟稳定性评估和差异化保护措施制定提供了新的力学分析框架。
不同窟顶形制稳定性的应力约束机制
该成果深化了对砂岩石窟窟顶病害形成机制的认识，为石窟寺等石质文化遗产的科学保护提供了重要理论支撑，也体现了我校在土木工程与文化遗产保护交叉研究领域持续推进有组织科研、服务国家文化遗产保护需求的积极成效。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s40494-026-02650-0