本文摘要：摘要：古建木結構是華夏民族的寶貴財富，但歷經數百年服役后存在不同類型和程度的殘損現象，降低了結構的安全性能。選取北京故宮內的同道堂為對象，通過現場勘查和殘損分析，獲得結構柱框層、斗栱層和梁架層中典型的殘損類型、特征、影響、數量和分布規(guī)律，
摘要：古建木結構是華夏民族的寶貴財富，但歷經數百年服役后存在不同類型和程度的殘損現象，降低了結構的安全性能。選取北京故宮內的同道堂為對象，通過現場勘查和殘損分析，獲得結構柱框層、斗栱層和梁架層中典型的殘損類型、特征、影響、數量和分布規(guī)律，并對其殘損成因進行歸納，提出相應的保護建議。研究結果表明：結構的殘損類型主要包括構件開裂、糟朽、缺失、歪閃、分離和榫卯節(jié)點拔榫等，其中斗栱層殘損狀況最為復雜和嚴重;結構殘損成因可歸納為材性退化和木材缺陷、生物侵蝕和自然環(huán)境變化、長期復雜的荷載效應以及不合理的修繕措施;建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)、加強生物病害防治、推進木結構力學性能的基礎研究等是古建筑保護和修繕的重要基礎和手段。
關鍵詞：古建筑;木結構;殘損類型;殘損分布;殘損成因;保護建議
明清官式木構是中國古建筑發(fā)展和演變的集大成者和典型代表[1]，具有極高的文化、歷史和科學價值。然而，在各種自然和人為因素的長期作用下，歷經數百年歷史的古建筑存在不同類型和程度的殘損現象，降低結構的受力性能，進而威脅結構的安全性。因此，明確古建木構的殘損和分布特征，是準確進行結構狀態(tài)評估并采取合理修繕措施的重要前提和基礎。目前，學者們對古建木結構的殘損現象開展了大量的調研和分析工作。
李鐵英等[2]和Qiao等[3]在總結應縣木塔和飛云樓的殘損類型的基礎上，劃分柱、額枋和鋪作的殘損等級，歸納殘損原因，并從材性、變形和殘損分布等方面分析了木塔和樓閣的受力現狀。淳慶等[4]對寧波保國寺的現場勘查發(fā)現，結構殘損包括基礎沉降、構件傾斜、劈裂和榫卯拔榫等，并提出增設硬木暗銷和采用CFRP包裹等的加固建議。Li等[5]和楊娜等[6]整理了典型藏式古建筑的殘損類型，分析其殘損形成的原因，并通過模型試驗研究了弓木尺寸和暗銷位置對梁柱節(jié)點轉動剛度和抗彎承載力的影響。
謝啟芳等[7]、潘毅等[8]和周乾等[9]對汶川地震區(qū)的古建筑進行現場調研，獲得并整理了古建木結構中包括節(jié)點、木柱、梁架和墻體的典型震害現象。王娟等[10]以唐代殿堂型木結構為對象，探究了斗拱–梁架一體化鋪作層構造、柱腳管腳榫形式、豎向荷載大小和位置對木構架滯回耗能和抗側力性能的影響。
然而，現有的研究大多針對明代以前的木結構，而且未給出詳細的殘損數量及其分布。由于不同年代的古建筑的構造特征和服役時間不同，結構殘損特征存在差異。為更好地指導明清官式古建木結構的保護工作，亟需開展其結構殘損的調查和分析研究。筆者以北京故宮博物院內具有典型明清官式古建木結構特征的同道堂為對象，對不同高度的結構層進行現場殘損勘查，分析各種殘損類型的特征、影響、數量和分布規(guī)律，并歸納結構殘損成因，以期為明清官式古建筑在殘損現狀下的受力性能、安全評估和修繕加固工作提供參考和依據。
1勘查概況
1.1勘查對象
同道堂始建于明永樂十八年(1420年)，位于北京故宮博物院西北角的咸福宮內。同道堂面闊5間，東西向縱長21.16m，南北向橫寬7.82m，柱高3.64m，屋脊高度8.18m。屋頂為歇山頂形式，頂覆黃琉璃瓦，立柱浮擱于礎石之上，梁柱節(jié)點采用榫卯連接。檐下為單昂三踩斗栱，梁枋飾以龍鳳和璽彩畫，前檐明間安槅扇門、簾架，左右兩次間為檻墻、支摘窗，后檐墻不開窗。整個結構為典型明清官式建筑做法結構。
對同道堂進行大修的最新記錄為1929年，距今已近百年。在各種環(huán)境和荷載等因素的長期作用下，結構出現了不同類型和程度的殘損現象，降低了結構的安全性能，目前該結構已暫停對游客開放。本次勘查主要針對同道堂的木構架，從下往上對各部位的殘損現象進行排查和記錄，分析和歸納其殘損特征、影響和成因，并統(tǒng)計各種殘損類型的數量、比例和分布情況，為今后修繕工作提供依據。
1.2結構分層與編號
同道堂為抬梁式結構，各構件通過榫卯、斗栱和柱腳等節(jié)點相互連接，結構平面呈對稱布置，其木結構體系按空間高度和傳力路徑可分為3個結構層：柱框層、斗栱層和梁架層，各結構層自下而上逐層搭建，落架成屋。為便于各部件殘損的指定說明，對各結構層的構件采用如下的編號命名規(guī)律。
2典型殘損類型的特征及分布
2.1柱框層殘損
在結構的傳力體系中，柱框層起到將梁架層和斗栱層的荷載傳遞給臺基的作用。立柱為整體結構受力的最關鍵構件，尺寸通常較大，其截面應力遠低于木材的順紋抗壓強度，但在長期復雜的服役歷史中，柱框層會出現一定的殘損現象。經檢測，同道堂立柱所用樹種為潤楠(Machilussp.)。
2.1.1殘損類型及特征
1)柱腳糟朽特征和成因：柱腳木質粉化嚴重，有效承載面積被削弱，最嚴重的情況剩余承載面積不足50%。柱腳浮擱于礎石上，易受雨水浸泡而糟爛，或在蟲蛀侵蝕下致使木質分解粉化。影響：柱腳糟朽使最外層木材喪失強度，進而使有效承載面積減小，不僅降低立柱的豎向承壓能力，還降低了柱腳節(jié)點的轉動剛度和抗傾覆彎矩[11]。
2)柱身糟朽和開裂特征和成因：柱身糟朽常見于夾在墻內的立柱;柱身開裂多沿順紋方向，嚴重時甚至貫通立柱。對于墻內的立柱，其通風性差，在潮濕環(huán)境下易遭受木腐菌或蟲蟻的侵蝕而致柱身糟朽;木材弦向和徑向干縮系數差異較大[12]，在溫濕度的長期交替變化下，柱身開裂。影響：柱身糟朽會削弱木柱的有效承載面積，而順紋裂縫一般不會顯著降低其承壓能力[13]。然而，裂縫的形成和擴展會使立柱內部的木纖維暴露于空氣中而加速其老化，甚至引起或加劇墻內木柱的糟朽，致使木柱的材料強度和承壓能力降低[14]。
3)柱頭破損特征和成因：柱頭有直徑為3~5mm的孔洞，主要分布在南側立柱上。經考證，孔洞為采用微損傷檢測手段或鉆釘施工中留下的。
2.1.2殘損數量及分布
柱框層的殘損類型、編號和數量，其中柱腳糟朽3處，柱身開裂1處而柱頭破損5處。柱腳糟朽均發(fā)生在夾在墻內的立柱中。需要注意的是，由于北側、東側和西側的墻體遮擋，部分構件無法觀測。
2.2斗栱層殘損斗栱層是由方形的斗和弓形的栱或翹通過疊壓咬合的方式形成的復雜節(jié)點群，起到將屋架荷載均勻地傳遞給柱框層的作用，是結構抗震耗能的關鍵部位[7-9]。現場勘查發(fā)現斗栱層殘損狀況最為嚴重，且殘損類型最為繁雜。
2.2.1殘損類型及特征
1)構件分離和松動特征和成因：多為三才升(小斗)和里拽瓜栱或里拽枋之間的分離和松動。由于豎向荷載主要集中在大斗正上方，在荷載的長期作用下，栱將發(fā)生翹起變形，使小斗與栱發(fā)生分離。影響：分離和松動導致構件之間無壓力作用，這意味著小斗已失去其承壓和傳力功能，進而降低了斗栱在豎向的承壓剛度和承載力。對其他宮殿進行勘查發(fā)現，此類殘損較為普遍。
2)構件裂紋和劈裂特征和成因：構件表面常見龜裂狀的細短裂紋;部分構件出現嚴重的劈裂現象。龜裂狀裂紋主要由環(huán)境的溫濕度交替變化引起的，構件劈裂則是因局部修繕時打入鐵釘造成的。影響：龜裂狀裂紋對木材橫紋抗壓強度影響不大，構件劈裂是因粗糙的處理方式造成的，打入鐵釘是為將大斗和梁枋等龍骨構件連接起來，以實現斗栱層受力時拉拽龍骨，但這樣會破壞原有構件的完整性，并非符合規(guī)范[15]的做法。
3)翹缺失特征和成因。在重屋蓋的長期作用下，翹會發(fā)生順紋方向的劈裂，劈裂部位易掉落而致翹缺失;現場發(fā)現部分翹缺失的斷面較整齊，也可能是局部維修中為替換大斗而將翹劈砍掉的結果，這是一種粗糙的處理方式。影響：翹缺失導致其失去原來位置的承壓功能，降低斗栱在豎向荷載下的剛度和承載力。
3結構殘損的成因歸納
3.1木材缺陷和材性退化
作為一種天然的生物材料，木材常伴有髓心、木節(jié)和裂紋等初始缺陷。髓心木的力學性能指標極低，木節(jié)會造成應力集中和裂紋擴展，而裂縫會降低木梁的抗彎性能[13]。隨著時間推移，木材中纖維素降解，水分減少而抽提物增多，木纖維間組織構造日趨稀松，宏觀上表現為材料脆性和硬度增大，彈性模量和強度降低[18]，進而導致結構的剛度和承載力下降，構件撓曲和承壓變形增大。
應縣木塔、北岳廟、揚州古屋和景清門的古舊木材力學性能退化情況[19-21]。不同樹種的木材性能退化程度不同，如景清門的楊木的順紋抗拉強度、抗彎強度和彈性模量的退化率較其他樹種大;而相同樹種的木材，由于其服役年限和環(huán)境的差異，其力學性能也存在差異，如北岳廟和揚州古屋的云杉的材性退化程度不同。
3.2生物侵蝕和自然環(huán)境變化
生物侵蝕主要包括木腐菌和蟲蟻的入侵，這是威脅木結構耐久性的重要因素。木腐菌會由外而內逐步侵蝕木材，分解其纖維素和木質素等有機物組分，使其失去原木特征。
4古建筑的保護建議
4.1建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)
基于光纖光柵傳感器的無線傳輸數據技術，可建立古建木結構關鍵部位的溫度、濕度、應變和位移等信息的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。利用多元線性回歸模型、季節(jié)乘積ARIMA-GARCH模型對監(jiān)測數據的變化因素進行控制，然后基于單值–移動極差控制圖、EWMA控制圖和EWRMS控制圖對異常進行診斷[25]，可以實時掌握結構的受力狀態(tài)，并為控制游客數量的判定提供依據。利用SSA對長期監(jiān)測數據進行分解和重構，可對結構未來的響應及趨勢進行預測[26]。
一方面，對比預測值和實測值的差異，可實時掌握結構的殘損變化;另一方面，預測模型還能給出結構在未來服役中的安全概率，為管理者采取干預措施提供判斷的依據，實現由“搶救性和被動性保護”向“預防性和主動性保護”轉變的科學理念。
4.2加強木材防腐防蟲的生物病害防治
木腐菌和蟲蟻的侵蝕是威脅古建木結構耐久性的重要因素，生物病害問題在潮濕環(huán)境中更為嚴峻。防治措施可包括：1)將木材含水率控制在25%以下，可有效抑制木腐菌的滋生[27];2)在構件表面涂刷蠟乳濁液、胡桃醌等可降低木材的吸濕性，進而有效減緩木腐菌的侵蝕[27];3)在立柱表面外包保護層;4)保持構件干燥通風，特別是控制密閉夾縫處的溫濕度，破壞木腐菌和蟲蟻的生存環(huán)境條件;5)定期對各構件進行檢查，一經發(fā)現菌斑或蟲卵就立即進行清除，防患于未然。
4.3積極開展古建木結構的基礎研究
正確認識古建木結構的基本受力性能是開展修繕和加固工作的前提。應開展更多且全面的針對古建木結構的基礎研究，包括節(jié)點、構件和整體結構的靜動力性能、木材材性增強劑和防腐防蟲涂料的研制、CFRP和記憶合金等新型材料[28-31]和無損掃描技術在木結構加固和檢測中的應用適應性等，形成科學系統(tǒng)的分析理論和計算方法，進一步完善相關規(guī)范和標準[15]，并提出準確合理又行之有效的修繕和加固方法。如此，還能避免因不合理的人為修繕措施而造成的古建筑殘損加劇。
力學論文投稿刊物：《工程力學》是中國科協(xié)主管、中國力學學會主辦，清華大學土木工程系承辦的以工程應用為特點的全國綜合性學術刊物。主要報導力學在工程及結構中的應用，刊登力學在科研、設計、施工、教學和生產方面具有學術水平、創(chuàng)造性和實用價值的論文，包括力學在土木建筑、水工港工、公路鐵路、橋梁隧道、航海造船、航空航天、礦山冶金、機械化工、國防軍工、防災減災、能源環(huán)保等工程中的應用且具有一定學術水平的研究成果。
5結論
1)同道堂的木結構體系按空間高度和傳力路徑可分為柱框層、斗栱層和梁架層。柱框層殘損包括柱腳糟朽、柱身糟朽、開裂額柱頭破損;斗栱層殘損包括構件松動分離、裂紋劈裂、翹缺失、不協(xié)調的新材替換舊材、斗栱整體傾斜、小斗缺失、歪閃、斗耳順紋開裂、暗銷缺失、大斗斗耳劈裂和底座被鑿削;梁架層殘損包括檁三件開裂、分離、局部破損、蟲蛀糟朽、榫卯節(jié)點拔榫和梁開裂。其中，斗栱層的殘損類型和數量最多，殘損狀況最為嚴重。
2)古建木結構殘損成因比較復雜，但可主要歸納為：材性退化和木材缺陷、生物侵蝕和自然環(huán)境變化、長期復雜的荷載效應以及不合理的修繕措施。3)建立古建筑木結構關鍵部位的溫度、濕度、應變和位移等信息的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)、加強木材防腐防蟲的生物病害防治、并開展包括結構靜動力性能、木材材性增強劑、防腐防蟲涂料、CFRP和記憶合金等新型材料研制的基礎研究，是古建筑保護和修繕的重要基礎和方法。
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作者：秦術杰1,2，楊娜2，曹寶珠1，董金爽1
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