北京市清代雍和門結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定

張　濤，杜德杰，黎冬青，徐福泉，陳勇平

(1. 北京市古代建筑研究所，北京　100050； 2. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京　100013； 3. 中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所，北京　100191)

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北京市清代雍和門結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定

張濤1，杜德杰2，黎冬青1，徐福泉2，陳勇平3

(1. 北京市古代建筑研究所，北京100050； 2. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京100013； 3. 中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所，北京100191)

摘要：北京市集中了很多優(yōu)秀的古建筑木結(jié)構(gòu)，但由于年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)經(jīng)受了各種自然災(zāi)害及人為因素的影響，已出現(xiàn)不同程度的損壞現(xiàn)象，有些甚至面臨倒塌破壞的危險(xiǎn)。為了準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)潛在的安全隱患，有必要對(duì)現(xiàn)有的古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)鑒定。本研究以雍和門為例，介紹了此類建筑的檢測(cè)鑒定方法。首先完成了結(jié)構(gòu)的圖紙測(cè)繪工作，并對(duì)結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件及主要節(jié)點(diǎn)的受力和變形狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的勘察測(cè)量，同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中采用了多種無(wú)(微)損檢測(cè)技術(shù)，如采用探地雷達(dá)對(duì)地基基礎(chǔ)情況進(jìn)行了探查，采用微鉆阻力儀、應(yīng)力波掃描儀等無(wú)(微)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)木構(gòu)件材質(zhì)情況進(jìn)行了檢測(cè)，采用脈動(dòng)測(cè)試法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)試分析，并對(duì)部分木構(gòu)件進(jìn)行了樹種鑒定。最后，基于以上檢測(cè)結(jié)果對(duì)雍和門結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了鑒定和評(píng)級(jí)。研究結(jié)果可為類似建筑的檢測(cè)鑒定提供參考。

關(guān)鍵詞：雍和門；古建筑；木結(jié)構(gòu)；無(wú)(微)損；檢測(cè)；鑒定

0　引　言

北京市文物古建筑繁多，古建筑從建筑材料上主要可分為木、磚、石、土及其混合結(jié)構(gòu)等類型，其中以木結(jié)構(gòu)分布最為廣泛。木結(jié)構(gòu)存在容易腐朽、蟲蛀及遭受火災(zāi)等缺點(diǎn)，這導(dǎo)致了早期木結(jié)構(gòu)遺址較少，現(xiàn)存木結(jié)構(gòu)以明清兩代為主。北京為明清兩代的都城，集中了很多明清時(shí)代的優(yōu)秀木結(jié)構(gòu)，這些古建筑木結(jié)構(gòu)是我國(guó)寶貴的建筑文化遺產(chǎn)，具有非常珍貴的歷史價(jià)值，但由于年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)經(jīng)受了各種自然災(zāi)害及人為因素的影響，

圖1　雍和門房屋南立面照片F(xiàn)ig.1　Building photos of south facades

已出現(xiàn)不同程度的損壞現(xiàn)象，有些甚至面臨倒塌破壞的危險(xiǎn)。為了準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)潛在的安全隱患，有必要對(duì)現(xiàn)有的古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)鑒定。本研究主要通過(guò)對(duì)北京市雍和門木結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定[1-3]，為類似建筑的檢測(cè)鑒定提供參考。

1　工程概況

雍和宮位于北京市東城區(qū)雍和宮大街路東，約建于清康熙三十三年(1694年)，是北京市內(nèi)最大的藏傳佛教寺院。1961年，被公布為第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。1983年被國(guó)務(wù)院確定為漢族地區(qū)佛教全國(guó)重點(diǎn)寺院。該寺院主要由三座牌坊，雍和門、雍和宮大殿、永佑殿、法輪殿、萬(wàn)福閣、綏成殿六進(jìn)大殿及七進(jìn)院落組成，雍和門房屋南立面照片見圖1，總平面簡(jiǎn)圖見圖2所示。本研究對(duì)雍和門的檢測(cè)情況進(jìn)行了介紹。

2　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1圖紙測(cè)繪

在歷史測(cè)繪資料的基礎(chǔ)上，對(duì)雍和門結(jié)構(gòu)平立面及主要構(gòu)件的尺寸進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)繪，部分測(cè)繪圖見圖3～5所示。

圖2　雍和宮總平面簡(jiǎn)圖Fig.2　General layout plan of the Yonghegong Temple

圖3　雍和門建筑平面測(cè)繪圖Fig.3　Mapping plan of building

圖4　雍和門建筑南立面測(cè)繪圖Fig.4　Southern facade of building

圖5　雍和門明間剖面圖Fig.5　Profile of the middle room

2.2地基基礎(chǔ)檢測(cè)及結(jié)果

1) 基礎(chǔ)形式。房屋基礎(chǔ)為直方型臺(tái)基，臺(tái)幫及臺(tái)面均由石材砌成，臺(tái)明高度1.05m。

2) 材質(zhì)狀況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，臺(tái)基石材基本完好，僅少量臺(tái)基石因風(fēng)化產(chǎn)生酥堿剝離和斷裂。臺(tái)基照片見圖6所示。

圖6　雍和門臺(tái)基照片F(xiàn)ig.6　Photos of foundation

3) 地基基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)。為探明地基基礎(chǔ)存在的空洞、裂縫隱患，同時(shí)又不對(duì)建筑物本身產(chǎn)生破壞作用，本次檢測(cè)采用探地雷達(dá)對(duì)結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)進(jìn)行探查。

探地雷達(dá)技術(shù)是以不同介質(zhì)間電性差異為基礎(chǔ)的一種物探方法，利用高頻脈沖電磁波在媒質(zhì)電磁特性不連續(xù)處產(chǎn)生的反射和散射來(lái)確定目標(biāo)體內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律，具有無(wú)損、快速、精度高、分辨率高、操作方便諸多優(yōu)點(diǎn)，比較適宜于古建文物結(jié)構(gòu)的探測(cè)。

本次采用的Zond-12地質(zhì)雷達(dá)，天線頻率為300MHz，對(duì)建筑散水外側(cè)的地面和室內(nèi)地面進(jìn)行雷達(dá)掃描探查，雷達(dá)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片見圖7，測(cè)試結(jié)果見圖8～9。經(jīng)探查發(fā)現(xiàn)，散水外側(cè)地面下方未發(fā)現(xiàn)明顯空洞等缺陷的跡象，但局部地基含水量較大，導(dǎo)致反射波衰減程度較大；室內(nèi)地面未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷的跡象，雷達(dá)探查結(jié)果可作為以后進(jìn)一步檢查的參考。

圖7　雷達(dá)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.7　Photos of radar test

圖8　部分室外地面雷達(dá)掃描圖Fig.8　Part of the image of the outdoor ground radar scan

4) 地基基礎(chǔ)變形及承載狀況。臺(tái)基及上部結(jié)構(gòu)未見因地基不均勻沉降而導(dǎo)致的明顯裂縫和變形。為準(zhǔn)確了解臺(tái)基的變形情況，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)房屋的柱礎(chǔ)石上表面的相對(duì)高差進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，柱礎(chǔ)石之間存在一定程度的高差，C-5軸處柱礎(chǔ)與西南角A-1軸處柱礎(chǔ)之間的相對(duì)高差最大，為23mm。由于結(jié)構(gòu)初期可能存在施工偏差，此部分高差不完全是地基的沉降差。鑒于目前未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在因地基不均勻沉降而導(dǎo)致的明顯損壞現(xiàn)象，表明建筑的地基基礎(chǔ)承載狀況基本良好，可僅在后期對(duì)柱礎(chǔ)石的相對(duì)高差進(jìn)行持續(xù)觀察測(cè)量。如出現(xiàn)明顯異常，再采取相關(guān)措施。

2.3承重木結(jié)構(gòu)檢測(cè)及結(jié)果

2.3.1木材材質(zhì)狀況勘察

1) 勘查方法。通過(guò)觀測(cè)、敲擊等方式對(duì)該建筑單體所有能觸及的木構(gòu)件進(jìn)行普查，記錄木構(gòu)件的材質(zhì)狀況，包括含水率概況，開裂、腐朽等，對(duì)部分存在問(wèn)題的木柱構(gòu)件再利用阻力儀或三維應(yīng)力波斷層掃描設(shè)備等無(wú)損檢測(cè)儀器進(jìn)行深層分析。

阻力儀是利用微型探針在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，以恒定速度將一根直徑約為1.5mm的探針刺入木材內(nèi)部，從而測(cè)出木材相對(duì)阻力的一種木材微損檢測(cè)設(shè)備。阻力儀通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)把探針在木材中產(chǎn)生的阻力參數(shù)計(jì)入到內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡中并換算后顯示出阻力曲線圖像。阻力儀檢測(cè)值和木材的密度正相關(guān)，阻力的大小能反映出密度大小的變化，所以根據(jù)阻力儀曲線的高低對(duì)比健康材數(shù)據(jù)就可以找出阻力儀檢測(cè)值和構(gòu)件殘余物理力學(xué)性能(密度、彈模等)的關(guān)系。通過(guò)阻力儀在不同位置進(jìn)針探測(cè)可以得到缺陷的平面和立體圖[4]。阻力儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片見圖10所示。

應(yīng)力波斷層掃描儀主要由傳感器和計(jì)算系統(tǒng)組成。其工作原理：通過(guò)敲擊安裝在被檢測(cè)木構(gòu)件上的傳感器，使之產(chǎn)生應(yīng)力波。根據(jù)應(yīng)力波的傳播速度，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，直接顯示木構(gòu)件內(nèi)部缺陷的圖像，用以判定木材內(nèi)部質(zhì)量[5]。應(yīng)力波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片見圖11所示。

圖11　應(yīng)力波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片F(xiàn)ig.11　Photos of stress wave test

2) 勘察結(jié)果?？辈旌剩庥^檢查，木柱深層檢測(cè)三種情況。

(1) 含水率。此次勘查所測(cè)得數(shù)據(jù)顯示，雍和門木構(gòu)件含水率大多在12%～18%之間。

(2) 外觀檢查。屋頂內(nèi)梁枋檁等木構(gòu)件多處存在干縮裂縫，其余木構(gòu)件未見明顯腐朽等缺陷。

(3) 木柱深層檢測(cè)情況。經(jīng)普查，木柱材質(zhì)均較好，沒有明顯的腐朽，為了進(jìn)一步檢查木柱材質(zhì)情況，抽取了普查中含水率略高或敲擊稍有異常的A-1、A-2、A-6、B-3、B-4、C-3、C-4軸等木柱，進(jìn)行了阻力儀和三維應(yīng)力波斷層掃描儀的深層檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，抽查木柱未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。

阻力儀測(cè)試結(jié)果：圖12～13為部分木柱的阻力儀測(cè)試結(jié)果，阻力儀檢測(cè)結(jié)果中，橘紅色區(qū)域表示木材可能存在中度腐朽；紅色區(qū)域表示木材可能存在重度腐朽或裂縫。

圖12　A-6軸木柱阻力儀檢測(cè)結(jié)果Fig.12　Resistograph test results of the A-6 axis column

圖13　C-4軸木柱阻力儀檢測(cè)結(jié)果Fig.13　Resistograph test results of the C-4 axis column

三維應(yīng)力波斷層掃描儀測(cè)試結(jié)果：圖14～15為部分木柱的應(yīng)力波斷層掃描儀測(cè)試結(jié)果，圖16為應(yīng)力波斷層掃描儀結(jié)果的材質(zhì)缺陷判定顏色條，由左至右從健康材質(zhì)逐漸過(guò)渡為腐朽材質(zhì)。

圖14　B-3軸木柱材質(zhì)勘查情況Fig.14　Stress wave test results of the B-3 axis column

圖15　C-4軸木柱材質(zhì)勘查情況Fig.15　Stress wave test results of the C-4 axis column

圖16應(yīng)力波缺陷判定顏色條

Fig.16Color bar of tress wave to judge defects

2.3.2木構(gòu)件樹種鑒定通過(guò)樹種鑒定可以獲得該建筑使用木材的物理力學(xué)性質(zhì)等特性，從而為木構(gòu)架的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及后期需要替換時(shí)進(jìn)行選材提供依據(jù)。在不影響建筑外觀及不破壞結(jié)構(gòu)和功能的前提條件下，對(duì)部分木構(gòu)件進(jìn)行取樣，經(jīng)專業(yè)人員切片、制片，再由有關(guān)專家通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，并查閱相關(guān)資料進(jìn)行分析比對(duì)后得出樹種鑒定結(jié)果，部分樹種鑒定結(jié)果見表1。

表1　部分木構(gòu)件樹種鑒定結(jié)果

2.3.3主要木構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)分析了5種情況。

1) 木柱基本保持原狀，沒有明顯的彎曲變形，柱腳與柱礎(chǔ)抵承狀況良好，未發(fā)現(xiàn)柱腳滑移。

2) 部分梁端存在因受力引起的劈裂現(xiàn)象。

3) 梁、柱間的連系出現(xiàn)松動(dòng)，部分榫卯出現(xiàn)拔榫。拔榫情況主要出現(xiàn)在北側(cè)C軸金柱兩側(cè)，金柱與六架梁及單步梁拔榫情況比較普遍，梁架中多處脊柱及童柱等構(gòu)件卯口下方劈裂的現(xiàn)象，其中個(gè)別榫頭拔出長(zhǎng)度超過(guò)榫頭的2/5，以及卯口出現(xiàn)受力劈裂的情況，均屬于GB 50165-92《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》中評(píng)定的殘損點(diǎn)。

分析原因主要為：梁架為九檁，六架梁出單、雙步梁的形式，金柱將梁架分成兩段，兩段之間的聯(lián)系主要依靠單步梁、雙步梁及抱頭梁和中柱的榫卯連接，而榫卯類型均為半榫，由于半榫連接作用較差，在外力作用下容易出現(xiàn)拔榫現(xiàn)象而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散。

4) 斗拱未見明顯損壞情況。

5) 各軸單步梁及六架梁均已用扁鋼進(jìn)行了拉結(jié)加固，其他殘損點(diǎn)未進(jìn)行處理。

典型的木梁架照片見圖17所示，部分結(jié)構(gòu)殘損照片見圖18和圖19。

圖17　木梁架照片F(xiàn)ig.17　Photos of timber beam

圖18　2軸北側(cè)上金枋與童柱連接處拔榫Fig.18　Photos of mortise extraction

圖19　1軸脊柱卯口下方劈裂Fig.19　Photos of splitting mortise

2.3.4木構(gòu)架整體性現(xiàn)場(chǎng)對(duì)木柱的傾斜程度進(jìn)行了測(cè)量[6]，測(cè)量結(jié)果見圖20所示，圖中柱邊的數(shù)據(jù)表示柱底部3m的高度范圍內(nèi)上端和下端的相對(duì)垂直偏差，數(shù)字的位置表示柱上部偏移的方向。由圖20可見，北側(cè)金、檐柱的上端基本上都向南側(cè)偏移，南側(cè)金柱2-A軸、3-A軸處柱向南側(cè)偏移，2-A軸、3-A軸處柱向北側(cè)偏移。

圖20　木柱傾斜測(cè)量結(jié)果(mm)Fig.20　Tilt measurement results of column表2　木柱傾斜測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2　Statistic table of tilt measurement results

序號(hào)柱軸線柱頂偏移量/mm(3m標(biāo)距)柱頂偏移方向傾斜量/%12-A7偏南0.2323-A28偏南0.9334-A17偏北0.5745-A10偏北0.3353-C17偏南0.5764-C3偏南0.1072-D34偏南1.1383-D43偏南1.4394-D28偏南0.93105-D18偏南0.60

古建常規(guī)做法中，金柱和檐柱一般設(shè)置側(cè)腳，會(huì)向中間偏移，2-A、3-A軸柱目前的偏移程度與建造時(shí)存在差異，有向外傾的趨勢(shì)，傾斜程度未超出規(guī)范的限制。

2.3.5結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試及結(jié)果結(jié)構(gòu)固有頻率是結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的基本參數(shù)，結(jié)構(gòu)的固有頻率與質(zhì)量和剛度有關(guān)，建筑平面體型、墻體布置、柱高度、結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷等因素都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的剛度。GB/T 50452-2008《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》提出了古建筑木結(jié)構(gòu)的水平固有頻率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，公式的計(jì)算結(jié)果主要與結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)高度相關(guān)[7]。實(shí)測(cè)得到結(jié)構(gòu)固有頻率后，可以與規(guī)范計(jì)算結(jié)果或類似形制的古建筑木結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的整體性是否存在明顯異常，同時(shí)也可以預(yù)防結(jié)構(gòu)的共振危害。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)脈動(dòng)法測(cè)量結(jié)構(gòu)的固有頻率，地脈動(dòng)是一種很小的振動(dòng)信號(hào)，來(lái)源于地殼內(nèi)部微小振動(dòng)、地面車輛振動(dòng)以及風(fēng)引起的振動(dòng)等。可通過(guò)高精度的傳感器和數(shù)采系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)對(duì)地脈動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)。脈動(dòng)法的本質(zhì)是一個(gè)寬頻帶的激振源對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振，當(dāng)某個(gè)頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的共振，即通過(guò)結(jié)構(gòu)這一系統(tǒng)對(duì)激振源中與結(jié)構(gòu)固有頻率接近的頻率進(jìn)行放大處理，從而得到結(jié)構(gòu)的自振頻率。

本次使用超低頻測(cè)振儀及數(shù)據(jù)采集分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)振儀放置在6軸梁架的天花梁上，測(cè)試結(jié)果見圖21所示。經(jīng)測(cè)試，結(jié)構(gòu)基頻為3.00Hz。根據(jù)GB/T 50452-2008，固有頻率f1=λ1φ/2πH=1.571×52/(2×3.14×4.830)=2.69Hz，與測(cè)試結(jié)果3.00Hz接近。

圖21　振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Fig.21　Results of vibration measurement

3　檢測(cè)鑒定結(jié)果

根據(jù)前面的檢測(cè)及測(cè)試結(jié)果，目前，結(jié)構(gòu)整體性能基本良好，僅在連接部位中存在若干殘損點(diǎn)，尚不顯著影響結(jié)構(gòu)的整體承載，依據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》(GB 50165-92)，可評(píng)為2類建筑，需要對(duì)殘損點(diǎn)進(jìn)行處理或進(jìn)一步觀察處理。

4　結(jié)　論

本研究介紹了雍和門木結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定方法，本次檢測(cè)在常規(guī)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，采用了多種無(wú)(微)損測(cè)試技術(shù)，比如探地雷達(dá)、微鉆阻力儀、應(yīng)力波掃描儀、脈動(dòng)測(cè)試法以及樹種鑒定，利用多種無(wú)(微)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合檢測(cè)，提高了檢測(cè)的精度，并可以互相驗(yàn)證、取長(zhǎng)補(bǔ)短，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，這對(duì)于古建筑木結(jié)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)價(jià)和修繕加固有重要的意義。

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(責(zé)任編輯謝燕)

收稿日期：2014-07-25；修回日期：2015-04-17

作者簡(jiǎn)介：張濤(1982—)，男，2010年碩士畢業(yè)于北京化工大學(xué)材料工程，館員，現(xiàn)從事古建筑保護(hù)工作,E-mail: zt0922@163.com

文章編號(hào)：1005-1538(2016)02-0053-07

中圖分類號(hào)：K878.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Inspection and appraisal of the structure of the Qing Dynasty Yonghemen in Beijing

ZHANG Tao1，DU De-jie2，LI Dong-qing1，XU Fu-quan2，CHEN Yong-ping3

(1.Beijing Research Institute of Architectural Heritages, Beijing 100050, China; 2. China Academy of Building Research, Beijing 100013,China；3.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100191,China)

Abstract:Many of the best ancient wooden architectural structures are located in Beijing. These structures have suffered for a long time from natural and man-made damage. Some of these wooden structures face the risk of collapse. It is necessary, therefore, to make systematic measurements and surveys to accurately record the current state of preservation of these buildings and to discover possible safety issues. In this research, Yonghemen was taken as an example to illustrate inspectional and appraisal methods for similar structures. First，a survey and map of the structure was completed，then a detailed investigation and measurement of the stress and deformation states of the bearing members and the primary nodes was carried out. Several nondestructive inspection technologies were adopted during the testing. For instance, radar was used to detect the foundation. Impulse tomography and resistography were used to detect the quality of the wood. Apulsating instrument was adopted to identify the dynamic parameters adopted.Finally an evaluation of the building’s safety issues was made based on the information from the detection methods mentioned.

Key words:Yonghemen; Ancient architecture; Wooden structure； Nondestructive； Inspection； Appraisal