木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)特性的實(shí)驗(yàn)研究

(四川工商學(xué)院， 四川 成都 611745)

木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)特性的實(shí)驗(yàn)研究

袁曉強(qiáng)

(四川工商學(xué)院， 四川 成都 611745)

古建筑是我國(guó)的傳統(tǒng)藝術(shù)瑰寶，木結(jié)構(gòu)古建筑歷經(jīng)千年的演變，在今天成為了國(guó)家歷史文物重點(diǎn)考查的對(duì)象。本文以材的特性展開敘述，說(shuō)明了木結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)特性，討論了木結(jié)構(gòu)古建筑中榫卯和斗栱的特性。

木結(jié)構(gòu)；古建筑；結(jié)構(gòu)；特性

我國(guó)歷史文明源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，古建筑是我國(guó)極具鮮明特色的傳統(tǒng)文化產(chǎn)物，在世界建筑文化的領(lǐng)域中產(chǎn)生了十分重要的影響。古建筑不僅氣勢(shì)宏博，更兼有高超的人工藝術(shù)，是我國(guó)古代勞動(dòng)人民的智慧結(jié)晶，也是華夏民族屹立世界的重要體現(xiàn)。目前，許多木結(jié)構(gòu)古建筑受人為和非人為破壞影響較深，材料已經(jīng)嚴(yán)重受損，結(jié)構(gòu)性能也岌岌可危，有鑒于此，對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的深入及探索勢(shì)在必行，為求在維護(hù)古建筑方面提供有力措施。

一、木材的特性

與大多數(shù)建筑材料不同，木材是一種分子含量較高的天然有機(jī)物，并且可以在一定程度上將其再次分解，從性質(zhì)來(lái)看，大多數(shù)可分解材料的受力值無(wú)法改變，但是木材卻與之截然不同。比如，由于部分木材中存有一定的水量，導(dǎo)致其受力產(chǎn)生十分明顯的變化；木材的彈性更加趨于平衡化，并且在力的影響下產(chǎn)生永久性的移動(dòng)和變化，其速度不快，但是隨著時(shí)間的變化，其受力情況也會(huì)有所改變。

我國(guó)的木結(jié)構(gòu)古建筑歷經(jīng)朝代的更替與時(shí)間的遷移，受氣溫、環(huán)境、生物等影響頗深，材料的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)特性都產(chǎn)生了一定程度的質(zhì)變，木材腐爛的情況時(shí)有發(fā)生，其承重能力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，使木結(jié)構(gòu)古建筑的毀壞程度十分嚴(yán)重。木材的質(zhì)量與材性對(duì)于木結(jié)構(gòu)古建筑來(lái)說(shuō)是現(xiàn)象級(jí)的，直接影響了古建筑的質(zhì)量。

一直以來(lái)，我國(guó)建筑人員都在探索木材材質(zhì)變化的主要原因，以及木結(jié)構(gòu)古建筑的損壞是否與其與著很大的聯(lián)系。因此在上個(gè)世紀(jì)八十年代，部分工作人員對(duì)構(gòu)成木結(jié)構(gòu)古建筑的木材進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括木材的強(qiáng)硬程度、伸拉彈性以及受外來(lái)因素影響等。試驗(yàn)結(jié)果表明，木結(jié)構(gòu)古建筑的木材硬度是基本保持不變的，但是抗拉、抗壓能力呈大幅度下降的趨勢(shì)，而木結(jié)構(gòu)古建筑之所以斷裂的原因正是來(lái)源于此。

針對(duì)以上情況，我國(guó)出臺(tái)了有關(guān)木結(jié)構(gòu)古建筑的相關(guān)保護(hù)政策，并在我國(guó)十五個(gè)地區(qū)對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的主要構(gòu)成部分采取抽樣調(diào)查，并對(duì)云杉木、柏以及落葉松進(jìn)行重點(diǎn)考察，根據(jù)相關(guān)資料可知，云杉木的彎性能力在原能力的基礎(chǔ)上下降了一半，彈力和抗壓能力分別在百分之十五和二十五；柏木的彎性能力下降了百分之二十五，彈力和抗壓能力在百分之十左右；而落葉松的彎性能力下降了百分之十左右，其彈力和抗壓超過(guò)百分之三十?？偠灾瑯淠镜男再|(zhì)決定了樹木種類的差異，進(jìn)而造成木材質(zhì)量的變化無(wú)規(guī)律可言。我國(guó)相關(guān)人員雖然對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的主要構(gòu)件進(jìn)行分析和研究，但是到目前為止還沒(méi)有找出各種木材的主要變化規(guī)律，究其原因，一是研究人員的工作不到位，二是木材材質(zhì)的變化形態(tài)難以琢磨。

二、木結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)特性中榫卯與斗栱

（一）斗栱設(shè)計(jì)

不得不說(shuō)，我國(guó)當(dāng)前的許多建筑結(jié)構(gòu)都與木結(jié)構(gòu)古建筑有著十分相似的地方，比如現(xiàn)代建筑中的框架結(jié)構(gòu)就是古建筑的特點(diǎn)之一，但是除此之外，木結(jié)構(gòu)古建筑的框架在節(jié)點(diǎn)上的設(shè)計(jì)是十分具有特色的，而一點(diǎn)是現(xiàn)代建筑無(wú)法與之比擬的。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的形式多種多樣，其中最難操作的就是斗栱設(shè)計(jì)。我國(guó)的木結(jié)構(gòu)古建筑在各部件之間的連接上處理的十分到位，大多數(shù)建筑采用斗栱設(shè)計(jì)，通俗點(diǎn)說(shuō)，斗栱設(shè)計(jì)就是由許多木質(zhì)材料混合而成的一種設(shè)計(jì)方案，各木質(zhì)材料之間的穿插形式交替縱橫，這種設(shè)計(jì)在我國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑中已經(jīng)存在了約一千五百年之久，并且現(xiàn)代的許多建筑師均參照斗栱設(shè)計(jì)的方案執(zhí)行建筑設(shè)計(jì)。斗栱設(shè)計(jì)是一種高超的設(shè)計(jì)方案，不僅使建筑的風(fēng)格體現(xiàn)的淋漓盡致，為建筑結(jié)構(gòu)也起到了十分重要的作用。斗栱設(shè)計(jì)對(duì)建筑對(duì)象有著一定要求，通常是為大型建筑服務(wù)的，存在于屋內(nèi)柱子連接屋頂位置的中間部分，斗栱可以看作是一種承接、傳遞力的作用平臺(tái)，因?yàn)樗鸬搅顺薪咏ㄖ戏搅Φ淖饔?，能夠?qū)⒃摬糠至D(zhuǎn)換至建筑的柱子里。斗栱通常設(shè)計(jì)于屋檐下方，它在承接屋頂力的同時(shí)能夠產(chǎn)生向外延伸的趨勢(shì)；如果在室內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)，斗栱的作用更加明顯，使屋內(nèi)作用于梁枋的力更加平衡。此外，我國(guó)古代為了確定建筑參數(shù)，對(duì)斗栱數(shù)據(jù)進(jìn)行了十分精確的測(cè)量。

（二）榫卯節(jié)點(diǎn)

我們?cè)诹私忾久埃紫刃枰私馐裁词前雱傂?。半剛性通常指的是它既不屬于剛性，也不屬于柔性，而是介于二者之間。我國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑是使用榫卯節(jié)點(diǎn)的先驅(qū)者，致使世界建筑領(lǐng)域也對(duì)其展開具體研究與實(shí)踐，表現(xiàn)如下：

首先，國(guó)外建筑人士對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了具體試驗(yàn)，試驗(yàn)的方法主要是將榫卯節(jié)點(diǎn)的主要性能一一降低，根據(jù)這種人工的方法來(lái)推測(cè)自然環(huán)境中榫卯節(jié)點(diǎn)退化的情況。根據(jù)結(jié)果顯示，榫卯節(jié)點(diǎn)的性能剛好處于剛、柔之間，屬于半剛性，在對(duì)其使用人工退化性能的情況下，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大的變化，致使節(jié)點(diǎn)的柔性大幅加強(qiáng)，失去了一定的抗彎能力，多種參數(shù)模擬的方式使得榫卯節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，并具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

其次，柱下石墩和柱底有著密切相連的關(guān)系，相關(guān)建筑人士認(rèn)為它屬于鉸鏈連接的一種方式，并對(duì)半剛性連接的內(nèi)容與榫卯和斗栱之間的聯(lián)系做出詳細(xì)解釋，將彈簧參數(shù)計(jì)算出來(lái)，在木結(jié)構(gòu)古建筑中利用彈簧參數(shù)對(duì)應(yīng)榫卯和斗栱，并且把二者之間的作用也通過(guò)參數(shù)的形式表達(dá)也來(lái)。這一舉措主要是為了研究木結(jié)構(gòu)古建筑在力的作用下會(huì)產(chǎn)生怎樣的變化，而地震響應(yīng)通常是用虛擬激勵(lì)法的方式得以實(shí)現(xiàn)的，因此試驗(yàn)?zāi)窘Y(jié)構(gòu)古建筑的受力情況與虛擬激勵(lì)法有著一定的相似之處。

再次，國(guó)內(nèi)建筑學(xué)者在早期的建筑論壇中曾經(jīng)指出，木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)特性的研究，與地震響應(yīng)是極為類似的，但是其計(jì)算數(shù)值與現(xiàn)實(shí)存在著一定的差距，因此在古建筑進(jìn)行測(cè)量、分析的同時(shí)，必須使用有限元的計(jì)算方式，該方式的具體內(nèi)容如下：利用房梁的構(gòu)成信息實(shí)現(xiàn)斗栱數(shù)據(jù)的形成，將斗栱的結(jié)構(gòu)特征精化、細(xì)化，栱栱

并且將有限元的計(jì)算方式與斗進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為了重點(diǎn)考察斗設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，有限元的使用徹底解決了這一問(wèn)題，同時(shí)，木結(jié)構(gòu)古建筑的地震響應(yīng)也必須以有限元作為實(shí)際依據(jù)。該方法的確定，使我國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑的內(nèi)容能夠更加詳細(xì)、完整。

最后，在木結(jié)構(gòu)古建筑當(dāng)中，有關(guān)斗栱和榫卯之間的聯(lián)系一直是我相關(guān)人員重點(diǎn)研究的對(duì)象，但是截止到今天也無(wú)法做出一個(gè)科學(xué)、合理的有效根據(jù)，這主要是因?yàn)檫€沒(méi)有對(duì)斗栱和榫卯的受力情況進(jìn)行確定。除此之外，許多研究人員在看待節(jié)點(diǎn)連接時(shí)還比較片面，利用斗栱介于鋼與柔之間的特性，模擬斗栱的方式也通常使用半剛性節(jié)點(diǎn)，但是這種方式并沒(méi)有考慮到現(xiàn)實(shí)中木結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)方式，因此必須要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行研究。

結(jié)束語(yǔ)：

木結(jié)構(gòu)古建筑是我國(guó)的藝術(shù)瑰寶，更是華夏民族不可缺少的文化組成部分。當(dāng)前，部分木結(jié)構(gòu)古建筑已經(jīng)受到了人為和人非為不同程度的破壞，因此，必須采取相關(guān)措施保護(hù)木結(jié)構(gòu)古建筑。

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1007-6344（2017）08-0267-01