淺析故宮的維修技術(shù)與展望

【摘要】故宮又名紫禁城.因其歷史悠久，文化底蘊(yùn)豐厚，規(guī)模宏大而聞名于世。近年來故宮的修繕中使用的各種維修技術(shù)值得我們?nèi)ド钊胙芯?。本文從木材的材料性能出發(fā)，介紹了故宮存在的損傷問題，分析了傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對木結(jié)構(gòu)修復(fù)新技術(shù)進(jìn)行了介紹與展望。

【關(guān)鍵詞】故宮；木結(jié)構(gòu)；修復(fù)技術(shù)

故宮是中國古代的皇宮，于15世紀(jì)初建成，現(xiàn)保存完好，是我們中華民族標(biāo)志性的文化遺產(chǎn)。明代京城建設(shè)期間，故宮實(shí)為建設(shè)重點(diǎn)，規(guī)模宏大，建筑奇?zhèn)?。在歷史上，故宮曾相繼被火焚毀，延至正統(tǒng)四年，才重新修復(fù)。后三起三落，至天啟七年，為明季最后一次大修。故宮在明清五百年間歷經(jīng)戰(zhàn)亂、自然侵蝕、火災(zāi)焚毀，隨時(shí)間推移，故宮木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了諸多問題而多次翻修，但基本格局依舊保持創(chuàng)始時(shí)期的風(fēng)格，屹立至今。

故宮的主體結(jié)構(gòu)是木結(jié)構(gòu)，木材自身有一定的局限性，尤其在長時(shí)間環(huán)境、荷載作用下會產(chǎn)生相應(yīng)破壞。故宮用木量巨大，由此產(chǎn)生的木材殘損、腐蝕、蟲蛀問題也十分嚴(yán)重。作為歷史意義重大的建筑典范，故宮的修復(fù)顯得尤為重要，近年來隨著社會各界對文化認(rèn)識的加深，對故宮修繕技術(shù)的探索也不斷向前。

1、木材特性

1.1易受外界環(huán)境的侵蝕

外部自然環(huán)境的侵蝕、蟲類、蟻類的蛀蝕等不利因素都會影響木結(jié)構(gòu)的性能。木材對環(huán)境較為敏感，根據(jù)所處環(huán)境的不同會產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化，使木結(jié)構(gòu)性能衰減甚至破壞。由于一年四季空氣的含水量不同，木材會隨著周圍空氣濕度的變化而失水干縮或吸水濕脹，發(fā)展裂縫；木材中存在微生物，其代謝過程中發(fā)生生物酶反應(yīng)，木材中的有機(jī)纖維會參與其中反應(yīng)，例如木質(zhì)素、纖維素和半纖維素會被生物酶降解，長鏈有機(jī)高分子聚合度變小，強(qiáng)度下降；建筑背光處的構(gòu)件由于所處環(huán)境陰暗潮濕，會滋生真菌使木材發(fā)生糟朽，使構(gòu)件載面有效承載面積減小而承載力降低，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞；白蟻和土蜂對木結(jié)構(gòu)危害極大，它們會蛀蝕構(gòu)件，嚴(yán)重影響建筑的壽命與安全。

1.2木材、木結(jié)構(gòu)的限制

木材在外荷載的長期作用下強(qiáng)度衰減較為嚴(yán)重，外荷載越大，構(gòu)件壽命越短。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在荷載作用約30年左右后，木材的各項(xiàng)強(qiáng)度都會下降50%左右，彈性模量也有顯著降低，截面剛度下降，構(gòu)件的撓度，尤其是梁的撓度增大，對此應(yīng)及時(shí)采取支撐加固措施，否則隨著撓度的發(fā)展，構(gòu)件會折斷，甚至造成結(jié)構(gòu)整體的失穩(wěn)。木結(jié)構(gòu)建筑的梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式多種多樣，故宮多采用榫卯連接，在風(fēng)荷載、地震荷載等橫向荷載的循環(huán)加載下，木結(jié)構(gòu)橫向變形不斷往復(fù)，榫卯節(jié)點(diǎn)容易破壞，危險(xiǎn)性極大。

2、故宮木結(jié)構(gòu)損傷情況及修復(fù)措施

故宮中的木結(jié)構(gòu)存在如下問題：

2.1開裂嚴(yán)重

對于木材構(gòu)件上產(chǎn)生的干縮裂縫，當(dāng)裂縫深度處于一定范圍內(nèi)時(shí)，可采用如下方法進(jìn)行修補(bǔ)：當(dāng)裂縫不超過3毫米時(shí)，可使用石膏填滿縫隙并抹平構(gòu)件表面當(dāng)裂縫寬度在3到30毫米之間時(shí)，可加工出一與裂縫形狀相近的木條，將其填入裂縫，注膠抹平；裂縫超過30毫米時(shí)，在填補(bǔ)木條后，還應(yīng)在施工區(qū)域加設(shè)鐵箍約束。

若裂縫深度過大，則應(yīng)計(jì)算其剩余承載力，若剩余承載力足夠，修補(bǔ)方式可按原方法進(jìn)行，若不足，則應(yīng)按增添支撐或架設(shè)加固構(gòu)件，如：增設(shè)立柱或在破損處埋設(shè)鋼支撐構(gòu)件，若裂縫開展及其嚴(yán)重?zé)o法修補(bǔ)，要將整體構(gòu)件換新。

2.2木材糟朽

故宮建筑的木框架底部支撐，柱腳和各個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)是糟朽現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生的地方。對于局部糟朽，可僅剔除糟朽部分，用木屑膠水的混合材料進(jìn)行填補(bǔ)，若強(qiáng)度不夠則增設(shè)鐵箍加固。若糟朽嚴(yán)重，則應(yīng)整體替換后加固。

2.3構(gòu)件撓度過大

主要采用下承式拉桿法和支頂加固法，他們通過在撓度過大的梁下架設(shè)拉桿或?qū)α杭苓M(jìn)行支頂，形成一組合梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力得到重新分布，原構(gòu)件內(nèi)力被支撐構(gòu)件所分擔(dān)，薄弱環(huán)節(jié)處的彎矩減小，撓度也得到了相應(yīng)降低。

2.4梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞

破壞不嚴(yán)重的位置可用木板或鋼板進(jìn)行加固，U型板材由于截面剛度高也經(jīng)常被用于加固中。

2.5柱子傾斜

為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震能力，故宮木結(jié)構(gòu)柱底一般浮擱于柱頂石上，加之梁柱節(jié)點(diǎn)間的榫卯連接容易松動(dòng)，側(cè)移無法被有效限制，柱子則會傾斜，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

修復(fù)一般在對柱體進(jìn)行扶正校準(zhǔn)后增設(shè)膠合板抗震墻、增設(shè)鋼鐵構(gòu)框架、增設(shè)扶壁柱等，來提高建筑整體的剛度，使柱體之間相互聯(lián)系，減少柱子傾斜的情況發(fā)生。

3、傳統(tǒng)維修技術(shù)的特點(diǎn)

《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》對古建筑的修復(fù)工作提出：古建筑的修復(fù)與加固，必須遵守不改變文物原狀的原則，修繕過程中，應(yīng)保存原始建筑所選木種、結(jié)構(gòu)形式以及施工技術(shù)等。在遵循這一前提的原則下，傳統(tǒng)維修技術(shù)仍舊是木結(jié)構(gòu)文物建筑保護(hù)的主要手段。這些技術(shù)有著悠久的歷史，是經(jīng)歷時(shí)間考證的有效修復(fù)方式，能夠有效地保護(hù)古建筑的外觀，沿襲其風(fēng)格，保留其歲月感與風(fēng)骨。堅(jiān)持保護(hù)、傳承傳統(tǒng)技術(shù)，符合當(dāng)代文物保護(hù)理念核心價(jià)值觀。

然而在對傳統(tǒng)技術(shù)給予肯定的同時(shí)，也應(yīng)不斷改善傳統(tǒng)加固法的一系列不足之處。例如使用鐵箍加固時(shí)，加設(shè)的鐵箍都需嵌入木材構(gòu)件內(nèi)，使之與木材外表面齊平，這樣才能保證刷上油漆后不改變其原貌。但若使用鐵箍，之前必須進(jìn)行防銹處理，而且防腐蝕藥劑容易在進(jìn)行抗腐蝕處理時(shí)對木結(jié)構(gòu)造成二次損傷，此外還會大大增加施工周期。

木結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差，容易被害蟲蛀蝕，因此防腐防蟲害處理的步驟必不可少。防腐處理通常使用的是有一定毒性的防腐防蟲藥劑，通過對構(gòu)件進(jìn)行滲透擴(kuò)散、噴涂或壓注噴灑處理達(dá)到防腐目的。這些防蟲藥劑有著不同程度的毒性，有毒物質(zhì)在空氣中擴(kuò)散，長此以往會對游客以及工作人員造成健康方面的影響。

增設(shè)拉桿、支頂、增設(shè)膠合板抗震墻、鋼鐵構(gòu)框架、扶壁柱等加固措施時(shí)也改變了建筑原貌，不利于歷史文化的傳承。

3.1故宮修復(fù)新技術(shù)的應(yīng)用

隨著近代材料科技的發(fā)展，力學(xué)性能優(yōu)異的新材料使用范圍也越來越廣，加固將不僅僅被木材、鋼材、螺栓等常見形式所約束。

纖維增強(qiáng)材料就是一種新型材料，常使用的主要包括碳纖維材料、玻璃纖維材料和玄武巖纖維材料等。以上幾種纖維材料中，碳纖維材料力學(xué)性能最優(yōu)，不僅材質(zhì)輕，其抗拉強(qiáng)度還能達(dá)到鋼材的數(shù)十倍。將其制成碳纖維布，貼附在破損木結(jié)構(gòu)外表面幫助構(gòu)件承擔(dān)拉力，可有效減小木構(gòu)件的負(fù)擔(dān)。施工工藝也不繁瑣：對待加固的木構(gòu)件進(jìn)行表面處理：涂抹基底樹脂，將碳纖維布完整地貼在木構(gòu)件表面，使之與構(gòu)件緊密貼合，最后進(jìn)行彩飾與防護(hù)涂裝即可。

結(jié)合計(jì)算機(jī)使用的一些先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備也被廣泛的應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的修復(fù)中。三維應(yīng)力波斷層描技術(shù)：固定在在構(gòu)件表面的應(yīng)力波發(fā)射器發(fā)出應(yīng)力波，經(jīng)過構(gòu)件后，該機(jī)械波由于遇到裂縫等缺陷而導(dǎo)致波形的改變，通過接收器處理該信號后，可繪制成圖譜，繼而從圖譜中分析出構(gòu)件缺陷的數(shù)量和種類；而與阻力檢測技術(shù)相結(jié)合使用則能夠解決三位應(yīng)力波斷層掃描技術(shù)一次只能掃描一個(gè)平面的局限，大大加快掃描進(jìn)程，尤其對于故宮這類大規(guī)模建筑群，能夠幫助人們快速發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)修復(fù)。

對于不易觸及位置的構(gòu)件可采用三維激光掃描技術(shù)，可在方便的位置進(jìn)行掃描，獲取大量高精度三維坐標(biāo)信息，它不受光環(huán)境影響，利用激光良好的精度和穩(wěn)定性進(jìn)行大范圍掃描，掃描到的圖形信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)，并可以自動(dòng)生成數(shù)據(jù)庫。

3.2新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與展望

纖維增強(qiáng)材料加工制成的纖維布以其強(qiáng)度大、自重輕、方便施工等優(yōu)點(diǎn)，適合黏貼于待加固的構(gòu)造復(fù)雜的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面。纖維布相比于常用的鐵箍，不僅抗拉強(qiáng)度是其數(shù)十倍，而且施工過程中使用的粘結(jié)劑（環(huán)氧樹脂）和纖維布自身耐腐蝕性能都很優(yōu)異，因此木結(jié)構(gòu)的防腐處理環(huán)節(jié)可以被省略。由此可見，纖維增強(qiáng)材料完全可以替代傳統(tǒng)加固中的鐵箍。

目前，纖維增強(qiáng)材料加固技術(shù)在歐美的木結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用較為廣泛，但在故宮的修復(fù)工程以及中國大多古代木結(jié)構(gòu)修復(fù)工程中都基本沒有使用，其原因一方面是相應(yīng)的施工技術(shù)的不成熟，另一方面是出于碳纖維材料高昂的造價(jià)：每千克碳纖維造價(jià)接近90元，而如果將此修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于規(guī)模如此恢弘的故宮中，勢必需要大量投入制造，成本不容小覷。對此，碳纖維制造工藝的改進(jìn)和降低生產(chǎn)成本則顯得尤為重要，希望新材料在未來能夠被廣泛的被應(yīng)用到中國古建筑的修復(fù)中去。

三維應(yīng)力波斷層掃描技術(shù)協(xié)同阻力檢測技術(shù)掃描待監(jiān)測部位，無需取樣，不破壞原結(jié)構(gòu)，高效快捷。與之相近的還有數(shù)十種木材無損檢測檢測技術(shù)，同樣在不用剖開構(gòu)件、破壞截面的前提下，對木材內(nèi)部的裂縫、糟朽、殘缺等損傷進(jìn)行勘測。

傳統(tǒng)測繪技術(shù)需要架設(shè)多部全站儀進(jìn)行逐點(diǎn)測量，效率較低，而三維激光掃描技術(shù)可通過掃描的方式快速將整體結(jié)構(gòu)信息集成到一起構(gòu)成三維模型，精確紀(jì)錄古建筑全部細(xì)節(jié)信息，省時(shí)省力。在計(jì)算機(jī)中可從各個(gè)角度觀測該模型，直觀了解構(gòu)件表面的損傷程度和標(biāo)高，以便及時(shí)修補(bǔ)和為日后的沉降、構(gòu)件位移等參數(shù)比對提供參考。同時(shí)，對于破損嚴(yán)重的古建筑，可在此三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬重建，最大程度上還原建筑原始樣貌。

從社會角度來說，不僅僅是故宮，還有許多其他亟待維修的古代木結(jié)構(gòu)建筑，若將這些先進(jìn)技術(shù)推廣到所有木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和修復(fù)中去，勢必能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存的一些結(jié)構(gòu)損傷，避免不必要的破壞發(fā)生；對于已損結(jié)構(gòu)，新材料、新補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)因其所具有的良好力學(xué)性能及耐久性能，也是未來古建筑修復(fù)的大勢所趨。