淺析古建筑磚石結(jié)構(gòu)壽命預(yù)估及保護(hù)

郭慶龍 趙慶雙

(聊城大學(xué) 季羨林學(xué)院,山東 聊城252059)

古磚石結(jié)構(gòu)建筑是我國古建筑文化遺產(chǎn)的重要組成部分,我國的許多古建筑物例如石塔、拱橋、院墻等古建筑物,均是由磚石結(jié)構(gòu)砌筑而成。對(duì)于如何預(yù)測(cè)古建筑的壽命,國內(nèi)外學(xué)者們經(jīng)過長期的探索和實(shí)踐,在理論方法方面取得了豐碩的成果。從國內(nèi)外大量文獻(xiàn)來看,對(duì)于古建筑壽命預(yù)估主要集中在對(duì)于木構(gòu)古建筑的預(yù)測(cè),但是關(guān)于磚石結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)是少之又少,古建筑磚石結(jié)構(gòu)的研究主要集中在保護(hù)與加固等方面,現(xiàn)有的壽命預(yù)測(cè)方法以動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法為主[1]。

1 光岳樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光岳樓結(jié)構(gòu)上由樓基和4 層主樓組成,其總高度33 米,臺(tái)高9米,樓高24 米,底座邊長35.16 米,占地1232 平方米。主要構(gòu)造是具有傳統(tǒng)形式的木質(zhì)結(jié)構(gòu),四面由飛檐斗拱組成,外側(cè)設(shè)有圍廊。樓基由磚石砌筑而成,四個(gè)方向設(shè)有半圓拱門,高臺(tái)中心是交叉的十字形拱。光岳樓的建筑形式不僅保存了宋元時(shí)期的建筑風(fēng)格,又與和它同時(shí)建造的明初古建筑有較多相似之處。結(jié)構(gòu)上承襲了唐宋時(shí)期的傳統(tǒng)建筑的建造規(guī)則,它是由宋元時(shí)期向明清時(shí)期過渡的代表性建筑,是我國現(xiàn)存的明代時(shí)期的最古老最高的一座樓宇[2]。

2 古建筑磚石結(jié)構(gòu)殘破現(xiàn)狀分析——以光岳樓為例

光岳樓歷經(jīng)滄桑,雖然歷年以來均有修繕,但是仍有磚石砌筑的部位年久失修,自然因素以及人為因素導(dǎo)致?lián)p壞嚴(yán)重,造成了嚴(yán)重的安全隱患。通過對(duì)光岳樓實(shí)地調(diào)研,整理得光岳樓典型的殘破現(xiàn)狀見表1。

表1 磚石部位典型殘破現(xiàn)狀

2.1 院墻的殘破現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為墻體表面出現(xiàn)風(fēng)化酥堿與裂縫鼓起現(xiàn)象,光岳樓部分墻體后經(jīng)過使用石灰砂漿抹面維護(hù),由于風(fēng)化、濕度等自然因素的影響導(dǎo)致石灰砂漿仍出現(xiàn)鼓起開裂現(xiàn)象,嚴(yán)重部位甚至出現(xiàn)了石灰砂漿脫落的現(xiàn)象。

2.2 院內(nèi)卡子墻經(jīng)維護(hù)后保存較完好,但在卡子墻頂部出現(xiàn)裂縫,由于雨水作用,特別是酸雨,裸露在外面的墻體受腐蝕,并且雨后卡子墻所處環(huán)境潮濕,水汽通過裂縫進(jìn)入卡子墻內(nèi)部,對(duì)磚石材料造成了一定的腐蝕,導(dǎo)致墻頂部出現(xiàn)了不同程度的墻體剝落現(xiàn)象,嚴(yán)重影響墻體承載能力。

2.3 位于木構(gòu)柱下方的支撐結(jié)構(gòu)的柱頂石出現(xiàn)嚴(yán)重開裂,部分柱頂石裂縫寬度為5mm,并且由于柱頂石外側(cè)無保護(hù)層,磚石裸露在外面,由于年代久遠(yuǎn)且未能及時(shí)修繕。加上人為因素的損傷破壞,使得柱頂石出現(xiàn)多處裂縫,甚至部分出現(xiàn)石塊脫落的現(xiàn)象。

2.4 光岳樓室內(nèi)墻體損壞較輕處出現(xiàn)灰縫脫落,風(fēng)化酥堿現(xiàn)象,主要原因是在于磚石墻體自身材料性能的缺陷,經(jīng)歲月的洗刷都會(huì)出現(xiàn)損壞。嚴(yán)重部位的墻體出現(xiàn)墻體通縫,已經(jīng)無法保證其墻體的使用功能,雖經(jīng)后期人工的修護(hù),目前仍能繼續(xù)使用。殘破現(xiàn)象如圖1 所示。

3 磚石結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)方法

3.1 磚石結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的主要方法- 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)法。磚石結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)估應(yīng)該和壽命終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)以及磚石結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷速度相關(guān)聯(lián)。對(duì)于磚石構(gòu)件,測(cè)定其損傷速度是進(jìn)行壽命預(yù)估的關(guān)鍵一步,但是損傷速度的預(yù)估方法必須考慮時(shí)間因素的影響。

在文獻(xiàn)[1]中主要介紹磚石結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)法,對(duì)于預(yù)測(cè)構(gòu)件的損傷速度原理做出了說明,在某一時(shí)間T時(shí),對(duì)磚石構(gòu)件進(jìn)行壽命的單一因素的狀態(tài)檢測(cè),結(jié)果記為η1,再經(jīng)過時(shí)間t 后,再使用與前一檢測(cè)方法檢測(cè)該因素的狀態(tài),記為η2,則得出該因素的損傷速度為:

式中:η1:單一因素狀態(tài)下壽命檢測(cè)結(jié)果；η2:經(jīng)過時(shí)間t 后該因素狀態(tài)下的壽命檢測(cè)結(jié)果；VS:該因素狀態(tài)下的損傷速度。

再根據(jù)目前對(duì)壽命終結(jié)的標(biāo)準(zhǔn),記為ηγ,因此,得到磚石結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

式中:ηγ:壽命終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果；Y:磚石結(jié)果剩余壽命。

3.2 古建筑的其他壽命預(yù)估方法。

3.2.1 人工智能算法。近幾年,隨著人工智能的興起,人工智能已經(jīng)應(yīng)用到許多研究中。王井利[3]在研究中結(jié)合人工蜂群的算法的全局尋優(yōu)能力以及Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性擬合能力,建立了對(duì)古建筑的壽命預(yù)估的模型。在此研究中,根據(jù)某歷史古建筑的構(gòu)建作為測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)該古建筑物的實(shí)際檢測(cè),建筑物的各個(gè)構(gòu)件都有不同程度的損壞。然后經(jīng)過測(cè)試計(jì)算得到古建筑物的剩余壽命。張廣斌[4]則以徽派古建筑為研究對(duì)象,在研究中針對(duì)基本的Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在著訓(xùn)練速度慢,容易陷入局部極小值的特點(diǎn),對(duì)基本的Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn),優(yōu)化了學(xué)習(xí)速度,并且改進(jìn)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能在全局范圍內(nèi)尋找最優(yōu)解,此方法最后結(jié)果表明能夠準(zhǔn)確地?cái)M合訓(xùn)練值并且能夠進(jìn)行有效的預(yù)估,能夠得到較好的應(yīng)用。

3.2.2 非線性偏最小二乘法。在對(duì)古建筑壽命預(yù)估時(shí),會(huì)存在觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失的情況,并且影響古建筑的因素繁多,主要有自然原因下的物理因素、化學(xué)因素,并且自然原因影響古建筑的過程錯(cuò)綜復(fù)雜,自然原因下的因素間也可能存在非線性相關(guān)?；谶@幾種原因,路楊[5]給出一種基于數(shù)據(jù)缺失估計(jì)的PLSS 古建筑壽命預(yù)估的方法,以解決更加完整的抽取觀測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)信息,并且將其方法應(yīng)用在古建筑壽命預(yù)估中。文獻(xiàn)中指出其預(yù)測(cè)過程:首先,將現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失部分經(jīng)過算法完成缺失的觀測(cè)數(shù)據(jù),再經(jīng)過樣條轉(zhuǎn)換將非線性問題轉(zhuǎn)換為擬線性問題,最后將研究通過仿真與實(shí)驗(yàn)分析得出的結(jié)果證明其方法的有效性,可以應(yīng)用在古建筑壽命預(yù)估的研究中。

3.2.3 改進(jìn)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?？茖W(xué)的進(jìn)行預(yù)估古建筑的壽命,通過建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的可行性,但是標(biāo)準(zhǔn)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有訓(xùn)練速度慢,全局能力低的問題。路楊[6]在文獻(xiàn)中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn),并且將此方法應(yīng)用到古建筑的壽命預(yù)估中。通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì),確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)以及訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),得出BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證明此方法對(duì)古建筑的壽命預(yù)估是行之有效的,并且改進(jìn)后的模型誤差小、精度大,相比于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以更有效地應(yīng)用在古建筑的壽命預(yù)估中。

4 古建筑磚石結(jié)構(gòu)的保護(hù)措施

4.1 磚石結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。由于地震作用的影響,古建筑物都會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞,導(dǎo)致墻體開裂以及剝落的現(xiàn)象。對(duì)于出現(xiàn)剝落的墻體可以進(jìn)行補(bǔ)砌,使用水泥砂漿進(jìn)行填充或者采用鋼筋網(wǎng)加水泥砂漿維護(hù),在磚石結(jié)構(gòu)物表面進(jìn)行整體加固,保證磚石墻體的安全性能。對(duì)于后期修繕的磚石墻體出現(xiàn)損壞可以進(jìn)行墻體的加厚,提高提結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。此外,如古城墻上的城樓或者鼓樓均存在高臺(tái)基,高臺(tái)基是我國古建筑文化遺產(chǎn)的重要組成部分,加強(qiáng)高臺(tái)基的抗震可以減少地震作用對(duì)古建筑的影響與損壞。

4.2 構(gòu)件替換。古建筑物易受物理因素如環(huán)境溫度、濕度以及日照強(qiáng)度的影響所發(fā)生損壞,還有一些生物因素如菌類、苔蘚等微生物附著在墻體或者地面表面,對(duì)其產(chǎn)生腐蝕或者破壞。這些因素在長期作用下,會(huì)使古建筑物某些易損構(gòu)件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞,對(duì)這種已損壞并且不可修復(fù)的古建筑磚石結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行替換,在替換過程中應(yīng)遵循不改變?cè)瓲畹脑瓌t,合理選擇替換的材料,達(dá)到對(duì)古建筑物修繕的目的。

4.3 基礎(chǔ)托換技術(shù)。為了解決由于地基承載力不足導(dǎo)致古建筑出現(xiàn)的傾覆問題以及新建建筑物對(duì)舊建筑物的影響,運(yùn)用基礎(chǔ)托換技術(shù)[7]進(jìn)行古建筑基礎(chǔ)的加固。對(duì)于古建筑的基礎(chǔ)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫和基礎(chǔ)底面積不足,導(dǎo)致古建筑的地基承載力不足或者變形過大時(shí),可采取對(duì)古建筑進(jìn)行基礎(chǔ)加寬達(dá)到滿足原基礎(chǔ)的底面積地基承載力的要求。

4.4 數(shù)字化保護(hù)技術(shù)[8]。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外許多科研人員致力于對(duì)古建筑數(shù)字化技術(shù)的研究。該技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)技術(shù)手段狹隘的問題,也不需要使用儀器進(jìn)行測(cè)繪發(fā)現(xiàn)損壞部位。通過數(shù)字化進(jìn)行模擬,完善古建筑物的整體三維坐標(biāo)信息,在數(shù)字化模型上展現(xiàn)出損傷的構(gòu)件,然后再通過三維建模軟件對(duì)原有古建筑按照原比例進(jìn)行模型重建,得出原有構(gòu)件的部位以及材料性能,為后期進(jìn)行修繕提供了可靠的依據(jù)。該技術(shù)也使得現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)文化的有機(jī)結(jié)合,既保證了對(duì)古建筑物的修繕,又能遵循保持古建筑原狀的修繕原則。

5 結(jié)論

磚石結(jié)構(gòu)作為古建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的部分,是人類歷史文明中的重要組成部分?，F(xiàn)存的古建筑磚石結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了歲月變遷、歷史變更,均出現(xiàn)了不同程度的損傷破壞,通過對(duì)光岳樓殘破現(xiàn)狀的研究分析發(fā)現(xiàn),由于磚石結(jié)構(gòu)自重大,材料易受自然因素與人為因素的影響,出現(xiàn)墻體風(fēng)化酥堿、脫落等問題。因此,通過對(duì)古建筑磚石結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)的研究,總結(jié)出結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)估準(zhǔn)確合理的方法,以達(dá)到對(duì)古建筑磚石結(jié)構(gòu)防護(hù)的意義。