古建筑木結(jié)構(gòu)的壽命預估

李燦 趙慶雙 倪廣慶 劉新玉

摘要：木結(jié)構(gòu)具有良好的抗震、環(huán)保等性能，美國、加拿大和日本等國家都有很多木結(jié)構(gòu)住宅。中國的歷史文化悠久，許多恢宏的殿堂、古塔等木結(jié)構(gòu)建筑保留至今，充分體現(xiàn)出我國勞動人民的智慧。但是有些古建筑在經(jīng)歷了千百年的地震、風霜雨雪等外界作用后，有些木構(gòu)件會發(fā)生腐蝕，建筑的承載能力和耐久性能大大下降，甚至遭到破壞。因此對古木建筑的剩余壽命進行判斷預估，對木結(jié)構(gòu)的修繕和維護具有重要意義。

關(guān)鍵詞：古建筑；木結(jié)構(gòu)；壽命預估；修繕

木結(jié)構(gòu)建筑是我國傳統(tǒng)的建筑形式，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，是中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的體現(xiàn)。但是由于受外界環(huán)境的影響以及一些人為作用，有些木結(jié)構(gòu)建筑承載能力和耐久性能大大降低，最終毀壞。為了將這些歷史文化瑰寶傳承下去，我國也對一些建筑進行了修繕保護。傳統(tǒng)的修繕工作一般是在結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后才進行的，修繕后不免引起損傷的繼續(xù)發(fā)展，難以恢復原有的狀態(tài)。如果通過定期巡檢、監(jiān)測與評估來了解古木結(jié)構(gòu)的情況，在突發(fā)情況以及災害發(fā)生前就給予判斷與預測，將會大大減少災害與病變所引起的損失。本文旨在通過對目前已有的壽命預估方法進行系統(tǒng)的比較分析，找出不同方法之間的異同，對我國古木建筑結(jié)構(gòu)的維護和修繕工作提出一些合理化建議。

一、木結(jié)構(gòu)壽命的影響因素

木材的主要成分是纖維素和木質(zhì)素等，若木材長期處在潮濕的環(huán)境中，會滋生大量的真菌、蟲蟻，從而導致木材腐朽。腐蝕、蟲蛀都會不同程度地引起木構(gòu)件截面積減小，承載能力降低，結(jié)構(gòu)性能嚴重退化。調(diào)查顯示，在美國由于木材腐蝕造成的損失巨大，每年超過52億美元[1]；澳大利亞的木結(jié)構(gòu)住宅由于構(gòu)件腐蝕引起建筑結(jié)構(gòu)抗力衰退，也曾導致許多木結(jié)構(gòu)住宅發(fā)生抗風破壞。

在長期荷載作用下，隨著時間的增長及木材本身材料的降解，其拉伸、壓縮、彎曲及剪切等性能降低，導致木材開裂，或者使木構(gòu)件的跨中產(chǎn)生過大的撓度，經(jīng)過長期發(fā)展，容易導致木梁彎曲失效。此外，火災、洪水、暴雨等災害對木結(jié)構(gòu)也有很大的影響。

人為作用不可忽視。近年來，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，有一些古木建筑也因歷史悠久、保存完整而吸引了大量的游客前來觀賞。但是巨大的人流量也給這些古建筑帶來了沉重的負擔，游客在木構(gòu)件上亂寫亂刻的現(xiàn)象時有發(fā)生，破壞了外面的保護層，加速了木構(gòu)件的破壞。經(jīng)營者追求利益卻不注意控制客流量，古木建筑缺少應有的保護。

二、壽命預估方法

王雪亮[3]根據(jù)此腐朽深度經(jīng)驗公式，并假定在任意服役年腐朽深度服從正態(tài)分布，建立了腐朽深度的隨變模型和抗彎強度退化模型，得到了多種隨機變量和確定性函數(shù)的關(guān)系。姜邵飛[4]也在腐朽深度經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上提出考慮結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，采用Gerhards/Weibull模型預測結(jié)構(gòu)的承載能力和變形值的置信區(qū)間與極限壽命，通過對兩者的計算結(jié)果作出科學合理的判斷。

（二）長期荷載對古建筑木結(jié)構(gòu)的影響

木材在長期荷載的作用下強度會降低，這種現(xiàn)象叫作持續(xù)荷載效應。瞿偉廉[5]在Gerhards損傷積累模型的基礎(chǔ)上推導了恒載長期作用下木材殘余強度的衰減模型。

三、古木建筑維護修繕建議

（一）建立更加完善的政策法規(guī)

歐洲、亞洲的一些國家在古建筑保護方面的措施比較完善，它們有著共同的特點，根據(jù)時代發(fā)展和形式變化，不斷調(diào)整古建筑保護的政策和法律法規(guī)，而且調(diào)整的方向趨于更加嚴格的管控。相關(guān)法律的不斷調(diào)整和細化，可以避免文化景觀、歷史建筑成為商業(yè)謀利的工具，不僅有利于傳承歷史文化，還可以大大降低火災等意外隱患。相比較國外已經(jīng)形成的整套歷史建筑法律保護體系，國內(nèi)對此缺乏系統(tǒng)而全面的研究，我們可以借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗，進一步完善或重新修訂相關(guān)政策法規(guī)。

（二）從不同技術(shù)角度修繕加固

1.整體加固

對于建筑物外閃較為嚴重，大構(gòu)件完好，只需替換小構(gòu)件的情況，需要對整體梁架進行支頂，復位已發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾斜的構(gòu)件，同時對破壞嚴重的構(gòu)件進行修補或替換。在古建筑木結(jié)構(gòu)位移較小、變形不大的情況下，不用拆卸木架，直接進行整體加固。對于木構(gòu)架腐朽嚴重、發(fā)生嚴重斷裂、產(chǎn)生過大撓度的情況，則需要進行落架大修。

2.局部修繕

古木建筑屋脊、飛檐等處都會用生動的彩繪油畫裝飾，這些裝飾在環(huán)境氣候因素、自身老化以及人為破壞等因素的影響下，會褪色、變色、龜裂、脫落，可以根據(jù)不同程度的破損進行修復。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的裝修經(jīng)歷若干年后，造成裝修構(gòu)件的脫榫、松動、損壞等，要根據(jù)不同時期的裝修裝飾風格進行修繕維護。

四、結(jié)語

古木建筑融合了各種傳統(tǒng)藝術(shù)，特別是在繪畫、雕刻、工藝美術(shù)等造型方面，創(chuàng)造出很多豐富多彩的藝術(shù)形象，側(cè)面反映了古代人類社會的政治、經(jīng)濟、文化和藝術(shù)。剩余壽命在木結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)評估中起著非常重要的作用，開展對木結(jié)構(gòu)古建筑剩余壽命的預測，可以有效地修繕維護這些文化遺產(chǎn)。

基金項目

2016年山東省教學改革研究面上項目（項目編號：Z2016M044）；2019年度聊城大學科研基金立項（項目編號：318011901）；聊城大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練校級一般項目（項目編號：cxcy2020y217）。

作者簡介

李燦，1999年生，女，漢族，山東臨沂人，本科，研究方向為古建筑防護。

參考文獻

[1]楊忠，江澤慧，費本華，等.SIMCA法判別分析木材生物腐朽的研究[J].光譜學與光譜分析，2007（4）：686-690.

[2]李瑜，瞿偉廉，李百浩.古建筑木構(gòu)件基于累積損傷的剩余壽命評估[J].武漢理工大學學報，2008（8）：173-177.

[3]王雪亮，郭君慧，王小麗，等.基于可靠度理論的腐朽木梁剩余壽命評估[J].武漢理工大學學報，2015，37（7）：74-77.

[4]姜紹飛，唐偉杰，李猛，等.考慮長期腐蝕影響的古建木結(jié)構(gòu)極限壽命預測[J].福州大學學報（自然科學版），2017（4）：547-552，558.

[5]瞿偉廉，王雪亮.基于DOL強度衰減模型的古建筑木桁架的剩余壽命預測[J].華中科技大學學報（城市科學版），2008（3）：1-4，9.