古建木結構修復加固前景展望

馬江陵

文章從概念、實踐、技術等幾個方面梳理了國內(nèi)外有關古木建筑結構木材修復技術加固的最新應用實踐與技術，并對其應用前景進行了充分展望。在概念上，應滿足我國建筑藝術遺產(chǎn)文化價值觀與保護的基本需要，并充分考慮中國各種建筑歷史文化和藝術美學的共同特點。在建筑工藝技術系統(tǒng)管理方面，應通過整合多個學科的各種現(xiàn)代工程技術手段，建立系統(tǒng)、嚴密的建筑工藝管理系統(tǒng)，在技術上，應在不斷繼承和創(chuàng)新我國傳統(tǒng)工藝技術的基礎上，積極引進新技術材料、新工藝技術，彌補傳統(tǒng)工藝的不足。

中國的建筑形成主要是由于獨特的歷史地理、氣候、文化等自然因素而使木結構建筑作為古代中國建筑結構體系的主流。中國木結構古代建筑歷史悠久，種類繁多，體系完整，在當今世界古代建筑中獨樹一幟，代表著中國豐富的古代物質文明和新的精神文明，具有極高的建筑歷史、技術和科學藝術欣賞價值。然而，木材大多是以天然生物材料加工制成的，在自然環(huán)境和其他人為因素的長期相互作用下，容易產(chǎn)生木材變形、開裂、腐爛等物理缺陷，影響古代建筑和木結構的一切，造成建筑價值信息的損失。因此，需要對這些古建筑進行不斷的保護修繕和人工加固。中國對于古木結構進行保護、修復和人工加固的保護科學技術研究工作起步較晚，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，盡管保護技術水平已經(jīng)有了很大的進步，但大部分的結構保護修復工作仍以采用傳統(tǒng)的保護修復加固方法為主，不可能完全符合國際相關的加固保護技術原則進行延伸。因此迫切需要對于古木結構的保護修復以及加固保護技術工作進行系統(tǒng)性的梳理，并對其保護技術發(fā)展現(xiàn)狀和目前存在的主要問題難點進行分析，提出了生產(chǎn)保護的概念和技術。

修復加固技術的現(xiàn)狀

中國傳統(tǒng)木結構建筑技術主要以維護、維修、更新作為主要內(nèi)容，根據(jù)維修項目的規(guī)模特點可分為：日常定期維修、重點維修、局部修復、原址重建等。在重點維修加固中，按維修等級可分為整體框架和木結構的維修加固，木結構加固維修是古建筑最基本、最常見的形式。本文綜述了常見的裂紋、腐爛、垂直彎曲、滾榫等損傷，以及常用的傳統(tǒng)修復加固技術和現(xiàn)代相關技術。

木材是一種生物材料，在適當?shù)臏囟群蜐穸认?，害蟲會迅速繁殖，導致部件腐爛。木柱的劣化是由于其長期暴露在濕氣中，通常發(fā)生在柱的根部，傳統(tǒng)的處理方法主要有挑補、包扎和支墩。當腐爛輕微時，可將其清除，腐爛部分柱體應按照原始工藝要求用干燥后的木材完全進行修復;當腐爛面積不超過柱周長的1/2且底部深度不超過大于腐爛柱底部直徑的1/5時，可考慮使用柱式包裝法或插入法。包裝即通過剔除不良處理腐爛柱的部位，根據(jù)剔鑿柱的長度、深度和柱面的弧度，制備覆層材料;固定柱體內(nèi)壁腐爛時，當固定柱體高度直徑大于固定柱體高度的1/4，深度直徑大于固定柱體內(nèi)壁直徑的1/2時，可使用采墩板焊接頭的方法切斷柱體腐爛的部分，更換新材料，在接頭處通過新舊材料的榫卯連接;當柱體衰減高度超過柱體高度的1/3或柱體斷裂無法連接時，需要更換或增加舊的輔助柱體。

梁、桁架等構件、柱的維修加固方法類似，當腐爛部分較小時，殘余部分符合檢查計算，需要時卡在應力之間，可用填充、包裝方法處理;當腐爛截面較大，上下深度大于構件高度的1/3，小于3/5，且剩余截面承載力不能滿足使用要求時，可在零件上添加新材料，采用板夾，鋼板支撐等方式填充強心;如果腐爛深度超過3/5，需要更換部件端部或整體。

裂縫主要含義指的不僅是由于整體加工木材在干燥加工過程時其中的加工柱體切向外部運動角度收縮率所導致造成的，它可能大于加工柱體的內(nèi)徑向或外部角度整體加工木材柱身切向運動收縮率，或者說它大于內(nèi)部徑向整體加工木材柱身切向運動收縮率;而且是當整體木材長期干燥過程受制于某種外力時，其中在整體上的力學性能就必然會發(fā)生退化，也就有可能甚至會因而直接產(chǎn)生一些柱體裂紋。對于防水裂縫加工柱體上的防水裂縫，傳統(tǒng)的多層防水裂縫修補是膩子裂縫加工方法，主要還是可以采用防水埋入式多層防水裂縫修補膩子裂縫加工方法。如果整個裂縫加工柱體上的寬度直徑大于m/w≤3mm，可用多層防水修補膩子對其進行防水擦縫;但是當加工柱體裂縫直徑一定為3mm30mltl且不一定需要大于整個加工柱體總裂縫直徑的1/3時，也應在裂縫處使用舊鐵箍;當立柱深度大于立柱直徑的1/3或因傾斜和扭轉而產(chǎn)生裂縫時，需要在位置矯正后由框架修復，插入木條，并用鐵箍固定;當裂紋受到影響可能出現(xiàn)裂紋或斜裂紋時，應進行強度檢查，根據(jù)情況加固或更換。

梁等橫向構件的應力與柱構件的應力不同承受彎曲和剪切作用。對于這種裂紋類型的框架構件，當內(nèi)部裂紋較輕時，可以直接用裂紋鐵箍進行加固，當裂紋較寬時，應同時考慮加鐵箍。當建筑構件內(nèi)部裂縫時間較長時，如壞腐不是很嚴重，需要在構件裂縫較長處內(nèi)部澆注一層環(huán)保過氧酸酯樹脂，然后用鐵箍將紙箱固定。當建筑構件的內(nèi)部裂縫受力寬度超過工程規(guī)定受力限值時，應驗收計算建筑結構內(nèi)部構件的裂縫承載力，符合規(guī)定受力寬度要求的，仍允許可選擇采用裂縫預埋法，不可能符合規(guī)定受力寬度要求的，采用加固法。

修復加固技術的展望

對古代建筑文化遺產(chǎn)進行營繕修復和保護加固的主要目的是為了保護古代建筑的歷史藝術文化價值，也是一項嚴謹?shù)目茖W研究保護工作，需要嚴格遵循嚴謹科學的遺產(chǎn)保護工藝原則及工藝操作流程。中國古代建筑保護傳統(tǒng)的磚木結構遺產(chǎn)保護工藝技術標準體系在保護理念、工藝、技術以及內(nèi)容等各個方面都非常迫切需要持續(xù)改進和不斷創(chuàng)新。

目前，古建筑木結構修繕修復加固以“修補”觀念為主，與我國現(xiàn)代建筑木結構中被維修修繕加固的傳統(tǒng)觀念不盡一致，實踐也不健全和完善。未來的傳統(tǒng)觀念改革應該首先從傳統(tǒng)遺產(chǎn)文化價值的維護保存出發(fā)，同時也要考慮中國的古建筑具有文化、復古、結構等基本特點，發(fā)展以更能滿足文化遺產(chǎn)利益保護的實際需要，適應這一歷史土壤下的文化遺產(chǎn)利益保護的新理念。我們應遵循現(xiàn)代遺產(chǎn)保護理念，提高遺產(chǎn)保護與恢復研究的嚴謹性和行為規(guī)范性，遵循真實性和完整性原則，在腐爛、裂紋等損壞的修復和加固中，要合理且最大限度地更換材料部件;遵循最小干預原則，僅當材料可能未保留或組件無法滿足應力要求時，將作替換。遵循可逆性和可識別性原則，注意可逆性的工藝措施，使新的材料具有一定的可識別性。為了尊重中國傳統(tǒng)美學，木材結構的特點和連續(xù)性打破了傳統(tǒng)的做法，注重建筑形式的完整性、設計性和風格性，如有必要對建筑進行表面修整，在構件的完整性方面有重要意義或對建筑結構的安全性有內(nèi)在要求酌情更新。在更換材料構件時，它們應具有可識別性，以確保建筑的整體和諧統(tǒng)一，并基于材料的可識別性。

傳統(tǒng)的修復加固主要依靠工匠的經(jīng)驗判斷，現(xiàn)代新型建筑維修維護加固工程技術尚未完全形成完整的保護體系。由于我國古建筑的主體木結構損傷多樣，損傷發(fā)生機理復雜，為了做到科學正確地修復其在建筑結構本體上的損傷，必須通過綜合多門學科，開展充分的科學研究和準備修復工作，才能盡快制定正確的損傷修復保護策略、技術解決方案和保護工程管理系統(tǒng)。在現(xiàn)代國家進行木結構損傷修復的技術保護管理過程中，應根據(jù)我國木結構修復損傷的不同特點，結合三維圖像掃描、建筑地理信息數(shù)據(jù)建模等先進保護工程技術，正視文化遺產(chǎn)權的保護，積極探索構建“中國歷史和建筑文化數(shù)據(jù)分析、建筑繪圖和三維掃描建筑信息建模數(shù)據(jù)分析平臺、建筑性能和使用價值標準評估、建筑維修和維護加固技術設計”等，通過古代歷史背景調查和古代遺址發(fā)掘考古收集歷史時期演變、結構特征等歷史背景調查資料，了解我國建筑木質結構件的始建年代。

通過三維圖像激發(fā)和熒光成像技術，結合我國傳統(tǒng)三維測繪處理方法，建立從原木結構構件整體到建筑構件的三維深度精細化測繪模型。通過利用紅外線產(chǎn)生熱輻射圖像、三維光學應力和微波成像技術及其他相關科學實驗技術探索，調查木結構或建筑構件內(nèi)部材料損壞性質、損傷處理情況，全面準確掌握建筑構件材料損傷處理特征。在此基礎上還可建立“建筑信息模型”，對各種建筑材料結構、構件性能進行基本性能和損傷價值類別評估。構建不同的性能損傷信息模型，如構件腐爛、裂縫等，有限元模型分析和構建虛擬構件修復模型加固，以用于評估構件修復前后的性能安全性和所有者的性能，基于建筑材料創(chuàng)建構件的基本性質和性能損傷類別信息，基于不同時變構件累積后的損傷信息模型即可構建不同損傷類別，對不同構件的性能可靠性類別進行性能評估價值估算。基于建筑構件性能歷史性的文化保護分析和現(xiàn)場情況調查數(shù)據(jù)，根據(jù)物質遺產(chǎn)文化保護評估理論和相關法律，建立構件價值觀的評估理論模型及其類型。通過構件性能和使用價值觀的評估，為構件維修和加固工程設計工作提供可靠的技術理論依據(jù)。

中國古代傳統(tǒng)建筑與土木結構加固修復技術和加固傳統(tǒng)技術的不斷演變和發(fā)展，根植于中國獨特的古代建筑藝術文化設計理念和建筑結構特征。特別注重“以新求全”的建筑理念，流程技術傳統(tǒng)結構維修加固技術改造現(xiàn)代建筑結構修復加固維修技術、構件加固維修與結構加固技術、傳統(tǒng)結構加固技術維修和傳統(tǒng)技術改造現(xiàn)代結構加固技術維修，要注重實踐經(jīng)驗價值判斷，技術改造內(nèi)容以運用傳統(tǒng)建筑材料和現(xiàn)代工藝技術為主。這一加固技術改造體系有效維護保持了我國傳統(tǒng)古代建筑作品展覽技術發(fā)展史，并成為世界建筑文化遺產(chǎn)“真實性”技術內(nèi)容的一部分，但這種傳統(tǒng)的木材修復技術在不能完全滿足現(xiàn)代建筑遺產(chǎn)保護的同時，現(xiàn)代維修加固技術不能很好彌補傳統(tǒng)技術體系的不足。

未來基于建筑遺產(chǎn)保護理念，基于多學科合作，采用新技術和材料繼承傳統(tǒng)技能，與現(xiàn)有技術相比，技術體系正在積極改進和完善。在保護觀念上，應從保護符合我國現(xiàn)代建筑遺產(chǎn)修復保護的基本原則高度出發(fā)，尊重中國強化傳統(tǒng)建筑文化保護觀念、美學和現(xiàn)代建筑藝術特色，提高建筑遺產(chǎn)修復保護與建筑修復的“研究性和嚴謹性”，保護現(xiàn)代建筑文化遺產(chǎn)的核心價值觀和信息。在建筑工作保護流程上，要充分結合現(xiàn)代建筑結構文化、測繪、構力學、計算機科學等多門學科，充分利用各種現(xiàn)代科學技術手段，建立一套系統(tǒng)嚴密的遺產(chǎn)防護建筑工作技術流程管理體系，通過系統(tǒng)科學的技術評估結果分析，制定合理的建筑維修保護加固措施方案。在保護技術管理內(nèi)容上，要不斷繼承和發(fā)展傳統(tǒng)保護技術的基礎上，積極探索采用新技術材料、新工藝技術，彌補弱化傳統(tǒng)保護技術，不斷更新和建立完善特色的木結構遺產(chǎn)保護工程技術管理體系。通過保護觀念技術改進、工作保護流程技術改進、材料保護技術創(chuàng)新，以更好地維護保存東方古建筑的原始主體形態(tài)、結構和所用材料，形成符合現(xiàn)代建筑遺產(chǎn)修復保護的實際需要。

作者單位：中國石油大學