江津奎星閣保護(hù)性修繕中科技手段的應(yīng)用分析

張亮

（重慶市江津區(qū)文物管理所，重慶 402260）

古建筑是中華優(yōu)秀文化遺產(chǎn)的重要載體。我國(guó)古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，隨著木構(gòu)架建造技術(shù)的不斷發(fā)展，自宋代李誡著《營(yíng)造法式》以來，中國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑已成為世界三大建筑體系之一①。木材存在易受腐蝕、易受蟲蛀等弊端，在物理及化學(xué)長(zhǎng)期作用、昆蟲和微生物侵害及人為破壞下，木結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)霉變、腐朽、蟲蛀、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等病害，亟待通過預(yù)防性保護(hù)提升其性能以期“延年益壽”②。傳統(tǒng)古建筑木結(jié)構(gòu)修繕主要根據(jù)工匠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，通過目測(cè)、敲擊、辯聲等來判斷構(gòu)件殘損程度，從而確定維修范圍，其檢測(cè)結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確。例如涇縣吊棟閣在修繕過程中通過測(cè)繪拍照分析了古建筑破壞原因，并在此基礎(chǔ)上確定了后續(xù)修繕方法③；黃榮鳳等根據(jù)目測(cè)、皮羅釘徑向檢測(cè)評(píng)估木材材質(zhì)狀況④。同時(shí)，在修繕過程中，為確保達(dá)到“修舊如舊”的目標(biāo)，貼換木構(gòu)件應(yīng)與原材料保持一致，但古建筑修建年代久遠(yuǎn)，往往找不到合適替換木構(gòu)件和合理的施工工藝。賀歡通過含水率、木材強(qiáng)度測(cè)試對(duì)比對(duì)腐朽構(gòu)件進(jìn)行替換⑤。修繕完工后主要以糾偏是否到位、病害構(gòu)件是否完全替換等為依據(jù)對(duì)修繕效果進(jìn)行局部評(píng)價(jià)，高延安等通過環(huán)境激勵(lì)測(cè)試對(duì)修繕后飛云樓的整體狀態(tài)、抗震性能進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)⑥。為遵循文物保護(hù)最少干預(yù)、可識(shí)別性及可逆性原則，應(yīng)盡量減少人工檢測(cè)、修復(fù)發(fā)生的誤判情況，避免人為“保護(hù)式破壞”。張艷霞等采用應(yīng)力波與阻抗儀對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，得到了結(jié)構(gòu)的腐朽與殘損情況⑦；在河南少林寺初祖庵大殿闌額殘損修復(fù)中，利用超聲波無損探傷儀進(jìn)行檢測(cè)與分析，得到了構(gòu)件殘損點(diǎn)位置⑧。

科技手段在古建筑木結(jié)構(gòu)修繕中得到了越來越多的應(yīng)用，但從修繕前、修繕中及修繕后的全過程應(yīng)用科技手段的案例不多。鑒于此，本文以江津奎星閣保護(hù)性修繕為背景，修繕前，在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，通過增加超聲波儀、貫入度測(cè)量?jī)x等縮小了維修范圍，借助顯微鏡、電鏡、X熒光分析等手段，測(cè)取木材含水率、成分分析、含鹽量等指標(biāo)，科學(xué)開展新老材料的比對(duì)評(píng)估，提升施工質(zhì)量控制水平；使用加速度傳感器、應(yīng)力波等手段開展后期檢測(cè)評(píng)估工作，對(duì)修繕后結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，確保修繕效果。通過科技手段全過程、全方位引入，為類似古建筑的保護(hù)性維修提供了參考。

1 江津奎星閣維修范圍的準(zhǔn)確判定

江津奎星閣（圖1）始建于乾隆四十二年（1777），為重慶地區(qū)僅存的清代奎星閣建筑，通高為23.8m。該閣在清代營(yíng)造法式的基礎(chǔ)上，在斗拱、彩繪等方面融入了當(dāng)?shù)匚幕卣鳎瑯O具地方特色，對(duì)研究重慶地區(qū)明清建筑具有重要意義，2009年被評(píng)為重慶市文物保護(hù)單位。奎星閣一直存在屋面局部漏雨，部分梁、檁和椽糟朽，蟲害，歪閃與壓裂變形，油漆、彩繪大量起甲、脫落等問題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人工勘察發(fā)現(xiàn)二層西側(cè)外檐柱墩接失效，發(fā)生側(cè)移，造成三層梁架整體向外傾斜7cm，致使龍頭挑受力結(jié)構(gòu)變化而斷裂；部分承重構(gòu)件有明顯下?lián)蟽A向，開裂變形，木屋架有劈裂折斷，架端節(jié)點(diǎn)腐朽、銹蝕嚴(yán)重，部分柱梁構(gòu)件敲擊有空鼓聲音，疑存在中空現(xiàn)象。為進(jìn)一步明確維修范圍，在現(xiàn)場(chǎng)引入超聲波、應(yīng)力波等無損檢測(cè)手段。

圖1 奎星閣立面圖

超聲波檢測(cè)：超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波，具有方向性好、反射能力強(qiáng)、易于獲得較集中的聲能等優(yōu)勢(shì)⑨。超聲波檢測(cè)是在不損壞檢測(cè)對(duì)象的前提下，利用被檢測(cè)材料與缺陷的聲學(xué)性能存在差異的特點(diǎn)，使用相應(yīng)超聲波檢測(cè)設(shè)備與器材，通過超聲波在傳播過程中的反射、折射、衍射情況和傳播時(shí)間、能量變化，對(duì)檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部、表面進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，檢測(cè)原理如圖2，某木柱檢測(cè)情況如圖3。

圖2 超聲波檢測(cè)原理

圖3 超聲波檢測(cè)情況

應(yīng)力波損傷檢測(cè)：健康的樹木能夠進(jìn)行良好均勻的聲波傳導(dǎo)，而腐爛的內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)空洞，致使聲音傳播不均勻，應(yīng)力波檢測(cè)儀利用聲波在健康樹木中的傳播速度遠(yuǎn)高于在有空洞的樹木中的傳播速度，布置多個(gè)傳感器，通過發(fā)射的聲波到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，推算出空洞的位置，并通過成像算法映射得到腐爛的位置示意圖像，其檢測(cè)原理如圖4所示。對(duì)奎星閣邊緣6根通柱進(jìn)行損傷檢測(cè)，分別在1～2夾層、2～3夾層進(jìn)行測(cè)試。限于篇幅，僅列出其中一根通柱監(jiān)測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果如圖5，圖中綠色代表該區(qū)域完好，紅色代表該區(qū)域存在腐朽，藍(lán)色代表該區(qū)域存在空洞。從圖可知該構(gòu)件有大面積空洞腐朽，存在嚴(yán)重缺陷。通過超聲波、應(yīng)力波無損檢測(cè)，新發(fā)現(xiàn)部分木柱空鼓、糟朽引起強(qiáng)度減弱以及角挑斷裂等情況。因此，在原人工檢查的基礎(chǔ)上增加了二層龍頭角挑更換，與此相連的3層外檐柱的墩接處重新加固處理。同時(shí)，對(duì)發(fā)現(xiàn)有糟朽、開裂和內(nèi)部中空的木構(gòu)件用挖補(bǔ)楔塞、環(huán)氧樹脂灌漿加固的方式予以維修加強(qiáng)。

圖4 應(yīng)力波損傷檢測(cè)原理示意圖

圖5 應(yīng)力波損傷檢測(cè)結(jié)果（左圖1～2夾層，右圖3～4夾層）

2 替換構(gòu)件材質(zhì)檢測(cè)

為科學(xué)地對(duì)新舊建筑木材進(jìn)行比對(duì)評(píng)估，全面了解奎星閣原有木結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，為后續(xù)替換或原狀保護(hù)修繕工程施工工藝的選擇提供科學(xué)依據(jù)，分別使用顯微鏡、電鏡、X光對(duì)木材含水率、成分、含鹽量等進(jìn)行分析，幫助選取與原木材質(zhì)相近的木材進(jìn)行替換。

木材含水率檢測(cè)：木材的含水率高低會(huì)影響木材的強(qiáng)度與后期彩繪的涂裝等。當(dāng)含水率高，涂裝后的木制品還可與外界進(jìn)行水分交換時(shí)，木材中的水分與空氣中的水分會(huì)互相流動(dòng)直到達(dá)到平衡，這時(shí)的木材含水率稱為平衡含水率，可以理解為木材的含水率與空氣中的含水率達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)木材含水率低于平衡含水率，會(huì)從空氣中吸水，木材會(huì)發(fā)生膨脹；木材含水率高于平衡含水率，會(huì)失去水分發(fā)生收縮，造成木制品因收縮而翹曲變形、開裂。因此，為了避免木質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，其含水率必須控制在平衡含水率下。

需要注意的是，因地理位置的差異，我國(guó)各地氣候不盡相同，重慶地區(qū)木材平衡含水率為16%～18%⑩，本次測(cè)試中原木構(gòu)件含水率檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知奎星閣原木材實(shí)測(cè)含水率略偏高于重慶平衡含水率，不利于后期彩繪涂裝修繕過程的進(jìn)行，且長(zhǎng)期含水率偏高，可能會(huì)造成木材腐變損壞。根據(jù)重慶地區(qū)木材平衡含水率值大小，選取適合的木材對(duì)原木材進(jìn)行替換修繕，選取木材的含水率如圖7所示。由圖7可知相比于原木材，修繕?biāo)媚静暮蚀蠖辔挥?8%以下，與重慶平衡含水率更為接近，更易于進(jìn)行后續(xù)彩繪涂裝等工作，且可避免后續(xù)失水過多導(dǎo)致木構(gòu)件翹曲變形。

圖6 原木材含水率測(cè)試

圖7 修繕木材含水率測(cè)試

離子濃度檢測(cè)：木結(jié)構(gòu)包含的離子濃度的高低會(huì)影響其保存時(shí)間的長(zhǎng)短，離子濃度過高不利于木制文物的長(zhǎng)期保存?，故可根據(jù)對(duì)新舊木材離子濃度的檢測(cè)推測(cè)舊木材的腐朽程度及完成新木材的選擇。分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)新舊木材取樣進(jìn)行離子濃度測(cè)試，測(cè)試儀器如圖8所示，測(cè)試結(jié)果列于表1。由表1可知新杉木相較于老杉木離子濃度較低，可用于對(duì)老杉木構(gòu)件的有效替換，延長(zhǎng)古建筑木結(jié)構(gòu)的使用壽命。

圖8 離子濃度檢測(cè)儀

表1 離子濃度檢測(cè)結(jié)果

3 動(dòng)力特性測(cè)試

為了解修繕后結(jié)構(gòu)整體性能，對(duì)奎星閣進(jìn)行環(huán)境激勵(lì)下動(dòng)力特性測(cè)試。為盡可能多地記錄結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息，在每一通柱柱腳處布置水平測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)方向沿邊長(zhǎng)方向布置，每層共布置6個(gè)傳感器。傳感器在平面內(nèi)的布置如圖9所示。使用頻域分解法對(duì)二層明層至盔頂層各層1～4號(hào)柱柱腳位置處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到功率譜密度-頻率曲線如圖10～圖12所示。由圖10～圖12可知在各層的功率譜密度函數(shù)曲線中，除盔頂層識(shí)別頻率存在細(xì)微的差異外，通過峰值點(diǎn)拾取識(shí)別所得到的頻率基本一致，表明識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中，在各層功率譜密度曲線中，隨著頻率階數(shù)增加，對(duì)應(yīng)的功率譜密度峰值總體上呈降低趨勢(shì)，表明結(jié)構(gòu)的振型參與系數(shù)隨模態(tài)階數(shù)增加而減小。取各層功率譜密度曲線上相應(yīng)于各自頻率的峰值，采用半功率帶寬法?計(jì)算并平均得到結(jié)構(gòu)的各界阻尼比列于表2。為便于對(duì)比，給出《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中古建筑木結(jié)構(gòu)自振頻率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式?：

圖9 傳感器平面布置示意圖

圖10 二層明層功率譜密度曲線

圖11 三層明層功率譜密度曲線

圖12 盔頂層功率譜密度曲線

表2 動(dòng)力特性參數(shù)

式中：fj表示結(jié)構(gòu)的第j階固有頻率；H表示結(jié)構(gòu)的計(jì)算總高度，其取值為臺(tái)基頂至頂層檐柱頂?shù)母叨?；λj表示結(jié)構(gòu)第j階固有頻率計(jì)算系數(shù)；φ表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量剛度參數(shù)，兩重檐以上樓閣取為60。根據(jù)奎星閣結(jié)構(gòu)參數(shù)，估算出其第一階自振頻率為1.248Hz。

實(shí)測(cè)獲得結(jié)構(gòu)的基頻為1.5Hz，與動(dòng)力特性預(yù)估值1.248Hz之間的相對(duì)誤差為16.8%，實(shí)測(cè)頻率大于預(yù)估頻率，這一方面是因?yàn)樵诶碚撚?jì)算時(shí)，將奎星閣完全視為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，而事實(shí)上靠近地面的兩層檐柱為石柱，其剛度大于對(duì)應(yīng)截面木柱；另一方面，在此前的結(jié)構(gòu)修繕過程中，為了增加結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處使用了鋼板進(jìn)行加固，這進(jìn)一步增加了結(jié)構(gòu)剛度，從而使得實(shí)測(cè)頻率高于理論估算頻率。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)目測(cè)、敲擊等檢測(cè)手段不夠準(zhǔn)確的缺陷，本文將科技手段引入奎星閣古木結(jié)構(gòu)修繕前、中、后全周期過程中。結(jié)果表明，科技手段能夠達(dá)到科學(xué)判定木構(gòu)件內(nèi)部殘損、有效控制施工過程質(zhì)量和合理評(píng)估修繕效果的目標(biāo)，可為類似古建筑保護(hù)性修繕提供借鑒。所得結(jié)論如下：①修繕前，通過超聲波儀、應(yīng)力波無損檢測(cè)儀等對(duì)奎星閣構(gòu)件進(jìn)行損傷檢測(cè)，高效確定了待修繕構(gòu)件位置及損傷程度，縮小了維修范圍，為后續(xù)修繕工作奠定基礎(chǔ)。②修繕中，通過離子濃度檢測(cè)儀、含水率檢測(cè)儀等對(duì)木材含水率、含鹽量進(jìn)行檢測(cè)，將新老材料進(jìn)行對(duì)比，選取了與重慶地區(qū)平衡含水率更為接近、離子濃度更低的構(gòu)件，有效控制了施工過程質(zhì)量，完成了木構(gòu)件修繕替換。③修繕后，通過動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果實(shí)現(xiàn)奎星閣整體性能評(píng)估。結(jié)果顯示，木塔各階阻尼比位于0.010～0.044，處于正常范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)下?lián)碛辛己玫暮哪茏饔?，整體抗震性能良好。

注釋

①徐龍.《中國(guó)古建筑文化集錦》：中國(guó)建筑中的藝術(shù)美學(xué)[J].建筑學(xué)報(bào)，2022（1）：125.

②袁霄，陳勇平，郭文靜.古建筑木結(jié)構(gòu)多發(fā)殘損的特征及防控分析[J].木材科學(xué)與技術(shù)，2021，35（5）：54-59.

③倪艷，唐根麗，張澤培，等.木結(jié)構(gòu)古建筑的保護(hù)及修繕方法研究：以涇縣吊棟閣為例[J].價(jià)值工程，2019，38（23）：238-240.

④黃榮鳳，伍艷梅，李華，等.古建筑舊木材腐朽狀況皮羅釘檢測(cè)結(jié)果的定量分析[J].林業(yè)科學(xué)，2010，46（10）：114-118.

⑤賀歡.我國(guó)文物建筑保護(hù)修復(fù)方法與技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

⑥高延安，楊慶山，王娟，等.環(huán)境激勵(lì)下古建筑飛云樓動(dòng)力性能分析[J].振動(dòng)與沖擊，2015，34（22）：144-148，182.

⑦?張艷霞，王彥，張國(guó)軍，等.應(yīng)力波和阻抗儀技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].工程抗震與加固改造，2019，41（1）：145-151，157.

⑧劉義凡，李哲瑞，張曉蘭，等.超聲波無損檢測(cè)技術(shù)在古建筑檢測(cè)中的應(yīng)用：以少林寺初祖庵大殿闌額為例[J].工業(yè)建筑，2021，51（5）：37-43.

⑨于帥帥.木構(gòu)古建筑缺陷檢測(cè)方法發(fā)展現(xiàn)狀及其展望[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44（11）：4-5，13.

⑩顧煉百.木材干燥：第3講：木材的平衡含水率及其應(yīng)用[J].林產(chǎn)工業(yè)，2002（4）：43-46.

?秦術(shù)杰，楊娜，曹寶珠，等.故宮同道堂木結(jié)構(gòu)的殘損分析及保護(hù)建議[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文），2022，44（2）：119-128.

?Baisheng Wu.A correction of the half-power bandwidth method for estimating damping[J].Archive of Applied Mechanics，2015，85（2）：315-320.