略談古建筑木結(jié)構(gòu)加固及其性能研究

喬惠芳

(山西省古建筑與彩塑壁畫保護(hù)研究院，山西 太原 030012)

古建筑木結(jié)構(gòu)是中國文明最重要的載體之一，隨著時間的不斷推移，諸多因素對我國古建筑的木結(jié)構(gòu)造成了破壞，影響了古建筑木結(jié)構(gòu)的健康和壽命，導(dǎo)致木材的性能退化，降低了古建筑木結(jié)構(gòu)的承載能力，使古建筑木結(jié)構(gòu)面臨著隨時坍塌的危險。文章研究了加固古建筑木結(jié)構(gòu)的措施，使古建筑木結(jié)構(gòu)的性能得以維護(hù)，以確保為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供指導(dǎo)意見。

1 我國古建筑木結(jié)構(gòu)的基本特征

我國大部分古建筑都是以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，承載了我國五千年的悠長歷史，但是到目前為止，我國卻很少有保存完好的古建筑木結(jié)構(gòu)。通過相關(guān)調(diào)查和分析可以得知，相較于其他建筑類型，我國古建筑木結(jié)構(gòu)有著獨(dú)特的設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)布置方式，因此，我國古建筑木結(jié)構(gòu)能夠在歷史長河中得以保存。

1.1 以木材為主要建筑材料

木材是我國古建筑木結(jié)構(gòu)的主要材料，在設(shè)計建筑的骨架時，選擇木材作為主要材料，會使建筑結(jié)構(gòu)框架具有彈性。而且在設(shè)計古建筑木結(jié)構(gòu)時，墻壁不作為主要的承重結(jié)構(gòu)，因此，也使建筑物的靈活性有所提升，使建筑的結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性，也就是說，使用木材來進(jìn)行古建筑木結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅可以提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性，同時，也可使建筑的風(fēng)格更為獨(dú)特出眾。榫卯結(jié)構(gòu)是在建設(shè)木結(jié)構(gòu)體系中最關(guān)鍵的技術(shù)，會為木結(jié)構(gòu)建筑賦予柔性的特征，再加上木質(zhì)材料受到自身剛度小、質(zhì)量輕特性的影響，會降低古建筑木結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害來臨時所出現(xiàn)的慣性，因此，這也就使古建筑木結(jié)構(gòu)具有突出的防震、抗震效果。

1.2 具有突出的抗震性能

我國在設(shè)計古建筑木結(jié)構(gòu)時，會使用雀替、榫卯結(jié)構(gòu)等特殊工藝技術(shù)來對梁柱節(jié)點(diǎn)等重要位置進(jìn)行連接，使結(jié)構(gòu)的可靠性有所提升，并且能夠保證建筑結(jié)構(gòu)的靈活性和安全性，雀替和榫卯結(jié)構(gòu)是一類柔性結(jié)構(gòu)工藝技巧，也與當(dāng)今社會的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等剛性結(jié)構(gòu)的工藝有所不同，建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能較強(qiáng)，而且具有極高的靈活性(如圖1)。除此之外，在對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，最關(guān)鍵的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)就是建筑的梁、柱等結(jié)構(gòu)，不僅可以承擔(dān)建筑的自重荷載，同時也可以承擔(dān)其他外在因素所帶來的附加荷載，保證木結(jié)構(gòu)古建筑的長久保存。

(a)榫卯(b)雀替圖1 雀替和榫卯結(jié)構(gòu)

1.3 建筑外形造型優(yōu)美，層次分明

在設(shè)計古建筑木結(jié)構(gòu)時，最需要遵守的原則就是平面規(guī)則，大多都是呈現(xiàn)對稱分布，在建筑的垂直面上，建筑的每一層結(jié)構(gòu)設(shè)計都有其獨(dú)特的設(shè)計要點(diǎn)，而建筑的設(shè)計則是與建筑的功能和結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系。在對殿堂式古建筑進(jìn)行設(shè)計時，主要分為四個結(jié)構(gòu)層次；而在對于廳堂式的古建筑進(jìn)行設(shè)計時，則會將建筑分為三個層次。通過建筑的層次，可以對古建筑的功能進(jìn)行判斷，而且建筑的外形結(jié)構(gòu)優(yōu)美，極具藝術(shù)欣賞價值。

2 古建筑木結(jié)構(gòu)的破壞分析

隨著時間的流逝，古建筑木結(jié)構(gòu)受到多種因素的影響而出現(xiàn)了一定的損傷，比如材料腐化、干縮裂縫等等，都會使建筑結(jié)構(gòu)的整體性受到破壞，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的安全性能受到影響，如果損害嚴(yán)重，還有可能會導(dǎo)致建筑倒塌。所以，相關(guān)工作人員就必須要對破壞古建筑木結(jié)構(gòu)的相關(guān)因素進(jìn)行科學(xué)合理的分析，這樣才可以為后續(xù)開展古建筑木結(jié)構(gòu)的保護(hù)、修繕和加固工作提供借鑒。

2.1 地基基礎(chǔ)的破壞

在進(jìn)行工程修建時，地基基礎(chǔ)是基礎(chǔ)部分，地基基礎(chǔ)的修建可以保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免建筑出現(xiàn)傾斜和沉降，換句話說，地基基礎(chǔ)質(zhì)量的好壞會直接影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。而在進(jìn)行古建筑木結(jié)構(gòu)修建時，組成建筑地基基礎(chǔ)的部分主要包括三點(diǎn)：地基、基礎(chǔ)和臺基，而能夠?qū)Φ鼗A(chǔ)造成破壞的主要因素有以下幾方面。

2.2 沒有選擇合理的建筑場地

在進(jìn)行古建筑修建時，沒有對修建地址進(jìn)行合理選擇，導(dǎo)致在軟弱土、液化土等地區(qū)進(jìn)行建筑修建，這樣就會導(dǎo)致建筑的地基基礎(chǔ)發(fā)生沉降和傾斜現(xiàn)象。而且還有部分古建筑是在山體滑坡、泥石流等危險地段修建的，一旦發(fā)生自然災(zāi)害，就會對古建筑結(jié)構(gòu)造成毀滅性的打擊。除此之外，還有一部分古建筑是建立在山尖等地帶，比如“四川省江油市竇圌山云巖寺竇真殿”，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，就會放大地震的作用，破壞建筑的地基基礎(chǔ)。

2.3 自然作用的破壞

地基基礎(chǔ)受到地震的影響會出現(xiàn)明顯的臺階裂縫現(xiàn)象，而且在地震的作用下，會導(dǎo)致地基基礎(chǔ)的柱礎(chǔ)石發(fā)生偏移，使建筑的上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到影響，經(jīng)過常年的風(fēng)雨侵襲，建筑的臺基磚砌體也會受到影響出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，影響地基的承載能力，破壞地基基礎(chǔ)。

2.4 上部木結(jié)構(gòu)的破壞

(1)構(gòu)件的破壞 木材是古建筑木結(jié)構(gòu)的主要材料，木材結(jié)構(gòu)受到自身特性的影響，與現(xiàn)代建筑材料的力學(xué)性質(zhì)有明顯不同，隨著時間的不斷推移，光照、風(fēng)干和雨雪等外界環(huán)境的變化都會對木材造成一定的影響，使木材出現(xiàn)老化、開裂等現(xiàn)象。除此之外，木材當(dāng)中的真菌等微生物也會對木材結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分解影響，從而導(dǎo)致木材的承受能力降低，使建筑的使用年限縮減，降低了木材的安全性和承載力。

(2)節(jié)點(diǎn)的破壞 我國古代大多是用直榫和燕尾榫兩種方式來連接木結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)，為了方便工人施工，會在榫和卯之間留下縫隙，這樣就導(dǎo)致建筑在面臨地震時會出現(xiàn)卯孔變松的現(xiàn)象。隨著時間的推移，榫頭會出現(xiàn)收縮變形，長此以往，就會破壞梁柱結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，從而使建筑出現(xiàn)整體性的倒塌，不利于對于古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

3 古建筑木結(jié)構(gòu)的修繕加固方法

為了能夠?qū)沤ㄖ窘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地保護(hù)，相關(guān)部門就應(yīng)該重視對古建筑木結(jié)構(gòu)的加固和修繕，這是一項(xiàng)需要長期堅持的工作，具有復(fù)雜的工作細(xì)節(jié)，在修繕和加固古建筑木結(jié)構(gòu)時，工作人員應(yīng)該對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，因?yàn)榻ㄖ慕Y(jié)構(gòu)會對建筑的穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重影響。因此，在修繕和加固時，需要工作人員對古建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)研究，并且對古建筑的受力特點(diǎn)進(jìn)行深入探究。其次，也應(yīng)該深入研究加固和修繕古建筑木結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)，加強(qiáng)構(gòu)件與新舊材料之間的聯(lián)系，以保證古建筑木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3.1 加固建筑整體

工作人員在加固古建筑木結(jié)構(gòu)整體時，主要會使用三種方法。

(1)落架大修 在使用該方法對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修時，要求工作人員全部或部分拆除木結(jié)構(gòu)框架，然后對當(dāng)中被損壞的構(gòu)件進(jìn)行修整或者替換，從而能夠加固古建筑木結(jié)構(gòu)的整體。在進(jìn)行加固施工時，工作人員需要先制定完整的修繕加固方案，然后再結(jié)合方案來對建筑的瓦頂?shù)炔课贿M(jìn)行拆除，并對被損害的構(gòu)件進(jìn)行替換或是維修。而在拆除古建筑木結(jié)構(gòu)當(dāng)中被損害的構(gòu)件時，工作人員需要對榫頭進(jìn)行保護(hù)，避免折斷，同時，還應(yīng)該采取有效措施保護(hù)建筑物的彩繪圖案，避免在維修時出現(xiàn)圖案脫落的現(xiàn)象，對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)和還原。如果在修繕古建筑木結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)梁等結(jié)構(gòu)被腐蝕，那么就必須要對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行更換。

(2)打牮撥正法 利用此方法來對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修繕，可以不拆除整體的古建筑結(jié)構(gòu)框架，而是對發(fā)生傾斜的建筑構(gòu)件進(jìn)行恢復(fù)，并且對被損害的部分進(jìn)行加固處理。在加固修繕的過程中，工作人員可以先將建筑的部分結(jié)構(gòu)拆除，然后，需要拆除和清理已有加固的鐵件，并且對損害嚴(yán)重的梁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位處理。這一方法主要運(yùn)用到整體結(jié)構(gòu)保存完好，而只有部分結(jié)構(gòu)需要維修的古建筑當(dāng)中。

(3)抬升整體結(jié)構(gòu)法 如果房屋建筑的高度已經(jīng)難以滿足使用需求，那么，工作人員就可以使用整體抬升的方式來修繕和加固建筑物的大框架，可以在構(gòu)件損害較小的修繕和加固工程當(dāng)中使用。在施工時，工作人員需要主要處理房屋的結(jié)構(gòu)柱，并且在結(jié)構(gòu)柱旁邊安裝液壓千斤頂，使用機(jī)械設(shè)備對房屋結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行切割分離處理，并且使用千斤頂來抬升房屋的整體結(jié)構(gòu)，在將房屋抬升到設(shè)計高度之后，可以使用相關(guān)材料連接新舊結(jié)構(gòu)，以確保房屋結(jié)構(gòu)的完整性。最后，工作人員就可以將抬升設(shè)備拆除，并且裝飾房屋結(jié)構(gòu)。

3.2 加固地基基礎(chǔ)

加固古建筑木結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)，是為了能夠加強(qiáng)古建筑地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，避免古建筑上部結(jié)構(gòu)受到損害。通過對地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固，可以有效提高古建筑的承受能力，并且延長古建筑的使用壽命。

(1)可以使用石砌護(hù)坡法來對處于山頂或山下的古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，這樣可以穩(wěn)定山頂古建筑木結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)，同時，也可以對山腳下的古建筑進(jìn)行保護(hù)，不會受到山體滑坡等自然災(zāi)害的影響。如果在古建筑的周圍地區(qū)出現(xiàn)局部塌陷的現(xiàn)象，那么，工作人員在加固地基時，可以使用碎石回填的方法。

(2)在加固古建筑木結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)時，也可以使用一類間接方法——在古建筑的周圍設(shè)置合理的排水設(shè)施。這一措施的使用可以保證地基基礎(chǔ)的密閉性，以免水對地基基礎(chǔ)造成侵蝕，使地基基礎(chǔ)的變形范圍擴(kuò)大。同時，修建明水溝也可以方便工作人員檢修，一旦發(fā)現(xiàn)溝渠堵塞，那么，工作人員就可以及時采取措施對其進(jìn)行修整。

(3)在對古建筑的臺基砌體進(jìn)行加固修繕時，工作人員可以將風(fēng)化嚴(yán)重的、有裂縫的砌體和石塊拆除，并且在新舊磚層之間鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，使用鋼筋對其進(jìn)行加固，同時，可以使新舊砌體的整體性能有所增強(qiáng)，以免地基基礎(chǔ)出現(xiàn)移位，從而能夠保證建筑上層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 加固建筑構(gòu)件

可以使用以下幾種方式來加固古建筑木結(jié)構(gòu)。

(1)嵌補(bǔ)加固法 經(jīng)過時間的洗禮，古建筑木結(jié)構(gòu)會因?yàn)楦煽s而出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的不斷加寬，會嚴(yán)重影響古建筑木結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。因此，工作人員可以使用嵌補(bǔ)加固法來對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修繕。在進(jìn)行加固施工時，工作人員如果發(fā)現(xiàn)裂縫的寬度較小，那么就可以使用涂刷和油飾等方式來勾抹裂縫，而如果發(fā)現(xiàn)裂縫的寬度大于30mm，那么就可以使用木條和膠黏劑來嵌補(bǔ)裂縫，并且可以將鐵箍等加入到木條當(dāng)中進(jìn)行嵌補(bǔ)施工，使建筑的整體穩(wěn)定性和安全性有所提升。同時，如果在修繕時發(fā)現(xiàn)梁、柱等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較長的裂縫，可以在柱子內(nèi)嵌入鐵箍，使梁、柱等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有所保障。

(2)墩接加固法 工作人員在對腐蝕嚴(yán)重的古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修繕時，可以充分考慮建筑部件的腐朽程度，可以根據(jù)具體加固方式將墩接類型分為三種：木料墩接，鋼筋混凝土墩接和石料蹲接。在加固古建筑木結(jié)構(gòu)時使用木料墩接法，也就是充分利用巴掌榫和抄手榫等，在加固古建筑時，工作人員必須要對墩接榫頭的位置進(jìn)行嚴(yán)格控制。而在加固古建筑木結(jié)構(gòu)時使用鋼筋混凝土墩接法運(yùn)用到墻內(nèi)的暗柱加固施工中，并且工作人員需要嚴(yán)格要求柱的高度和寬度。

(3)偷梁換柱法 該方法的使用，也就是指在加固修繕建筑木結(jié)構(gòu)時，不改變古建筑的整體框架，而只是對被損害的梁、柱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行更換和修繕。通過分析可以得知，偷梁換柱法主要包含兩大類：第一，使用新的柱子來代替被損害的柱子，使古建筑的荷載力得到保證。另一種方式就是將被損害的構(gòu)件抬起，在使基礎(chǔ)基石不移動的情況下，對柱子底的壓力進(jìn)行控制，從而方便工作人員對舊柱子進(jìn)行替換，進(jìn)一步修繕和加固建筑物的部分結(jié)構(gòu)和框架。除此之外，還包括修整加固法。在使用修整加固法對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修繕時，就是不揭除古建筑結(jié)構(gòu)的屋頂、橫梁等框架結(jié)構(gòu)，而是直接修繕和加固建筑物的某一部分結(jié)構(gòu)，僅適應(yīng)于變形小的結(jié)構(gòu)之中。

4 結(jié) 語

古建筑木結(jié)構(gòu)承載著我國千年的歷史，對于我國歷史研究有著重要的意義，因此，對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修繕具有重要意義。為此，工作人員需要深入研究古建筑木結(jié)構(gòu)的性能，并且采用相關(guān)技術(shù)修繕被損害的木結(jié)構(gòu)，確保能夠完整地保存古建筑，不僅可以為后續(xù)的歷史研究提供貢獻(xiàn)，同時也可以優(yōu)化現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)。