東南沿海木構(gòu)文物建筑微氣候致病機(jī)理研究

申宇，劉松茯，程鵬

0 引言

我國(guó)東南沿海地區(qū)屬于典型的季風(fēng)性氣候，環(huán)境濕度大、陽(yáng)光照射充足、常伴有頻繁大風(fēng)，文物建筑在自然環(huán)境的長(zhǎng)期作用下逐步產(chǎn)生病害，使構(gòu)筑材料老化，結(jié)構(gòu)功能喪失。文物建筑四周風(fēng)速、光照、濕度、溫度等微氣候環(huán)境指標(biāo)發(fā)生變化，形成具有差異性和綜合性的病害滋生環(huán)境。

在東南沿海木構(gòu)文物建筑的病害研究方面，有針對(duì)蘇州地區(qū)傳統(tǒng)民居的病害表現(xiàn)、病理機(jī)制、病害類(lèi)型、發(fā)展歷程以及形成原因展開(kāi)系統(tǒng)的分析[1]；也有對(duì)嶺南傳統(tǒng)建筑的防潮、防腐問(wèn)題進(jìn)行研究后指出，木構(gòu)建筑在嶺南地區(qū)潮濕溫暖的氣候條件下極易感染菌類(lèi)、吸引白蟻，從而導(dǎo)致木構(gòu)件腐壞[2]；還有對(duì)福建名人故居保存狀態(tài)及殘損部位進(jìn)行調(diào)查與記錄后提出改善措施[3]；或?qū)φ憬貐^(qū)古民居的木梁架常見(jiàn)破壞進(jìn)行分析后提出修繕?lè)桨竅4]。既有研究更重視木構(gòu)文物建筑的病害種類(lèi)、病害形態(tài)和破壞機(jī)制[5]，關(guān)注木材在一定條件下的腐朽、腐化現(xiàn)象[6]，以及紫外線(xiàn)和蟲(chóng)蛀在老化過(guò)程中起到的分解作用[7]，在修復(fù)案例中分析其生物侵蝕因素[8]。然而，在我國(guó)東南沿海風(fēng)、光、濕、熱的環(huán)境氣候條件影響下，對(duì)木構(gòu)文物建筑病害變化規(guī)律及其引發(fā)的致病機(jī)理問(wèn)題研究相對(duì)較少。

為此，課題組深入東南沿海廣州、佛山、廈門(mén)、福州、紹興、杭州、南潯、溫州、上海、南京的10 個(gè)城鎮(zhèn)，實(shí)地調(diào)研314 棟木構(gòu)文物建筑。統(tǒng)計(jì)建筑殘損狀況，收集病害信息，檢測(cè)樣本微氣候數(shù)據(jù)，針對(duì)環(huán)境因子及其耦合作用，分析風(fēng)、光、濕、熱等物理參數(shù)對(duì)文物建筑的影響，系統(tǒng)歸納該地區(qū)木構(gòu)文物建筑致病環(huán)境的特征規(guī)律。本文圍繞微氣候環(huán)境參數(shù)與木構(gòu)文物建筑病害之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)病害形態(tài)的分布差異進(jìn)行研究，分析環(huán)境致病因素及其致病機(jī)理。通過(guò)解釋致病環(huán)境與病害發(fā)展的內(nèi)在關(guān)系尋找二者的關(guān)聯(lián)依據(jù)，推動(dòng)文物建筑策略從修繕性保護(hù)轉(zhuǎn)向預(yù)防性保護(hù)，為文物保護(hù)事業(yè)提供科學(xué)的基礎(chǔ)支持。

1 氣候環(huán)境考察

我國(guó)東南沿海地區(qū)主要包括浙江、福建、廣東、上海及其周邊區(qū)域[9]，特別是距離海岸線(xiàn)200km 范圍內(nèi)，海陸風(fēng)交替、大氣環(huán)流影響，臺(tái)風(fēng)、暴雨、鹽霧天氣會(huì)對(duì)文物建筑造成長(zhǎng)期、持續(xù)且逐步加深的惡劣影響，形成病害破壞。為厘清環(huán)境與病害之間的關(guān)聯(lián)性，考察了該地區(qū)自然氣候特征、樣本城市氣候條件以及文物建筑微氣候差異。

1.1 自然氣候特征

東南沿海因東亞季風(fēng)和熱帶地區(qū)的大氣變化兼具熱帶和副熱帶氣候特征。王米雪等人在《1960-2013年中國(guó)東南沿海地區(qū)旱澇時(shí)空變化特征及其趨勢(shì)分析》中對(duì)濕度變化及趨勢(shì)的研究表明，該地區(qū)全年空氣濕度普遍集中在70%～90%之間，特別是沿海20km 左右范圍內(nèi)濕度高達(dá)80%～90%，一些地區(qū)甚至超過(guò)90%，是我國(guó)降水最為集中的區(qū)域[10]。東南沿海地區(qū)海風(fēng)盛行，局部大氣環(huán)流以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速隨海岸線(xiàn)和海拔高度逐漸減小，年平均風(fēng)速4m/s 以上，其中福建沿海平均風(fēng)速最大，浙江、上海、廣東次之。張麗佳等人在《中國(guó)東南沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)》中通過(guò)對(duì)1990-2007 年臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，浙江南部沿海、福建、廣東大部分地區(qū)受到臺(tái)風(fēng)影響較多，臺(tái)風(fēng)的威脅程度從沿海向內(nèi)陸次第減弱[11]。此外，該地區(qū)全年日照時(shí)數(shù)基本處于1000～2500h 內(nèi)，根據(jù)申彥波等人在《近50 年中國(guó)東南地區(qū)地面光輻射變化對(duì)氣溫變化的影響》中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[12]，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)年平均日總輻射量：福州為12.18MJ/m2、廣州為11.66MJ/m2、杭州為11.87MJ/m2，較其他南方城市偏高，但強(qiáng)度相對(duì)均勻。

總體而言，東南沿海地區(qū)的自然氣候受宏觀(guān)環(huán)境影響，整體呈現(xiàn)全年降水量大、空氣濕度高、強(qiáng)風(fēng)頻次多、光輻射集中的鮮明特征。對(duì)木構(gòu)文物建筑來(lái)說(shuō)，木材極易遭受病害侵蝕的狀況與宏觀(guān)氣候條件密切相關(guān)，自然災(zāi)害等不可控風(fēng)險(xiǎn)危害大，對(duì)降低文物建筑老化速度、提高建筑壽命、增強(qiáng)文物續(xù)存能力是極大的挑戰(zhàn)。

1.2 區(qū)域氣候條件

統(tǒng)計(jì)中國(guó)氣象局公布的杭州、溫州、福州、廈門(mén)、廣州和汕頭累年各月相關(guān)氣候的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（圖1），文物建筑所在區(qū)域的累年各月平均氣溫、累年各月平均相對(duì)濕度和累年各月日照時(shí)數(shù)波動(dòng)曲線(xiàn)呈現(xiàn)出較為明顯的相似性，數(shù)據(jù)指標(biāo)都在夏季集中達(dá)到最高峰，其余季節(jié)也同步下降。進(jìn)入夏季5、6 月份以后，城市濕度整體上升容易引發(fā)木構(gòu)件的膨脹、變形、開(kāi)裂等病害問(wèn)題，除影響木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也容易引起微生物滋生繁殖造成木材腐朽。光輻射在建筑表面引起的溫差變化會(huì)使木材熱脹冷縮，輻射中的紫外線(xiàn)會(huì)加速木材分解老化，同時(shí)也使油漆、彩畫(huà)等保護(hù)層發(fā)生物理和化學(xué)變化造成褪色現(xiàn)象，影響木構(gòu)文物建筑美觀(guān)。而累年各月的平均風(fēng)速在不同城市出現(xiàn)明顯的差異性，偏向于東南沿海方向距離海岸越近的城市風(fēng)速普遍較高，反向深入內(nèi)陸的城市風(fēng)速較低。對(duì)木構(gòu)文物建筑而言，風(fēng)速越大造成風(fēng)蝕剝離、風(fēng)力掏蝕、風(fēng)鹽侵蝕等破壞越嚴(yán)重。

1 文物建筑累年各月氣候數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)

因此，木構(gòu)文物建筑的氣候條件在不同區(qū)域下長(zhǎng)期大幅變化，對(duì)病害的侵蝕起到加速催化作用。由于木結(jié)構(gòu)的特殊性，木質(zhì)材料本身對(duì)環(huán)境變化異常敏感，木纖維素、半纖維素和木質(zhì)素以及多糖、酚類(lèi)、蛋白質(zhì)等有機(jī)成分極易在低氧的環(huán)境下水解。在長(zhǎng)期的干濕變化中，桐油、油漆、彩畫(huà)等飾面保護(hù)層會(huì)逐步失效，病害深入地仗層，侵入被保護(hù)的內(nèi)部木結(jié)構(gòu)，威脅文物建筑安全。

1.3 微氣候的作用

在對(duì)組群建筑、單體建筑的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，東南沿海木構(gòu)文物建筑在濕度、溫度、風(fēng)速和光輻射的耦合作用下自然老化，其空間形態(tài)和立面朝向在建筑四周所形成的微氣候起著決定性作用，并且微氣候風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境和濕環(huán)境在建筑不同朝向有著明顯的差異。

在溫度和濕度穩(wěn)定的前提下，南北朝向的風(fēng)環(huán)境差異會(huì)在木構(gòu)文物建筑的背陰面產(chǎn)生風(fēng)速渦流，對(duì)建筑立面造成不同程度的風(fēng)力剝蝕。而在光線(xiàn)照射不到的勒腳、檐下、梁枋及背立面位置一般潮濕多水，被潮濕浸潤(rùn)的部位會(huì)出現(xiàn)水線(xiàn)、水漬、酥堿、死黑苔蘚等病害現(xiàn)象。在木構(gòu)文物建筑的院落內(nèi)部空間，環(huán)境趨于穩(wěn)定、通風(fēng)良好、光照均勻的部位病害程度較輕，同樣在陰暗潮濕的部位病害嚴(yán)重。此外，木構(gòu)文物建筑在營(yíng)造環(huán)境時(shí)往往會(huì)布置水景、假山、植物、圍墻，它們的干涉和遮擋也會(huì)使建筑局部產(chǎn)生一定程度的病害。由此可見(jiàn)，自然環(huán)境、區(qū)域氣候條件和微氣候作用共同形成文物建筑病害的綜合環(huán)境條件，在木構(gòu)文物建筑的不同空間朝向下的微氣候產(chǎn)生偏差，并對(duì)建筑局部造成病害損傷。

對(duì)此，課題組在對(duì)314 棟樣本文物建筑的病害規(guī)律進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，分別于2017 年8 月10 日13:30-16:00 對(duì)南京總統(tǒng)府建筑群，2017 年8 月14 日10:00-12:00 對(duì)蘇州曲園、耦園建筑群，2017 年8月20、21 兩日13:30-17:00 對(duì)廣州沙面、光孝寺和陳家祠等3 處建筑群，進(jìn)一步展開(kāi)微氣候檢測(cè)。檢測(cè)儀器使用testo-435 多功能測(cè)量?jī)x、TRM-GPS1 型手持網(wǎng)絡(luò)氣象站及紅外線(xiàn)測(cè)距儀（表1）。用手動(dòng)測(cè)試法，測(cè)試文物建筑4 個(gè)立面，高度1.2m，兩側(cè)和中間3 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置穩(wěn)定狀態(tài)下的瞬時(shí)數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)編號(hào)以英文字母小寫(xiě)按順序標(biāo)記每處文物建筑的棟數(shù)，1-4 分別標(biāo)記南、西、北、東4 個(gè)立面，測(cè)點(diǎn)按順序標(biāo)記1-3。例如光孝寺第3 棟樣本文物建筑東立面第2 個(gè)測(cè)點(diǎn)編號(hào)即為c42 以此類(lèi)推，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3 次并取其測(cè)試平均值。

表1 測(cè)試儀器及相關(guān)參數(shù)

2 致病規(guī)律探查

研究首先將調(diào)研采集的木構(gòu)文物建筑的病害圖像信息，按照病害形態(tài)和分布規(guī)律進(jìn)行歸納、分類(lèi)、編號(hào)和登記。木構(gòu)文物建筑病害的表現(xiàn)特征在不同地域、不同城市、同一建筑組群的不同位置具有鮮明的差異性和多樣性，從形態(tài)特征上可分為白華與斑痕變色、皸裂與面層脫落、開(kāi)裂與腐朽剝落3 個(gè)類(lèi)型，從損傷程度上可以細(xì)分為多個(gè)小類(lèi)。

2.1 白華與斑痕變色

白華與斑痕變色是木構(gòu)文物建筑常見(jiàn)的病害類(lèi)型，也是外保護(hù)層破損、地仗層脫落的主要成因。調(diào)查中多數(shù)木構(gòu)文物建筑出現(xiàn)明顯白華和斑痕變色（表2），病害發(fā)生率為95%，其中白華病害可細(xì)分為輕微白華、嚴(yán)重白華和腐蝕性白華3 個(gè)小類(lèi)，而斑痕變色常伴隨白華而生，可細(xì)分為潮濕斑痕和褪色斑駁2 個(gè)小類(lèi)。

輕微白華的木材表面，覆蓋密集雨滴型、水流型和煙斑型3 種水漬狀態(tài)的泛堿層，也有沿木材紋理的細(xì)微裂縫、凹槽、木節(jié)坑洞積攢形成紋理泛堿；嚴(yán)重白華則出現(xiàn)保護(hù)層脫落，地仗層粉化，析出鹽晶體，雖未造成結(jié)構(gòu)破損，但分布范圍廣而均勻，多位于易受潮或與雨水接觸的部位；腐蝕性白華則造成表面結(jié)構(gòu)粉化和剝落，侵蝕木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)。斑痕變色和白華共生成為泛堿與正常部位的邊緣界線(xiàn)，其中潮濕斑痕在無(wú)保護(hù)層的木結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)出褐色、咖啡色和黑色3 種水漬痕跡，顏色越深程度越重；而褪色斑駁則是建筑色彩、彩畫(huà)的油漬、污漬對(duì)木結(jié)構(gòu)、墻體的污染狀態(tài)。

在針對(duì)白華與瘢痕變色病害部位的調(diào)研統(tǒng)計(jì)中不難看出（圖2），病害主要分布于木構(gòu)文物建筑檐部、額枋、梁架、柱子、墻身、門(mén)窗和非主體構(gòu)件，其中檐部、柱子、墻體和門(mén)板等部位病害發(fā)生率高于70%以上，而欄桿、樓梯踏步等非主體構(gòu)件發(fā)病比例低于20%。

2 白華與瘢痕變色病害部位統(tǒng)計(jì)

根據(jù)病害在木構(gòu)文物建筑各位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，輕微白華、嚴(yán)重白華和斑痕變色這3 類(lèi)病害情況較為普遍。主要損傷部位包括檐部、門(mén)窗和柱子，其中輕微白華現(xiàn)象的發(fā)生概率普遍高于嚴(yán)重白華和斑痕變色。白華無(wú)機(jī)鹽可以通過(guò)高鹽的土壤、含鹽海風(fēng)、鹽霧等方式侵蝕木構(gòu)件，尤其在木構(gòu)文物建筑梁架、額枋、門(mén)窗易受降水和地面濕氣直接作用的部位，最容易出現(xiàn)輕微白華現(xiàn)象。建筑檐部、柱子、門(mén)板上發(fā)生嚴(yán)重白華病害的發(fā)生率較高，而斑痕變色則在檐部和梁架位置發(fā)生率較高，特別是有彩畫(huà)裝飾的木構(gòu)件受到微生物侵蝕和光照作用最容易出現(xiàn)棕褐斑痕和褪色情況。

2.2 皸裂與面層脫落

皸裂與面層脫落病害常發(fā)生于飾面保護(hù)層（表3），病害發(fā)生率達(dá)到79.4%，其中皸裂的主要形態(tài)為橫向皸裂、縱向皸裂和不規(guī)則皸裂3 小類(lèi)，橫向皸裂主要沿木質(zhì)橫向紋理方向不均勻密集分布，嚴(yán)重時(shí)造成油漆面層沿裂縫處起鼓起翹，并伴有輕微脫落；縱向皸裂比較常見(jiàn)，初期有間隔較大的淺層裂縫，且伴隨有少量表皮脫落；不規(guī)則皸裂在檐柱表皮容易出現(xiàn)直徑約5～8cm 的龜甲狀或魚(yú)鱗狀皸裂，或樹(shù)枝狀向兩側(cè)伸出細(xì)密集裂縫。另一類(lèi)面層脫落病害有表皮起鼓、裂狀脫落、散狀脫落和片狀脫落4 小類(lèi)，程度依次加深。表皮起鼓有線(xiàn)性褶皺后進(jìn)一步發(fā)展為裂狀脫落，裂縫邊緣呈現(xiàn)碎片狀犬牙交錯(cuò)；散狀脫落表現(xiàn)初期以不規(guī)則、分散的直徑1～2cm 左右的皮屑型掉落，并伴有面層風(fēng)化和干裂，隨后沿結(jié)構(gòu)縱橫方向大面積片狀脫落，片狀脫落是表皮脫落的嚴(yán)重階段，深入破壞油漆層和地仗層，結(jié)構(gòu)脆化并裸露木材。此類(lèi)病害主要分布在檐部、額枋、梁架、柱子、門(mén)窗和非主體構(gòu)件部位。

表3 樣本文物建筑皸裂與面層脫落病害表現(xiàn)

樣本中挑檐檁、柱子和門(mén)板等位置集中了70%以上的病害，檐部、梁架、樓梯和欄桿等位置占30%以下，墻體、窗戶(hù)等其他位置的病害發(fā)生率低于10%（圖3）。值得一提的是，調(diào)研中經(jīng)常得到維修與養(yǎng)護(hù)的文物建筑，皸裂病害發(fā)生率為69%，遠(yuǎn)高于面層脫落的31%。

3 皸裂與面層脫落病害統(tǒng)計(jì)

對(duì)部位病害的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，門(mén)窗、柱子等部位皸裂現(xiàn)象更為普遍，面層脫落集中在檐部、額枋門(mén)窗和柱子。由于保護(hù)層表面的微小孔隙吸收空氣中的水汽，又經(jīng)過(guò)風(fēng)和光輻射的加熱蒸發(fā)，在木材表面凹凸不平的紋理薄弱處漲縮成鼓包，長(zhǎng)期循環(huán)失去彈性并產(chǎn)生皸裂，之后進(jìn)一步開(kāi)裂脫落。在東南沿海地區(qū)城市經(jīng)濟(jì)狀況良好的城市，大量木構(gòu)文物建筑經(jīng)過(guò)修繕，保護(hù)層病害現(xiàn)象相對(duì)較輕，更多的損耗發(fā)生在觸手可及的門(mén)板、樓梯扶手、臺(tái)階踏步等部位，人為碰撞、摩擦、劃刻痕跡較為明顯。

2.3 開(kāi)裂與腐朽剝落

開(kāi)裂與腐朽剝落是木構(gòu)文物建筑損傷情況較為嚴(yán)重的病害類(lèi)型，常見(jiàn)開(kāi)裂形態(tài)主要有零散式和集中式，少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)斷裂（表4）。零散式開(kāi)裂是木構(gòu)件開(kāi)裂現(xiàn)象的初期表現(xiàn)，在承重性構(gòu)件上的開(kāi)裂情況較少但裂口大、程度深；非承重構(gòu)件則更為密集，但深度淺、裂口小、損傷程度較小。集中式開(kāi)裂是開(kāi)裂現(xiàn)象嚴(yán)重的表現(xiàn)，承重性構(gòu)件應(yīng)力集中部位是此類(lèi)病害的主要承受者。而腐朽剝落病害會(huì)伴隨泛堿和返潮現(xiàn)象，糟朽和植物侵蝕2 個(gè)小類(lèi)會(huì)使保護(hù)層完全失效，出現(xiàn)明顯的潮濕水線(xiàn)和孔洞，常有苔蘚和小型低等植物向上蔓延滿(mǎn)墻。風(fēng)蝕剝落和生物剝落2 個(gè)小類(lèi)會(huì)造成表面保護(hù)層鱗片狀、溝壑型剝落，使木材細(xì)胞壁呈海綿狀變軟或方塊狀龜裂，可用手捻成粉；白蟻侵蝕留下孔隙及分泌物形成不規(guī)則縱橫交錯(cuò)的蟲(chóng)道。

表4 樣本文物建筑開(kāi)裂與腐朽剝落病害表現(xiàn)

該類(lèi)病害主要分布在檐部、額枋、梁架、柱子、門(mén)窗和非主體構(gòu)件等位置（圖4），其中檐部、梁架、墻體和門(mén)窗等病害發(fā)生率占到調(diào)研樣本30%以上，其他非主體構(gòu)件則病害發(fā)生率低于20%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，木構(gòu)文物建筑發(fā)生的開(kāi)裂病害主要集中在柱子和門(mén)窗等由小木作拼接部位，腐朽現(xiàn)象發(fā)生在挑檐、柱腳、梁端、榫卯連接處和地面的交界處等不易察覺(jué)的部位。除合理保護(hù)修繕及時(shí)外，病害的低發(fā)生率也得益于傳統(tǒng)木構(gòu)文物建筑結(jié)構(gòu)在力學(xué)上良好的穩(wěn)定性，梁柱體系平均傳遞上部荷載，較少產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 開(kāi)裂與腐朽剝落病害統(tǒng)計(jì)

綜上所述，木構(gòu)文物建筑的病害形態(tài)特征和分布規(guī)律，在一定程度上反映了東南沿海文物建筑致病環(huán)境的作用特點(diǎn)。這種作用特點(diǎn)具體表現(xiàn)在降雨和濕氣直接作用的部位容易滋生白華與斑痕變色病害；光輻射和濕氣循環(huán)作用的位置，木構(gòu)件保護(hù)層普遍發(fā)生皸裂與面層脫落病害；在接近地表、容易受潮的部位發(fā)生開(kāi)裂與腐朽剝落。雖然病害形態(tài)和分布狀況各有不同，但只要“水量豐富”的部位多數(shù)會(huì)產(chǎn)生表面污染、殘損集中、蟲(chóng)害滋生等病害現(xiàn)象。濕環(huán)境成為重要的致病環(huán)境因素，光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境作為輔助特征共同影響文物建筑的健康與壽命。

3 致病機(jī)理解析

3.1 濕環(huán)境：水的滲透滋生

同日檢測(cè)的沙面和陳家祠各立面濕度值在52%～58%之間（圖5），次日光孝寺檢測(cè)時(shí)廣州開(kāi)始下雨，濕度值普遍上升到60%～70%；而在南京總統(tǒng)府的檢測(cè)濕度值則在70%～90%的范圍上下浮動(dòng)；蘇州曲園和耦園的濕度值在60%～80%之間。綜合測(cè)試樣本的北立面濕度平均值為62%，建筑飽受濕氣侵蝕，材料面層分布有明確的水線(xiàn)潮濕痕跡，在4 個(gè)立面中潮濕最嚴(yán)重。南立面的濕度平均值為51%，在檢測(cè)時(shí)段立面濕度均值最低但方差最大，數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍大說(shuō)明濕環(huán)境出現(xiàn)快速干濕轉(zhuǎn)換，所以常呈現(xiàn)白華、斑痕、皸裂、剝落等多種病害形態(tài)。而東西立面均值濕度值在52%～54%之間，波動(dòng)幅度最小，濕環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，相應(yīng)病害侵蝕情況也較為緩和。

5 測(cè)試樣本濕度值

值得注意的是，檢測(cè)局部濕度大于70%時(shí)，常滋生苔蘚類(lèi)低等植物，附著于近地面的柱腳、柱身、木板墻角、臺(tái)基等部位，還有白蟻啃噬將內(nèi)部蛀空（圖6）。在濕度大于90%的部位常有腐朽病害，木腐菌和軟腐菌催化劑分解木材纖維、木質(zhì)素和多糖體，結(jié)構(gòu)發(fā)生疏松、孔篩或粉化，使木材整體結(jié)構(gòu)變形容易斷裂（圖7）和側(cè)傾（圖8），這一類(lèi)病害多發(fā)生于非主體構(gòu)件部位。

6 福州二梅書(shū)屋木材蟲(chóng)蛀

7 福州三坊七巷木門(mén)斷裂

8 常州近園木框架側(cè)傾

由此可見(jiàn)，潮濕的部位病害種類(lèi)豐富，病害與濕環(huán)境密不可分，且濕度越高木構(gòu)文物建筑的損傷程度越嚴(yán)重。在長(zhǎng)時(shí)間處于濕度70%以上的局部位置，微氣候的潮濕程度大于區(qū)域氣候濕度則容易產(chǎn)生白華與斑痕變色，白華與斑痕變色預(yù)示著文物建筑開(kāi)始受到自然環(huán)境的侵蝕。此類(lèi)病害往往缺乏重視，特別是對(duì)于保護(hù)等級(jí)較低的文物建筑，由于缺乏必要的日常維護(hù)，病害肆意蠶食木構(gòu)件表面，又開(kāi)始侵蝕內(nèi)部，從而造成不可逆的損傷。因此，即使是濕度值變化較小的表層病害應(yīng)及早發(fā)現(xiàn)并制定行之有效的防護(hù)策略。

3.2 光環(huán)境：光的能量干擾

光環(huán)境不僅使溫度產(chǎn)生偏差還直接參與病害，對(duì)致病環(huán)境起到較強(qiáng)的干擾作用。陽(yáng)光中的紅外線(xiàn)增加輻射溫度，在各立面形成的溫度差會(huì)影響濕度變化，木材由此產(chǎn)生膨脹與聚縮容易導(dǎo)致皸裂與面層脫落。從光輻射的檢測(cè)數(shù)據(jù)看（圖9），輻射值在建筑各立面變化幅度最大，沙面最高輻射可達(dá)624W/m2，最小為3W/m2，光孝寺最高值265W/m2，最小值為3W/m2，陳家祠陽(yáng)光輻射也在3～279W/m2之間；南京總統(tǒng)府在41～342W/m2范圍內(nèi)變化；蘇州曲園和耦園則為42～608W/m2。其中，木構(gòu)文物建筑的南立面是受光輻射值最高的面，這一側(cè)的檢測(cè)溫度最高達(dá)到38℃，其平均溫度36.01℃，而北、東、西立面的平均溫度分別為35℃、35.3℃、35.8℃，均低于南立面，可見(jiàn)南立面是光輻射的主要承受面。

9 測(cè)試樣本光輻射值與溫度值

因此，發(fā)生在南立面木構(gòu)件的承重部分集中式開(kāi)裂現(xiàn)象較為普遍（圖10），柱頭、柱身和門(mén)板部位皸裂與面層脫落發(fā)生比率較高（圖11），同時(shí)嚴(yán)重白華的無(wú)機(jī)鹽晶體深入孔隙內(nèi)部，伴隨漲縮作用使梁頭、門(mén)窗等非承重構(gòu)件產(chǎn)生細(xì)密的分散性開(kāi)裂。此外，紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光也會(huì)直接作用于木材表面，引起光化學(xué)效應(yīng)，加速油漆老化、彩畫(huà)褪色，為木材內(nèi)部自由基與水分子鍵分離提供能量，造成木材表面褪色，出現(xiàn)白邊黑褐色斑痕（圖12）。

10 魯迅祖居檁條集中開(kāi)裂

11 湖州張石銘舊宅皸裂脫落

12 福州嚴(yán)復(fù)故居光化學(xué)變色

總的來(lái)說(shuō)，光環(huán)境的能量變化對(duì)文物建筑的干擾作用十分明顯。陽(yáng)光照射不僅使保護(hù)層皸裂脫落，還使飾面軟化光解。在光環(huán)境充足的夏季晝夜溫差可達(dá)10℃以上，木構(gòu)文物建筑的皸裂與面層脫落現(xiàn)象普遍多見(jiàn)。面層脫落造成保護(hù)層失效，病害部位成為無(wú)機(jī)鹽及生物侵入的通道，同時(shí)被保護(hù)的木構(gòu)件直接暴露在外，致使?jié)駳夂苋菀浊秩肽窘Y(jié)構(gòu)內(nèi)部，進(jìn)一步引發(fā)木構(gòu)件變形、開(kāi)裂和腐朽。因此，對(duì)光輻射的控制至關(guān)重要，避免過(guò)度光照的同時(shí)維持一定范圍的溫度可以對(duì)文物建筑起到良好的保護(hù)作用。

3.3 風(fēng)環(huán)境：風(fēng)的溶鹽剝蝕

風(fēng)環(huán)境不僅影響濕度變化，也可以造成木構(gòu)文物建筑的物理?yè)p傷，木構(gòu)件表層被風(fēng)力周而復(fù)始的長(zhǎng)期掏蝕。根據(jù)樣本檢測(cè)數(shù)據(jù)，廣州沙面、陳家祠和光孝寺的大部分測(cè)試風(fēng)速低于1m/s（圖13），但是這幾處文物建筑的風(fēng)速平均值最高達(dá)到0.61m/s，且風(fēng)速在南北立面變化不均。南京總統(tǒng)府、蘇州曲園和耦園的各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)大于1m/s 的瞬時(shí)風(fēng)速，但風(fēng)速均值只有0.38m/s，整體風(fēng)環(huán)境呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

13 檢測(cè)樣本風(fēng)速值

進(jìn)一步對(duì)比木構(gòu)文物建筑各立面的風(fēng)速分布情況發(fā)現(xiàn)，盡管廣州地區(qū)風(fēng)速相對(duì)較高，但由于城市結(jié)構(gòu)以及文物建筑院落式布局，內(nèi)部風(fēng)速還是較小。光孝寺天王殿風(fēng)經(jīng)由主入口直接進(jìn)入建筑組群內(nèi)部（圖14），有明顯較高的風(fēng)速。這里有必要提出，在風(fēng)速較高的部位木構(gòu)文物建筑表面白華酥堿或變色結(jié)殼現(xiàn)象較為普遍（圖15）。沿海區(qū)域的海風(fēng)帶來(lái)潮濕多鹽的物理剝蝕，既有鹽溶液的化學(xué)腐蝕又包含物理破壞，造成白色無(wú)機(jī)鹽晶體成分主要包括Ca(OH)2、CaCO3、Na2SO4及K2CO3等[13]，在泛潮的部分率先出現(xiàn)棕褐色潮濕水線(xiàn)，積累成白華泛堿向內(nèi)部擴(kuò)展，木材內(nèi)部的木質(zhì)素也會(huì)受酸堿降解（圖16），最終導(dǎo)致腐朽變形等深層病害加速結(jié)構(gòu)性衰敗。而在風(fēng)速幾乎為零的部位，潮濕加劇，風(fēng)力受限，建筑門(mén)下沿、墻角及柱腳最容易產(chǎn)生腐朽和生物侵蝕等病害現(xiàn)象。

14 廣州光孝寺天王殿正立面

15 廣州仁威祖廟木材泛堿白華

16 福州二梅書(shū)屋木作降解褪色

綜上所述，木構(gòu)文物建筑致病環(huán)境對(duì)病害具有明顯的影響，濕環(huán)境中水的滲透滋生作用使木構(gòu)件遭受不同程度的變形膨脹、白華泛堿、斑痕變色等生物侵蝕，是形成病害的主要原因；光環(huán)境的溫度變化不僅造成木材干縮開(kāi)裂、面層皸裂脫落，還可以直接使油漆、彩畫(huà)等變質(zhì)褪色，長(zhǎng)短輻射波還對(duì)文物建筑直接進(jìn)行能量擾動(dòng)；風(fēng)環(huán)境不僅影響濕度，還從海面直接帶來(lái)鹽溶液對(duì)文物建筑長(zhǎng)期的鹽風(fēng)剝蝕。致病環(huán)境對(duì)病害是一個(gè)漫長(zhǎng)而持續(xù)的作用過(guò)程，風(fēng)、光、濕等多重條件疊加可以加速病害的破壞進(jìn)程。在這個(gè)進(jìn)程中，水是造成建筑病害的主要病因，由于木材天然多孔隙的脈絡(luò)性結(jié)構(gòu)，水分容易通過(guò)內(nèi)部的管道快速滲入材料各處，裹挾無(wú)機(jī)鹽、反應(yīng)介質(zhì)等成分，附加光輻射和風(fēng)速的復(fù)合作用造成木構(gòu)文物建筑復(fù)雜的病害形態(tài)。

4 結(jié)論

針對(duì)自然氣候條件下文物建筑自然老化與持續(xù)性損傷問(wèn)題，本文基于微氣候的參數(shù)檢測(cè)對(duì)東南沿海地區(qū)木構(gòu)文物建筑病害問(wèn)題展開(kāi)研究，探索致病環(huán)境與病害特征之間的內(nèi)在聯(lián)系并得出以下結(jié)論：

（1）致病環(huán)境在宏觀(guān)的自然氣候特征和區(qū)域氣候條件的制約影響下，因木構(gòu)文物建筑空間形態(tài)和立面朝向的不同產(chǎn)生微氣候的作用差異，這種微氣候差異造成形態(tài)各異、錯(cuò)綜分布的病害狀況，并對(duì)木構(gòu)件的病害損傷起決定性作用。

（2）在對(duì)東南沿海地區(qū)10 個(gè)城鎮(zhèn)314 處木構(gòu)文物建筑的病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，木構(gòu)文物建筑包含白華與斑痕變色、皸裂與面層脫落、開(kāi)裂與腐朽剝落病害形態(tài)規(guī)律，病害損傷逐級(jí)加深，病變逐步侵蝕內(nèi)部結(jié)構(gòu)等病害現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅文物建筑的生存狀態(tài)。

（3）在檢測(cè)日的區(qū)域氣候條件下，文物建筑微氣候濕度大于70%的部位干濕變化加速，低等動(dòng)植物、白華腐朽的侵蝕更加嚴(yán)重；在光輻射值最高、平均溫度達(dá)到36.1℃的南立面，皸裂與面層脫落、光解褪色等病害損傷；在局部風(fēng)速較高的位置容易造成白華、酥堿等鹽風(fēng)損傷，而在風(fēng)速較為穩(wěn)定的區(qū)域，斑痕、腐朽侵蝕情況嚴(yán)重。

研究通過(guò)對(duì)木構(gòu)文物建筑風(fēng)速、溫度、濕度和光輻射測(cè)試數(shù)據(jù)的分析表明，微氣候在不同立面朝向和病害部位的致病機(jī)理因參數(shù)不同而各有側(cè)重。其中濕環(huán)境是病害損傷的主要因素，光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境是破壞的輔助因素，病害損傷因水滲透滋生、光的能量干擾和風(fēng)的溶鹽剝蝕形成東南沿海地區(qū)木構(gòu)文物建筑特有的環(huán)境破壞機(jī)制。