古建筑修繕設(shè)計(jì)中的有限元分析運(yùn)用

張旭

有限元分析能夠?qū)τ趥鹘y(tǒng)古建筑的受力情況進(jìn)行計(jì)算，需要相關(guān)人員對(duì)其予以充分關(guān)注，確保結(jié)構(gòu)安全，為后續(xù)古建筑修繕設(shè)計(jì)工作的順利開展提供支持。文章簡(jiǎn)要介紹了古建筑修繕作用，分析了古建筑修繕設(shè)計(jì)過程中存在的問題，并探究了有限元分析在古建筑修繕設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，希望能夠?yàn)楣沤ㄖ蘅樤O(shè)計(jì)工作的順利開展提供參考。

古建筑的施工效果會(huì)被匠人的水平所影響，并且所用工藝一般是手口相傳，側(cè)重實(shí)用性，并未形成完善的理論知識(shí)體系。因此，古建筑承重結(jié)構(gòu)受力體系和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)體系存在一定差異，在開展?jié)撛诓『桶踩珕栴}分析以及古建筑修繕設(shè)計(jì)時(shí)，需要在前期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，全面了解受損情況，有針對(duì)性地運(yùn)用措施處理病害。需要注意的是，由于古建筑的原材料存在差異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，需要相關(guān)人員對(duì)于工程分析予以充分關(guān)注，在有限元分析支持下明確承重能力，確保結(jié)構(gòu)處在安全狀態(tài)下，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展提供支持。

古建筑修繕作用

古建筑是一種特殊的歷史載體，其中包含的意義不但可以在藝術(shù)層面得到反映，還能夠展現(xiàn)出民族文化和歷史精神。不論是在哪個(gè)國(guó)家，都需要對(duì)于古建筑修繕保護(hù)工作予以充分關(guān)注。如果未將古建筑保護(hù)落到實(shí)處，展現(xiàn)出應(yīng)有價(jià)值，古建筑將會(huì)遭到不同程度損壞，即使用現(xiàn)代化技術(shù)開展修復(fù)，也難以展現(xiàn)出古建筑的優(yōu)勢(shì)。為了改善這一情況，必須要做好古建筑修繕設(shè)計(jì)工作。

古建筑修繕設(shè)計(jì)需要遵循的原則

原真性保護(hù)。在開展古建筑修繕設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須要重視保護(hù)工作，確保古建筑的價(jià)值可以得到充分體現(xiàn)，并真實(shí)展現(xiàn)出古建筑的歷史性。要確保完整性。施工人員在開展古建筑修繕設(shè)計(jì)時(shí)，不但要確保古建筑整體是完整的，還需要對(duì)古建筑周圍的環(huán)境開展保護(hù)，做好修繕工作。避免由于周圍環(huán)境被損壞，對(duì)于古建筑造成的不利影響。需要擴(kuò)大修繕范圍。這需要工作人員加大力度分析古建筑中包含的民族和文學(xué)特色，并做好保護(hù)工作。除此之外，還需要對(duì)于古建筑附近的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行完善。

古建筑修繕設(shè)計(jì)存在的問題

在新時(shí)期，古建筑修繕設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得了一些成績(jī)，但是由于多種因素的影響，仍有不足，需要相關(guān)人員大力探究，明確古建筑修繕設(shè)計(jì)過程中存在的問題，并進(jìn)行優(yōu)化?？梢詫⒐沤ㄖ蘅樤O(shè)計(jì)常見問題總結(jié)為以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

所用觀念存在一定滯后性。在開展古建筑修繕設(shè)計(jì)時(shí)，政府和組織機(jī)構(gòu)存在一些盲目的情況，比如說，雖然對(duì)于出現(xiàn)問題進(jìn)行了修復(fù)，但是并未對(duì)于被腐蝕材料和褪色情況開展處理、保護(hù)。部分古建筑修繕設(shè)計(jì)過程中雖然對(duì)于現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行了運(yùn)用，但是未從建筑物現(xiàn)實(shí)情況開展修復(fù)，導(dǎo)致古建筑受到了一定程度損害，歷史文化價(jià)值得不到體現(xiàn)。大部分古建筑修復(fù)整改并不合理。進(jìn)行古建筑修繕設(shè)計(jì)的工作人員對(duì)于歷史和文化的認(rèn)識(shí)較為片面，再加上所開展的修繕并不恰當(dāng)，導(dǎo)致古建筑的歷史感難以得到體現(xiàn)。

尚未明確修繕概念。部分古建筑修繕單位在開展修繕過程中將創(chuàng)新作為重點(diǎn)，希望可以在對(duì)于外觀進(jìn)行調(diào)整的同時(shí)展現(xiàn)出文化特征。但是，在現(xiàn)實(shí)操作時(shí)，很可能會(huì)將翻修古建筑和修繕設(shè)計(jì)畫上等號(hào)。比如說，在對(duì)于元代建筑物開展修繕時(shí)，展現(xiàn)出了宋代特色，雖然可以使建筑物更加美觀、穩(wěn)定程度也得到了一定提高，但是建筑物的風(fēng)格出現(xiàn)了顯著變化。因此，需要在確保古建筑物具有較強(qiáng)原始性、比較完整的前提下，做好保護(hù)工作，更新修繕方式。

修繕方法不合理。在開展古建筑修繕工作時(shí)，大部分文物保護(hù)單位會(huì)將現(xiàn)代技術(shù)作為修繕設(shè)計(jì)重點(diǎn)。雖然可以縮短修繕時(shí)間，但是在保留歷史痕跡時(shí)，遠(yuǎn)不及原始風(fēng)貌的留存。并且在開展保護(hù)、修繕工作時(shí)仍有著過于表面化而忽視實(shí)質(zhì)的情況。部分建筑物產(chǎn)生了潮濕、蟲蛀等問題，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)了一些安全問題。之所以會(huì)出現(xiàn)這些情況，主要是因?yàn)樗眯迯?fù)方式并不合理。

古建筑整體受到了損害。隨著城市規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，大部分地區(qū)都出現(xiàn)劃分老城區(qū)、新城區(qū)的情況，城市結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，所處文化環(huán)境也越發(fā)多變。部分區(qū)域很可能會(huì)為了推動(dòng)城市的進(jìn)一步發(fā)展，而選擇放棄一些古建筑，導(dǎo)致古建筑的規(guī)模明顯減少。雖然部分古建筑已經(jīng)被修繕，卻因?yàn)樾蘅樇夹g(shù)較為落后，對(duì)于原本的風(fēng)格造成了沖擊。

提高古建筑修繕設(shè)計(jì)水平措施

提高古建筑修繕設(shè)計(jì)水平是非常關(guān)鍵的，是時(shí)代發(fā)展的必然，能夠?yàn)楣沤ㄖＷo(hù)工作的順利開展提供支持，繼承和發(fā)揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。因此，相關(guān)人員必須要認(rèn)識(shí)到古建筑修繕設(shè)計(jì)的重要性，明確古建筑修繕設(shè)計(jì)各階段出現(xiàn)的不足，并做出優(yōu)化。工作人員可以從以下幾點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行古建筑修繕設(shè)計(jì)工作，確保古建筑的價(jià)值可以得到充分體現(xiàn)：

明確需要保護(hù)的內(nèi)容。在開展古建筑修繕設(shè)計(jì)工作時(shí)，既需要對(duì)于建筑物的本體進(jìn)行保護(hù)工作，還需要確保古建筑具有較強(qiáng)文化內(nèi)涵、能夠展現(xiàn)出藝術(shù)性，做好對(duì)于周圍環(huán)境、建筑材料的保護(hù)工作。古建筑中存在著較多古代政治、經(jīng)濟(jì)、民俗文化資料，如果受到損害，將會(huì)使文化信息丟失。并且，古建筑中還包含著較多裝飾、陳設(shè)、雕刻技巧，現(xiàn)代建筑師能夠在古代建筑中發(fā)掘靈感，改進(jìn)設(shè)計(jì)觀念。古建筑的存在與古建筑所處環(huán)境聯(lián)系緊密，能夠展現(xiàn)出風(fēng)土文化。因此，在開展修繕和設(shè)計(jì)工作時(shí)不應(yīng)隨意挪動(dòng)古建筑，確保古建筑具有一定韻味。

增強(qiáng)修繕設(shè)計(jì)人員整體實(shí)力。在開展古建筑修繕時(shí)，要想提高修繕效果，人力資源有著不容忽視的作用。要構(gòu)建整體實(shí)力較強(qiáng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在確保修繕設(shè)計(jì)人員具有一定審美能力的同時(shí)，保證其能夠熟練地對(duì)于不同修繕設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用。文物保護(hù)單位需要吸引較多現(xiàn)代化人才參與其中，并為修繕設(shè)計(jì)人員提供學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，確保修繕工作可以高效開展，能夠展現(xiàn)出應(yīng)有價(jià)值。

提供充足資金。在進(jìn)行古建筑修繕設(shè)計(jì)時(shí)，資金包含著財(cái)政資金、經(jīng)營(yíng)投入、社會(huì)資金花費(fèi)、個(gè)人花費(fèi)等。想要使資金在古建筑修繕設(shè)計(jì)過程中得到充分應(yīng)用，需要從以下方面開展工作：政府部門要提供專項(xiàng)資金，對(duì)于由國(guó)家管理的古建筑進(jìn)行修繕保護(hù)。如果并未運(yùn)用所有資金，可以將資金運(yùn)用到之后的保養(yǎng)工作中。如果古建筑屬于村組織，村組織需要承擔(dān)起開展修繕設(shè)計(jì)的責(zé)任，并支付一定費(fèi)用。如果修繕工作需要投入的資金較多，可以申請(qǐng)國(guó)家相關(guān)部門進(jìn)行補(bǔ)貼。最后，如果古建筑需要大面積修繕，對(duì)于資金需求量較高，可面向社會(huì)籌集資金，避免由于資金不足，阻礙古建筑修繕設(shè)計(jì)工作的開展。

古建筑修繕技術(shù)要點(diǎn)

加強(qiáng)傳統(tǒng)修繕方法和現(xiàn)代修繕方法的互補(bǔ)。開展古建筑修繕需要做好測(cè)繪、調(diào)查、分析、修繕、保護(hù)等工作，因此對(duì)于人力資源、設(shè)備、資金等有著較高要求。在傳統(tǒng)模式下，開展古建筑修繕設(shè)計(jì)對(duì)于技術(shù)的應(yīng)用較少，需要通過人工開展操作，必須要保證修繕人員具有較高技術(shù)水平、靈活應(yīng)用各項(xiàng)工藝。而隨著時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展和技術(shù)水平的提升，古建筑修繕技術(shù)獲得了更好的發(fā)展，降低了古建筑修繕的難度，為古建筑真實(shí)風(fēng)貌的還原提供了一定條件。并且，更多新技術(shù)和新材料也在古建筑修繕設(shè)計(jì)中得到了運(yùn)用。和傳統(tǒng)的修繕模式進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)新材料可以更好地開展加固操作，降低對(duì)于古建筑造成的損害，防止由于材料挑選并不合理對(duì)于古建筑產(chǎn)生的威脅。從新技術(shù)的角度進(jìn)行分析，對(duì)地域現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以降低修繕設(shè)計(jì)人員工作壓力。從部分修繕工作的角度來進(jìn)行分析，對(duì)于現(xiàn)代化技術(shù)開展修繕設(shè)計(jì)工作更加恰當(dāng)，可以避免修繕過程對(duì)于古建筑造成的損害，并且清晰程度較高。需要重視的是，進(jìn)行古建筑修繕不能過度依賴現(xiàn)代技術(shù)，而是要將傳統(tǒng)修繕工藝和現(xiàn)代技術(shù)相銜接。在應(yīng)用環(huán)節(jié)，還需要組織修繕人員開展學(xué)習(xí)，掌握最新的修繕技術(shù)，并有針對(duì)性地進(jìn)行運(yùn)用，確保新型修繕技術(shù)可以和傳統(tǒng)修繕方式互補(bǔ)，展現(xiàn)出最大化作用。

搜集古建筑相關(guān)資料調(diào)整修繕設(shè)計(jì)方案。借助于搜集匯總古建筑資料，可以對(duì)于古建筑的時(shí)代特征、歷史特色以及各個(gè)時(shí)期的修繕情況形成一定了解，提高工作人員對(duì)于古建筑的認(rèn)識(shí)，明確古建筑的結(jié)構(gòu)特征、藝術(shù)性等，并在施工各環(huán)節(jié)展現(xiàn)出古建筑的歷史風(fēng)貌和優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。并且，古建筑資料能夠?yàn)橹笫┕げ牧系奶暨x以及工藝的運(yùn)用提供條件。只有合理挑選材料，有針對(duì)性地應(yīng)用修繕技術(shù)，才能夠?qū)τ诠沤ㄖM(jìn)行復(fù)原，留存歷史特點(diǎn)，使古建筑更加真實(shí)、完整。古建筑修復(fù)人員在開展工作時(shí)，要考慮到古建筑的特征和受損情況，明確對(duì)于古建筑修繕的需要，打造切實(shí)可行的修繕措施。只有如此，才能夠展現(xiàn)出古建筑修繕設(shè)計(jì)的意義，延長(zhǎng)古建筑的留存時(shí)間。

有限元分析在古建筑修繕設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

將有限元分析運(yùn)用到古建筑修繕設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵，需要相關(guān)人員做好承載力計(jì)算工作。比如，在對(duì)浙江省級(jí)文物保護(hù)單位太平橋進(jìn)行修繕設(shè)計(jì)時(shí)，需要將有限元分析法應(yīng)用其中。

工程簡(jiǎn)介。太平橋處于浙江省平湖市落北港，是在清朝乾隆三十五年修建的，屬于單孔石拱橋，全長(zhǎng)為27.22米，東西呈現(xiàn)喇叭狀，橋面兩側(cè)有欄板石、抱鼓石。因?yàn)樾藿〞r(shí)間距今較久，并且會(huì)受氣溫、降水、地形、地勢(shì)所影響，拱券石、拱券的受力都會(huì)出現(xiàn)變化，在尚未修繕前已經(jīng)成為了危橋。需要相關(guān)人員予以充分重視。

有限元分析模型。借助于常規(guī)分析檢測(cè)以及計(jì)算，很難精準(zhǔn)分析出古橋結(jié)構(gòu)的安全程度。如果僅憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工作，將很難提高相關(guān)工作的合理性。而應(yīng)用有限元分析計(jì)算橋體受力情況，可以了解到古橋結(jié)構(gòu)是否會(huì)出現(xiàn)安全問題。

要對(duì)于有限元軟件進(jìn)行應(yīng)用，打造和太平橋相關(guān)三維模型，從橋身被損壞情況出發(fā)明確截面折減系數(shù)造成的影響，進(jìn)而對(duì)于拱橋荷載情況形成一定了解。截面折減系數(shù)要將拱券的分化情況、松動(dòng)、位移狀態(tài)作為關(guān)注的重點(diǎn)，運(yùn)用相關(guān)公式明確各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)而對(duì)于橋受損情況形成一定了解。

因?yàn)樾藿〞r(shí)間較為久遠(yuǎn)，也沒有定期養(yǎng)護(hù)工作的開展，太平橋受到了不同程度的損害，特別是拱券出現(xiàn)移動(dòng)、松動(dòng)等問題，拱券的承載性能明顯下滑。因此，想要提高橋身承載量計(jì)算精準(zhǔn)程度，就需要將檢測(cè)結(jié)果作為前提提高折減科學(xué)性。一般情況下，截面折減系數(shù)為0.98。

結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算。在構(gòu)建有限元模型時(shí)，需要對(duì)石料和砂漿進(jìn)行分析，并進(jìn)行假設(shè)，根據(jù)相關(guān)規(guī)定明確各項(xiàng)數(shù)值。對(duì)于太平橋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)開展分析，需要在分析軟件支持下對(duì)于太平橋有限元模型形成認(rèn)識(shí)，打造實(shí)體單元拱橋，明確各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)，并在軟件中輸入數(shù)據(jù)。

分析判斷正應(yīng)力結(jié)算結(jié)果，需要根據(jù)正常應(yīng)用極限狀態(tài)開展設(shè)計(jì)，對(duì)于恒載和活載情況形成一定了解。通常情況下，橋體的正常應(yīng)力結(jié)構(gòu)在0.803兆帕。

分析后取得的結(jié)論。對(duì)有限元模型進(jìn)行探究，并開展折減，可以認(rèn)識(shí)到古橋能夠在恒載、活載組合作用下符合應(yīng)用需要，避免病害對(duì)于結(jié)構(gòu)造成的威脅，盡可能降低安全問題的產(chǎn)生。因此，在開展修繕時(shí)，要將確保主體結(jié)構(gòu)安全作為基礎(chǔ)，并進(jìn)行最小化干預(yù)，僅對(duì)于拱券石、護(hù)券石進(jìn)行處理，保證位移構(gòu)件是安全的。不需要對(duì)于橋身開展整體加固以及大規(guī)模維修養(yǎng)護(hù)，可以更好地展現(xiàn)出古建筑的歷史性。

綜上所述，將有限元分析運(yùn)用到結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、和常規(guī)結(jié)構(gòu)體系并不相同的傳統(tǒng)古建筑中優(yōu)勢(shì)較為突出，可以為古建筑修繕設(shè)計(jì)的開展提供支持。需要相關(guān)人員對(duì)其予以充分關(guān)注，明確結(jié)構(gòu)應(yīng)力點(diǎn)位，提高建筑結(jié)構(gòu)安全程度，為后續(xù)修繕設(shè)計(jì)的開展提供條件。

（作者單位：山西藍(lán)勝古建筑設(shè)計(jì)有限公司）