摘 要：我國五千年文明史源遠(yuǎn)流長，在歷史發(fā)展過程中涌現(xiàn)出了諸如陶瓷、絲綢、茶葉等獨(dú)具特色的文化，古建筑木結(jié)構(gòu)同樣如此。對古建筑木結(jié)構(gòu)的研究不僅能增強(qiáng)對各朝代經(jīng)濟(jì)文化的了解，更能在討論古建筑木結(jié)構(gòu)持久性和可靠性的基礎(chǔ)上指導(dǎo)現(xiàn)代建筑的進(jìn)一步發(fā)展。在此背景下，文章從古建筑木結(jié)構(gòu)抗震性和材料利用等特點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)討論了古建筑木結(jié)構(gòu)諸如整體加固、構(gòu)件加固和新技術(shù)加固等多樣化的加固方法，旨在為進(jìn)一步強(qiáng)化對我國古建筑木結(jié)構(gòu)的認(rèn)知程度和提升古建筑木結(jié)構(gòu)對現(xiàn)代建筑的指導(dǎo)意義帶來更多的思考和啟迪。

關(guān)鍵詞：古建筑;木結(jié)構(gòu)加固;性能研究

眾所周知，中國古建筑大多為木結(jié)構(gòu)形式，它們憑借卯、榫等獨(dú)特零部件和特殊的受力性能承受住了數(shù)千年的風(fēng)雨霜雪，留下了諸如五臺(tái)山佛光寺、西安大雁塔、山西釋迦塔等獨(dú)具特色的木結(jié)構(gòu)古建筑群，為了解歷史文化提供了寶貴的資料。然而隨著時(shí)間的推移，此類木結(jié)構(gòu)古建筑群由于自然環(huán)境的侵蝕、本身材料的腐朽等多樣化原因出現(xiàn)了安全性和可靠性大幅度降低的情況。因此，如何在保證古建筑木結(jié)構(gòu)重要性質(zhì)不變的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行一定程度的加固和有關(guān)性能的研究是當(dāng)代有關(guān)學(xué)者必須認(rèn)真思考并付諸實(shí)踐的重大議題。

1 古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 木材為主要建筑材料

眾所周知，木材是我國古建筑結(jié)構(gòu)中用途最廣泛、用量最多的天然原材料之一，其作為古建筑結(jié)構(gòu)彈性骨架的關(guān)鍵材料，構(gòu)成的建筑機(jī)構(gòu)在極大程度上具有良好的彈性和安全性。同時(shí)，由于我國古建筑結(jié)構(gòu)的墻壁大多為非承重墻，隨之而來的古建筑物便具備了獨(dú)一無二的木結(jié)構(gòu)形式，并在此基礎(chǔ)上增強(qiáng)了其靈活性和可靠性，不僅在極大程度上滿足了當(dāng)時(shí)人們對建筑物的性能需求，更在一定程度上豐富了建筑物的風(fēng)格樣式等，為木結(jié)構(gòu)中飛椽、翼角和歐尾等獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)奠定了一定的基礎(chǔ)。此外，古建筑木結(jié)構(gòu)體系中的核心技術(shù)即為榫卯結(jié)構(gòu)，它的出現(xiàn)更大幅度提升了木結(jié)構(gòu)建筑物的柔性特征，為古建筑物的保存及加固等打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 顯著的抗震性能

通常情況下，我國木結(jié)構(gòu)古建筑物在其梁柱節(jié)點(diǎn)等重要部位都應(yīng)用了雀替、榫卯結(jié)構(gòu)等特殊的工藝技巧以增強(qiáng)其連接的可靠性、靈活性和安全性等。此類柔性結(jié)構(gòu)的工藝技巧也在極大程度上區(qū)別于當(dāng)代社會(huì)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等剛性結(jié)構(gòu)，在建筑物的抗震性和靈活性方面有獨(dú)特優(yōu)勢，為建筑物的長時(shí)間保存做出了一定的貢獻(xiàn)。榫卯連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。此外，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)古建筑中大多利用梁、柱、檁、枋、斗拱等大型木結(jié)構(gòu)形式以構(gòu)成建筑物框架，以此承擔(dān)來自屋頂、樓面等的自重荷載和來自大自然的風(fēng)雨雪等附加荷載，此類結(jié)構(gòu)形式最大程度上賦予了建筑物的靈活性和抗震性，為木結(jié)構(gòu)古建筑的長久保存奠定了重要的基礎(chǔ)。

2 古建筑木結(jié)構(gòu)的加固方法

2.1 整體加固

一般而言，古建筑木結(jié)構(gòu)整體加固的方法主要分為以下三大類：一是落架大修，也就是在全部或部分拆除落木結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，對建筑物木結(jié)構(gòu)的破損構(gòu)件或部件的破損點(diǎn)等進(jìn)行一定的修整甚至更換等，從而在進(jìn)一步安裝有關(guān)部件的同時(shí)對建筑物木結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加固的方法。在此修繕過程中，有關(guān)工作人員應(yīng)先根據(jù)建筑物的整體情況制訂相應(yīng)的拆除方案，并根據(jù)有關(guān)方案拆除瓦頂、落望板、椽、檁和梁等部件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對破損部件進(jìn)行維修和替換等。而在拆除古建筑部件的過程中，施工人員不僅應(yīng)利用有關(guān)措施預(yù)防榫頭的斷裂和折斷等，更應(yīng)采取一定的保護(hù)措施防止木結(jié)構(gòu)建筑物上的圖案彩繪等的脫落，為還原古建筑物打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此方法大多應(yīng)用于梁、檁等大構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重的彎曲、腐朽和斷裂等情況而必須更換的建筑物。二是打牮撥正法，該方法是在不拆除古建筑物整體結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上充分利用力的轉(zhuǎn)換使傾斜、扭曲的構(gòu)件恢復(fù)原位，并進(jìn)一步對建筑物破損部分進(jìn)行加固的方法。在此過程中，有關(guān)施工人員應(yīng)先揭除瓦頂、落望板和部分椽結(jié)構(gòu)等，并在拆除已有加固鐵件和清理榫卯縫隙的基礎(chǔ)上對破損嚴(yán)重的檁、梁和科斗等進(jìn)行一定的復(fù)位。此類方法適用于古建筑物外部結(jié)構(gòu)大體完好而僅需更換部分構(gòu)件的維修工程。三是整體抬升法[2]。該方法是針對原有房屋結(jié)構(gòu)室內(nèi)外高度差不能滿足現(xiàn)代使用需求，在不揭除瓦頂?shù)冉ㄖ锎罂蚣艿幕A(chǔ)上直接對建筑物木結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平切割、整體抬升、修繕和加固的方法，適用于建筑物構(gòu)架變形較小、構(gòu)件位移較小的房建工程。在具體施工過程中，相關(guān)工作人員先在房屋結(jié)構(gòu)柱上施工，然后在柱梁結(jié)構(gòu)旁邊適宜位置安裝相應(yīng)的液壓千斤頂系統(tǒng)，在利用相關(guān)機(jī)械設(shè)備對房屋結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行切割分離的基礎(chǔ)上采取人工開鑿的方式分離墻柱結(jié)構(gòu)，最后通過液壓千斤頂系統(tǒng)控制相應(yīng)的千斤頂，借助節(jié)點(diǎn)托換方法向上頂升房屋整體結(jié)構(gòu)。在房屋結(jié)構(gòu)頂升到相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，利用特殊試劑對新老結(jié)構(gòu)進(jìn)行高質(zhì)量連接，保證房屋結(jié)構(gòu)在整體頂升后符合使用標(biāo)準(zhǔn)。最后，工作人員拆除相應(yīng)的頂升設(shè)備并對房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定裝飾。

2.2 構(gòu)件加固

古建筑木結(jié)構(gòu)加固過程中可采用以下幾種方法對房屋構(gòu)件進(jìn)行加固：一是嵌補(bǔ)加固法。通常情況下，古建筑中的木柱等結(jié)構(gòu)往往會(huì)由于干縮產(chǎn)生一定的裂縫，當(dāng)裂縫深度不超過柱子半徑或該部件截面尺寸的1/3時(shí)，可采取嵌補(bǔ)的方法進(jìn)行加固修整。在此過程中，若裂縫寬度較小，則可利用涂刷、油飾等方式進(jìn)行一定的勾抹等;而當(dāng)裂縫較大時(shí)，則可利用木條和膠粘劑等進(jìn)行嵌補(bǔ)，當(dāng)裂縫大于30毫米時(shí)，則需在嵌補(bǔ)的木條等構(gòu)件中加上鐵箍等，進(jìn)一步提升其穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，若梁柱等部件的開裂段較長時(shí)，修補(bǔ)人員可進(jìn)一步將鐵箍等嵌入柱內(nèi)以保證其穩(wěn)固性。二是墩接加固法[3]。該方法主要適用于柱角腐朽嚴(yán)重且柱底向上破損長度未超過柱高1/4的古建筑物。在古建筑木結(jié)構(gòu)的墩接過程中，可依據(jù)有關(guān)部件的腐朽程度、具體腐朽部位和預(yù)備墩接材料等的不同進(jìn)一步將其分為木料墩接、鋼筋混凝土墩接和石料墩接三大類別。木料墩接通常利用巴掌榫、抄手榫等獨(dú)特樣式。在對建筑物木結(jié)構(gòu)進(jìn)行墩接施工時(shí)，必須嚴(yán)格控制墩接榫頭的精確對位。鋼筋混凝土墩接僅能應(yīng)用于墻內(nèi)的暗柱，并且柱子的高度、寬度和半徑等都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。三是偷梁換柱法。偷梁換柱主要指工作人員在對建筑工程進(jìn)行大修時(shí)，在不改變房屋建筑整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上更換大梁和柱子的重要房屋修繕方法。通常而言，偷梁換柱的方法主要有兩種：一種是利用牮桿支頂和連接柱子的各種構(gòu)件，在卸掉柱子荷載的基礎(chǔ)上通過挖槽的方式取出柱基石，進(jìn)而將新的柱子安上;另一種方法是利用牮桿將柱頭周圍的有關(guān)構(gòu)件抬起，在不移動(dòng)柱基石的基礎(chǔ)上減少柱子底部的壓力，從而露出管腳榫以便工作人員用新柱替換舊柱，達(dá)到有效更換古建筑木結(jié)構(gòu)受損部位的目的。四是修整加固法。該方法是在不揭除瓦頂、橫梁等建筑結(jié)構(gòu)大框架的基礎(chǔ)上直接對建筑物的某一部分木結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體修繕和加固。一般而言，該方法適用于建筑物木構(gòu)架變形較小、構(gòu)件位移較小的工程。

2.3 新技術(shù)加固

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和科技水平的進(jìn)一步提升，越來越多可用于古建筑木結(jié)構(gòu)加固的新技術(shù)涌現(xiàn)，提升加固效率的同時(shí)也優(yōu)化了古建筑木結(jié)構(gòu)的加固效果。首先是FRP技術(shù)。該技術(shù)是利用高強(qiáng)度的纖維和某些化學(xué)樹脂基體進(jìn)行一定的結(jié)合而制成的新型材料，具有強(qiáng)度重量比高、易于加工、耐腐蝕性良好和方便快捷等優(yōu)勢。通常根據(jù)添加的增強(qiáng)材料的不同可將其進(jìn)一步細(xì)分為玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料等。其中，碳纖維復(fù)合材料較普通材料具有更強(qiáng)的抗拉性能，且其在模量、膨脹系數(shù)以及比強(qiáng)度等方面都具有一定的優(yōu)勢。因此，在房屋建筑木結(jié)構(gòu)的加固過程中，相關(guān)工作人員可使用碳纖維復(fù)合材料和相應(yīng)木質(zhì)材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而產(chǎn)生新的木結(jié)構(gòu)材料，以有效保證古建筑木結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到相應(yīng)荷載標(biāo)準(zhǔn)。此外，F(xiàn)RP技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在抗剪加固和抗壓加固兩大方面[4]。就抗壓加固而言，可進(jìn)一步利用玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料橫向圍繞在柱結(jié)構(gòu)古建筑周圍，借此提升木柱的抗壓承載力。而利用玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)一步加固橋梁工程的木樁時(shí)，可在木樁結(jié)構(gòu)性能嚴(yán)重惡化的情形下進(jìn)一步提升木樁的極限承載力等性能。其次是預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)。該方法是在建筑物構(gòu)件承受有關(guān)荷載前，預(yù)先對其施加一定的壓應(yīng)力以抵消構(gòu)件在承受外部荷載后產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而增強(qiáng)構(gòu)件的承載力和剛度，并對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和彈性變形等進(jìn)行一定的遏制。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的加固時(shí)，可利用碳纖維布等材料在木梁受拉區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力使木梁整體結(jié)構(gòu)具備相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而提升木結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和強(qiáng)度等。圖2即為碳纖維布的示意圖。最后是納米材料加固技術(shù)。該方法主要是利用碳納米管樹脂對古建筑木結(jié)構(gòu)有關(guān)腐爛、蟲蛀部位和重要節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行一定的修繕。維修人員在利用此方法修繕古建筑時(shí)，可將碳納米管樹脂均勻涂抹于木結(jié)構(gòu)表面，從而有效提升木料的抗彎能力和承載力。

3 結(jié)語

總之，古建筑木結(jié)構(gòu)歷經(jīng)千年滄桑而屹立不倒，不管是從其對歷史研究和科學(xué)研究的重要性而言，還是從古建筑木結(jié)構(gòu)作為先祖留給后人的寶貴財(cái)富的紀(jì)念意義而言，它的存在都有不容忽視的重要價(jià)值。因此，加強(qiáng)對古建筑木結(jié)構(gòu)有關(guān)性能的深入研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對某些破損的木結(jié)構(gòu)古建筑進(jìn)行一定程度的修繕，最大程度上將其完整地保存，不僅能對我國有關(guān)時(shí)期的歷史研究、文化研究和科學(xué)研究做出一定的貢獻(xiàn)，更能為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化帶來一定的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2]王耀國，郭小東，蘇經(jīng)宇，等.殘損對木結(jié)構(gòu)古建筑的影響及加固方法[J].低溫建筑技術(shù)，2015（6）：40-42.

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【作者簡介】喬勇（1986—），男，甘肅靈臺(tái)人，工程師，從事文物修繕行業(yè)十年，擅長古建筑維修保護(hù)、石窟和石刻保護(hù)、土遺址保護(hù)修繕。