本文摘要：摘要：古建木结构是华夏民族的宝贵财富，但历经数百年服役后存在不同类型和程度的残损现象，降低了结构的安全性能。选取北京故宫内的同道堂为对象，通过现场勘查和残损分析，获得结构柱框层、斗栱层和梁架层中典型的残损类型、特征、影响、数量和分布规律，
摘要：古建木结构是华夏民族的宝贵财富，但历经数百年服役后存在不同类型和程度的残损现象，降低了结构的安全性能。选取北京故宫内的同道堂为对象，通过现场勘查和残损分析，获得结构柱框层、斗栱层和梁架层中典型的残损类型、特征、影响、数量和分布规律，并对其残损成因进行归纳，提出相应的保护建议。研究结果表明：结构的残损类型主要包括构件开裂、糟朽、缺失、歪闪、分离和榫卯节点拔榫等，其中斗栱层残损状况最为复杂和严重;结构残损成因可归纳为材性退化和木材缺陷、生物侵蚀和自然环境变化、长期复杂的荷载效应以及不合理的修缮措施;建立结构健康监测系统、加强生物病害防治、推进木结构力学性能的基础研究等是古建筑保护和修缮的重要基础和手段。
关键词：古建筑;木结构;残损类型;残损分布;残损成因;保护建议
明清官式木构是中国古建筑发展和演变的集大成者和典型代表[1]，具有极高的文化、历史和科学价值。然而，在各种自然和人为因素的长期作用下，历经数百年历史的古建筑存在不同类型和程度的残损现象，降低结构的受力性能，进而威胁结构的安全性。因此，明确古建木构的残损和分布特征，是准确进行结构状态评估并采取合理修缮措施的重要前提和基础。目前，学者们对古建木结构的残损现象开展了大量的调研和分析工作。
李铁英等[2]和Qiao等[3]在总结应县木塔和飞云楼的残损类型的基础上，划分柱、额枋和铺作的残损等级，归纳残损原因，并从材性、变形和残损分布等方面分析了木塔和楼阁的受力现状。淳庆等[4]对宁波保国寺的现场勘查发现，结构残损包括基础沉降、构件倾斜、劈裂和榫卯拔榫等，并提出增设硬木暗销和采用CFRP包裹等的加固建议。Li等[5]和杨娜等[6]整理了典型藏式古建筑的残损类型，分析其残损形成的原因，并通过模型试验研究了弓木尺寸和暗销位置对梁柱节点转动刚度和抗弯承载力的影响。
谢启芳等[7]、潘毅等[8]和周乾等[9]对汶川地震区的古建筑进行现场调研，获得并整理了古建木结构中包括节点、木柱、梁架和墙体的典型震害现象。王娟等[10]以唐代殿堂型木结构为对象，探究了斗拱–梁架一体化铺作层构造、柱脚管脚榫形式、竖向荷载大小和位置对木构架滞回耗能和抗侧力性能的影响。
然而，现有的研究大多针对明代以前的木结构，而且未给出详细的残损数量及其分布。由于不同年代的古建筑的构造特征和服役时间不同，结构残损特征存在差异。为更好地指导明清官式古建木结构的保护工作，亟需开展其结构残损的调查和分析研究。笔者以北京故宫博物院内具有典型明清官式古建木结构特征的同道堂为对象，对不同高度的结构层进行现场残损勘查，分析各种残损类型的特征、影响、数量和分布规律，并归纳结构残损成因，以期为明清官式古建筑在残损现状下的受力性能、安全评估和修缮加固工作提供参考和依据。
1勘查概况
1.1勘查对象
同道堂始建于明永乐十八年(1420年)，位于北京故宫博物院西北角的咸福宫内。同道堂面阔5间，东西向纵长21.16m，南北向横宽7.82m，柱高3.64m，屋脊高度8.18m。屋顶为歇山顶形式，顶覆黄琉璃瓦，立柱浮搁于础石之上，梁柱节点采用榫卯连接。檐下为单昂三踩斗栱，梁枋饰以龙凤和玺彩画，前檐明间安槅扇门、帘架，左右两次间为槛墙、支摘窗，后檐墙不开窗。整个结构为典型明清官式建筑做法结构。
对同道堂进行大修的最新记录为1929年，距今已近百年。在各种环境和荷载等因素的长期作用下，结构出现了不同类型和程度的残损现象，降低了结构的安全性能，目前该结构已暂停对游客开放。本次勘查主要针对同道堂的木构架，从下往上对各部位的残损现象进行排查和记录，分析和归纳其残损特征、影响和成因，并统计各种残损类型的数量、比例和分布情况，为今后修缮工作提供依据。
1.2结构分层与编号
同道堂为抬梁式结构，各构件通过榫卯、斗栱和柱脚等节点相互连接，结构平面呈对称布置，其木结构体系按空间高度和传力路径可分为3个结构层：柱框层、斗栱层和梁架层，各结构层自下而上逐层搭建，落架成屋。为便于各部件残损的指定说明，对各结构层的构件采用如下的编号命名规律。
2典型残损类型的特征及分布
2.1柱框层残损
在结构的传力体系中，柱框层起到将梁架层和斗栱层的荷载传递给台基的作用。立柱为整体结构受力的最关键构件，尺寸通常较大，其截面应力远低于木材的顺纹抗压强度，但在长期复杂的服役历史中，柱框层会出现一定的残损现象。经检测，同道堂立柱所用树种为润楠(Machilussp.)。
2.1.1残损类型及特征
1)柱脚糟朽特征和成因：柱脚木质粉化严重，有效承载面积被削弱，最严重的情况剩余承载面积不足50%。柱脚浮搁于础石上，易受雨水浸泡而糟烂，或在虫蛀侵蚀下致使木质分解粉化。影响：柱脚糟朽使最外层木材丧失强度，进而使有效承载面积减小，不仅降低立柱的竖向承压能力，还降低了柱脚节点的转动刚度和抗倾覆弯矩[11]。
2)柱身糟朽和开裂特征和成因：柱身糟朽常见于夹在墙内的立柱;柱身开裂多沿顺纹方向，严重时甚至贯通立柱。对于墙内的立柱，其通风性差，在潮湿环境下易遭受木腐菌或虫蚁的侵蚀而致柱身糟朽;木材弦向和径向干缩系数差异较大[12]，在温湿度的长期交替变化下，柱身开裂。影响：柱身糟朽会削弱木柱的有效承载面积，而顺纹裂缝一般不会显著降低其承压能力[13]。然而，裂缝的形成和扩展会使立柱内部的木纤维暴露于空气中而加速其老化，甚至引起或加剧墙内木柱的糟朽，致使木柱的材料强度和承压能力降低[14]。
3)柱头破损特征和成因：柱头有直径为3~5mm的孔洞，主要分布在南侧立柱上。经考证，孔洞为采用微损伤检测手段或钻钉施工中留下的。
2.1.2残损数量及分布
柱框层的残损类型、编号和数量，其中柱脚糟朽3处，柱身开裂1处而柱头破损5处。柱脚糟朽均发生在夹在墙内的立柱中。需要注意的是，由于北侧、东侧和西侧的墙体遮挡，部分构件无法观测。
2.2斗栱层残损斗栱层是由方形的斗和弓形的栱或翘通过叠压咬合的方式形成的复杂节点群，起到将屋架荷载均匀地传递给柱框层的作用，是结构抗震耗能的关键部位[7-9]。现场勘查发现斗栱层残损状况最为严重，且残损类型最为繁杂。
2.2.1残损类型及特征
1)构件分离和松动特征和成因：多为三才升(小斗)和里拽瓜栱或里拽枋之间的分离和松动。由于竖向荷载主要集中在大斗正上方，在荷载的长期作用下，栱将发生翘起变形，使小斗与栱发生分离。影响：分离和松动导致构件之间无压力作用，这意味着小斗已失去其承压和传力功能，进而降低了斗栱在竖向的承压刚度和承载力。对其他宫殿进行勘查发现，此类残损较为普遍。
2)构件裂纹和劈裂特征和成因：构件表面常见龟裂状的细短裂纹;部分构件出现严重的劈裂现象。龟裂状裂纹主要由环境的温湿度交替变化引起的，构件劈裂则是因局部修缮时打入铁钉造成的。影响：龟裂状裂纹对木材横纹抗压强度影响不大，构件劈裂是因粗糙的处理方式造成的，打入铁钉是为将大斗和梁枋等龙骨构件连接起来，以实现斗栱层受力时拉拽龙骨，但这样会破坏原有构件的完整性，并非符合规范[15]的做法。
3)翘缺失特征和成因。在重屋盖的长期作用下，翘会发生顺纹方向的劈裂，劈裂部位易掉落而致翘缺失;现场发现部分翘缺失的断面较整齐，也可能是局部维修中为替换大斗而将翘劈砍掉的结果，这是一种粗糙的处理方式。影响：翘缺失导致其失去原来位置的承压功能，降低斗栱在竖向荷载下的刚度和承载力。
3结构残损的成因归纳
3.1木材缺陷和材性退化
作为一种天然的生物材料，木材常伴有髓心、木节和裂纹等初始缺陷。髓心木的力学性能指标极低，木节会造成应力集中和裂纹扩展，而裂缝会降低木梁的抗弯性能[13]。随着时间推移，木材中纤维素降解，水分减少而抽提物增多，木纤维间组织构造日趋稀松，宏观上表现为材料脆性和硬度增大，弹性模量和强度降低[18]，进而导致结构的刚度和承载力下降，构件挠曲和承压变形增大。
应县木塔、北岳庙、扬州古屋和景清门的古旧木材力学性能退化情况[19-21]。不同树种的木材性能退化程度不同，如景清门的杨木的顺纹抗拉强度、抗弯强度和弹性模量的退化率较其他树种大;而相同树种的木材，由于其服役年限和环境的差异，其力学性能也存在差异，如北岳庙和扬州古屋的云杉的材性退化程度不同。
3.2生物侵蚀和自然环境变化
生物侵蚀主要包括木腐菌和虫蚁的入侵，这是威胁木结构耐久性的重要因素。木腐菌会由外而内逐步侵蚀木材，分解其纤维素和木质素等有机物组分，使其失去原木特征。
4古建筑的保护建议
4.1建立结构健康监测系统
基于光纤光栅传感器的无线传输数据技术，可建立古建木结构关键部位的温度、湿度、应变和位移等信息的结构健康监测系统。利用多元线性回归模型、季节乘积ARIMA-GARCH模型对监测数据的变化因素进行控制，然后基于单值–移动极差控制图、EWMA控制图和EWRMS控制图对异常进行诊断[25]，可以实时掌握结构的受力状态，并为控制游客数量的判定提供依据。利用SSA对长期监测数据进行分解和重构，可对结构未来的响应及趋势进行预测[26]。
一方面，对比预测值和实测值的差异，可实时掌握结构的残损变化;另一方面，预测模型还能给出结构在未来服役中的安全概率，为管理者采取干预措施提供判断的依据，实现由“抢救性和被动性保护”向“预防性和主动性保护”转变的科学理念。
4.2加强木材防腐防虫的生物病害防治
木腐菌和虫蚁的侵蚀是威胁古建木结构耐久性的重要因素，生物病害问题在潮湿环境中更为严峻。防治措施可包括：1)将木材含水率控制在25%以下，可有效抑制木腐菌的滋生[27];2)在构件表面涂刷蜡乳浊液、胡桃醌等可降低木材的吸湿性，进而有效减缓木腐菌的侵蚀[27];3)在立柱表面外包保护层;4)保持构件干燥通风，特别是控制密闭夹缝处的温湿度，破坏木腐菌和虫蚁的生存环境条件;5)定期对各构件进行检查，一经发现菌斑或虫卵就立即进行清除，防患于未然。
4.3积极开展古建木结构的基础研究
正确认识古建木结构的基本受力性能是开展修缮和加固工作的前提。应开展更多且全面的针对古建木结构的基础研究，包括节点、构件和整体结构的静动力性能、木材材性增强剂和防腐防虫涂料的研制、CFRP和记忆合金等新型材料[28-31]和无损扫描技术在木结构加固和检测中的应用适应性等，形成科学系统的分析理论和计算方法，进一步完善相关规范和标准[15]，并提出准确合理又行之有效的修缮和加固方法。如此，还能避免因不合理的人为修缮措施而造成的古建筑残损加剧。
力学论文投稿刊物：《工程力学》是中国科协主管、中国力学学会主办，清华大学土木工程系承办的以工程应用为特点的全国综合性学术刊物。主要报导力学在工程及结构中的应用，刊登力学在科研、设计、施工、教学和生产方面具有学术水平、创造性和实用价值的论文，包括力学在土木建筑、水工港工、公路铁路、桥梁隧道、航海造船、航空航天、矿山冶金、机械化工、国防军工、防灾减灾、能源环保等工程中的应用且具有一定学术水平的研究成果。
5结论
1)同道堂的木结构体系按空间高度和传力路径可分为柱框层、斗栱层和梁架层。柱框层残损包括柱脚糟朽、柱身糟朽、开裂额柱头破损;斗栱层残损包括构件松动分离、裂纹劈裂、翘缺失、不协调的新材替换旧材、斗栱整体倾斜、小斗缺失、歪闪、斗耳顺纹开裂、暗销缺失、大斗斗耳劈裂和底座被凿削;梁架层残损包括檩三件开裂、分离、局部破损、虫蛀糟朽、榫卯节点拔榫和梁开裂。其中，斗栱层的残损类型和数量最多，残损状况最为严重。
2)古建木结构残损成因比较复杂，但可主要归纳为：材性退化和木材缺陷、生物侵蚀和自然环境变化、长期复杂的荷载效应以及不合理的修缮措施。3)建立古建筑木结构关键部位的温度、湿度、应变和位移等信息的结构健康监测系统、加强木材防腐防虫的生物病害防治、并开展包括结构静动力性能、木材材性增强剂、防腐防虫涂料、CFRP和记忆合金等新型材料研制的基础研究，是古建筑保护和修缮的重要基础和方法。
参考文献：
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[3]QIAOGF,LITY,FRANKCHENY.AssessmentandretrofittingsolutionsforanhistoricalwoodenpavilioninChina[J].ConstructionandBuildingMaterials,2016,105:435-447.
[4]淳庆,喻梦哲,潘建伍.宁波保国寺大殿残损分析及结构性能研究[J].文物保护与考古科学,2013,25(2):45-51.CHUNQ,YUMZ,PANJW.ResearchondamagecharacteristicandstructuralperformanceofthemainhallofBaoguoTempleinNingbo[J].SciencesofConservationandArchaeology,2013,25(2):45-51.(inChinese)
作者：秦术杰1,2，杨娜2，曹宝珠1，董金爽1
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