連 暉
(中國建材檢驗認(rèn)證集團廈門宏業(yè)有限公司 福建廈門 361012)
中國古建筑經(jīng)歷了很長的歷史演變,內(nèi)貯博大精深,建筑形式豐富多彩,結(jié)構(gòu)特征已如渾然天成。其結(jié)構(gòu)構(gòu)成原則、各種受力構(gòu)件的合理尺寸的確定及其受力機理等都不同于現(xiàn)代結(jié)構(gòu),而有其自身歷史背景,是一個獨特的體系。閩南民間木石結(jié)構(gòu)的仿古建筑,某些只是“依樣仿造”,卻缺乏結(jié)構(gòu)整體概念及必要的力學(xué)常識,常有遺漏。本文詳細(xì)介紹了泉州某大雄寶殿目前存在的設(shè)計,施工質(zhì)量問題,并對其現(xiàn)狀進行安全性鑒定,為該建筑后期加固改造提供參考依據(jù)。
泉州某大雄寶殿復(fù)建工程為一幢采用石柱、原木梁架、重檐、歇山頂、琉璃瓦屋面的南方風(fēng)格復(fù)建古建筑,面闊七間,長 28.050m,進 深 17.100m,高10.900m,建筑面積為 651.15m2。詳細(xì)外觀見(圖1)。
圖1 建筑外立面
圖2 歇山磚墻開裂
圖3 童柱下柁梁下沉
經(jīng)現(xiàn)場勘查,兩側(cè)歇山砌于木梁架上的磚砌山墻明顯下沉、開裂,其下柁梁下彎,梁身橫紋壓縮變形明顯,梁端榫頭下沉,梁肩順紋開裂,開裂長度約1/3梁跨,如現(xiàn)場(圖2、圖3)所示。因房屋為對稱結(jié)構(gòu),經(jīng)現(xiàn)場勘查后確認(rèn)上述問題在兩側(cè)歇山四角均出現(xiàn)。
該建筑有八根柱的截面尺寸小于原設(shè)計圖紙,柱截面面積損失率在6% ~44%之間。且(A、1)、(A、2)柱原設(shè)計截面為方形截面,實際施工更改為圓型截面。檢查結(jié)果詳見(表1)。
表1 部分柱截面尺寸檢測值
(1)標(biāo)高3.420m處的屋面梁架,在(1~8、A ~B),(1~8、E~F),(1~2、A~F),(7~8、A ~F)區(qū)域內(nèi),沿長度方向均比原設(shè)計圖紙各少一根聯(lián)系梁(枋)(圖4)。
(2)標(biāo)高6.390m處上檐梁,(C、4~5)原設(shè)計直徑 D=315 mm,實際施工采用矩形梁,梁截面尺寸為415×80 mm,截面損失率為57%;(D、4~5)在標(biāo)高6.170m處原設(shè)計尺寸為500×80 mm,實際施工采用415×80 mm截面損失率為13%。(C、2~7)、(D、2~7)在標(biāo)高7.730m處梁截面尺寸為D=320 mm,實際施工采用430×80 mm,截面損失率為57%。具體位置詳見(圖5)。
圖4 下檐梁架仰視圖
圖5 橫向剖面尺寸詳圖
圖6 梁柱榫接松動
圖7 梁下滑位移
(3)標(biāo)高6.415m處梁(D、2~3)與柱榫接松動(施工采用拉釘加固),詳見(圖6);標(biāo)高5.410m處梁(E、6~7)在靠近7軸梁有下滑位移,梁面出現(xiàn)裂縫,具體詳見(圖7);標(biāo)高7.020m,8.050m,8.940m處(3、C~D)軸原設(shè)計各有一根圓型截面梁,直徑分別為350mm,300mm,300mm,施工中更改為兩根矩形梁,截面分別為420×80mm,250×70mm,截面損失率分別為65%、75%。后在標(biāo)高7.020 m處加固一根方梁。具體位置見(圖8)。
圖8 縱向剖面圖
3.1.1 構(gòu)件承載力評級
a.柱豎向承載力評級
該建筑為單層宮殿式建筑,按照傳統(tǒng)經(jīng)驗建造,現(xiàn)已基本建成封頂2個月,現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)有八根柱的截面尺寸小于原設(shè)計圖,其中五根柱的截面損失率超過20%,最大截面損失率達44%;但未見柱出現(xiàn)明顯變形與承載力不足的現(xiàn)象,參照閩南地區(qū)類似建筑使用經(jīng)驗,故該建筑物柱豎向承載能力評級可定為cu級。
b.梁承載力評級
該建筑部分梁未按原設(shè)計安裝、截面替換減小,出現(xiàn)變形下彎及沿剪切面開裂等現(xiàn)象,承載力降低較大,故該建筑物梁承載能力評級可定為du級。
3.1.2 構(gòu)件構(gòu)造評級
該建筑部分梁柱節(jié)點連接處松弛變形、滑移、沿剪切面開裂,故該建筑物梁構(gòu)造評級為cu級。
該建筑柱連接構(gòu)造基本滿足設(shè)計要求,故該建筑物柱構(gòu)造評級為bu
3.1.3 構(gòu)件不適于繼續(xù)承載的變形評級
該建筑部分梁與柱接頭處出現(xiàn)下滑位移;下柁梁下彎,梁身橫紋壓縮變形明顯,梁端榫頭下沉,故該建筑物梁不適于繼續(xù)承載的變形評級可定為du級。
該建筑柱未出現(xiàn)明顯壓縮變形等不適于繼續(xù)承載的變形現(xiàn)象,故評級可定為bu級。
3.1.4 構(gòu)件裂縫評級
該建筑部分梁表面出現(xiàn)較明顯受力裂縫,故該建筑物梁構(gòu)件裂縫評級可定為du級。
該建筑柱表面未出現(xiàn)較明顯受力裂縫,故該建筑物柱構(gòu)件裂縫評級可定為bu級。
3.1.5 構(gòu)件危險性的腐朽和蟲蛀評級
該建筑構(gòu)件未出現(xiàn)危險性的腐朽和蟲蛀的情況,故該建筑梁、柱危險性的腐朽和蟲蛀評級為bu級。
參照《營造法式》[1]及《清式營造則例》[2],中國古建筑抬梁式木結(jié)構(gòu)殿堂從豎向分為三個層次:臺基層、柱架層、梁架層(含輔作層),各層都是獨立的整體,通過水平面層層壘疊而構(gòu)成穩(wěn)定的空間構(gòu)架。在級別稍低的廰堂構(gòu)架中,允許內(nèi)柱直接作為柁梁支座與梁架構(gòu)成整體,內(nèi)柱用整木通長落地,與檐柱通過搭牽梁與斗拱接合形成“人”字形穩(wěn)定構(gòu)架。
臺基是剛度均勻的整體。礎(chǔ)石嵌固于臺基頂面。礎(chǔ)石本身是經(jīng)過精心加工,頂面經(jīng)過嚴(yán)格的定平安裝工藝而造成水平光滑的柱腳支承面。柱架層是由柱和搭頭木(額枋)榫卯聯(lián)結(jié)構(gòu)成整體穩(wěn)定的下端鉸接,上端相對剛性的框架,接近現(xiàn)代“柱腳鉸接門式剛架”。柱直接蹾立簡支在柱頂石上水平面,地基承擔(dān)豎向壓重,礎(chǔ)石頂面摩擦力提供對柱腳的側(cè)向水平約束?!稜I造法式》中明確規(guī)定構(gòu)件截面尺寸,及結(jié)構(gòu)柱距跨度等尺寸,對柱要求“柱雖高不越間之廣”,相當(dāng)于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)整體的“高寬比”限制,是結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗傾覆的關(guān)鍵整體構(gòu)造措施。
圖9 主榀構(gòu)架
該大雄寶殿建筑的上部結(jié)構(gòu)修建在一個凸出地面的夯土臺基上,在臺基上鑲?cè)牍男螇K石其下有混凝土錐形獨立基礎(chǔ),使其頂面光滑水平,上端平面直接支承上部石柱,石柱上端端平面上坐斗
或直接墩放生根于梁架的木柱,木柱上端雙向水平開卯口聯(lián)系承接梁枋,梁枋疊合作為水平構(gòu)件承擔(dān)屋面豎向荷重。該結(jié)構(gòu)擬建形制為“廰堂”式,主榀構(gòu)架,詳見(圖9),所擬造的原型與《營造法式》中廰堂草架側(cè)樣“十架椽屋前后并乳栿用六柱”最為接近,詳見(圖10)。
由于閩南地區(qū)氣候濕潤,又多白蟻蟲害,石材取用便宜,民間建造時多用石柱代替部分木柱,有的甚至代替全部木柱。而民間在“依樣仿造”過程中由于缺乏結(jié)構(gòu)整體概念及必要的力學(xué)常識,常有遺漏。在閩南,石柱上端用以形成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系的“搭頭木”或名“額枋”往往被遺漏?!瓣@額”又稱“搭頭木”,截面足夠大,兩端于柱通過穿榫固接,與柱形成穩(wěn)定的門式剛架,跨中一般不直接受力,以兩端受彎為主,因柱往往被設(shè)計為軸心受壓柱,額枋專為防止柱架受水平荷載作用時偏移失穩(wěn)而設(shè),是柱架層不可缺少的重要構(gòu)件。
該建筑亦是石柱到頂,無“搭頭木”。所有石柱,下端端平面直接“站”立于礎(chǔ)石頂面,上端端平面上坐斗或直接墩放生根于梁架的木柱,木柱間雖有梁枋相連,但墩接平面不具備抗彎抗拉能力,不能對石柱形成固端約束、詳見(圖11、圖12)。
按照結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定理論進行分析,可穩(wěn)定受力的正確的古建筑廰堂構(gòu)架的結(jié)構(gòu)計算簡圖如(圖13)所示(圖中按專業(yè)統(tǒng)一約定“o”表示鉸接,“┌”表示剛接)。(圖13)所示構(gòu)架為廰堂構(gòu)架形成穩(wěn)定非機動體系的最低限基本靜定結(jié)構(gòu)型。內(nèi)柱與梁架相對剛性連接形成空間不變“剛片”是其結(jié)構(gòu)要領(lǐng)。
圖10 十架椽屋前后并乳栿用六柱
圖11 建筑外立面
圖12 墩接平面
按照現(xiàn)場勘察檢測結(jié)果,該大雄寶殿大雄工程相應(yīng)結(jié)構(gòu)計算簡圖為(圖14)所示。
圖13 最低限基本靜定結(jié)構(gòu)型
雖然現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下柱尚可直立負(fù)荷,但幾乎所有柱為上下端都簡單平支的“搖擺柱”,一旦遇較大水平作用如地震、大風(fēng)、或偶然沖擊極易失穩(wěn),變?yōu)椤八沧儥C動體系”。尤其是水平向扭轉(zhuǎn)作用可以很輕易將其推覆而造成落架坍塌。
故該建筑物整體性評級可定為Du級。
經(jīng)現(xiàn)場勘察,該建筑山墻開裂,屋面滲水,因此該建筑圍護系統(tǒng)評級可定為Du級。
圖14 大雄寶殿大雄工程相應(yīng)結(jié)構(gòu)計算簡圖
基于本工程已基本建成,考慮經(jīng)濟因素及現(xiàn)狀,針對實際問題,本報告提出以下提高安全性的修繕改造措施作為技術(shù)處理建議供有關(guān)方參考。修繕改造應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)工程設(shè)計院設(shè)計,專業(yè)加固工程公司實施。
(1)對石柱參照“金廂斗底槽”,檐柱增加“闌額”,內(nèi)柱石柱額頭增加額枋,與石柱透榫連接,形成空間穩(wěn)定的非機動構(gòu)架體系;或作現(xiàn)代化改造,將四周原填充墻改造為抗震墻,再用聯(lián)系梁將所有石柱上端嵌固,與抗震墻形成具有一定抗側(cè)力能力的“磚混內(nèi)框架”結(jié)構(gòu)。
(2)修繕改造過程中補足原遺漏、缺損、換小等不合格構(gòu)件。原脊吻,屋瓦,斗拱,梁、板等造價較高的木雕構(gòu)件、石柱等仍可酌情使用。
(3)屋面及山間屋架,歇山梁架落架重修,替換開裂梁,加厚其下隨梁枋;歇山擋雨墻改為木板格擋,做自防水,或仍可木板外釘鋼絲網(wǎng),抹水泥砂漿做防水面層;改變屋面做法,去除剛硬性水泥砂漿層,望板上座防水卷材,上鋪薄瓦,使其重量接近傳統(tǒng)做法。
[1]李誡.營造法式[Z].1068-1077年編纂 .
[2]梁思成.清式營造則例[M].北京:中國營造學(xué)社,1934.