周 乾，楊 娜

(1.故宮博物院， 北京 100009； 2.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044)

故宮古建榫卯節(jié)點典型殘損問題分析

周 乾1,2，楊 娜2

(1.故宮博物院， 北京 100009； 2.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044)

為保護故宮古建筑，采取理論分析與現場勘查相結合的方法，研究了故宮古建大木結構榫卯節(jié)點的典型殘損問題?；陂久?jié)點的構造特征和殘損現狀，討論了故宮官式木構古建的榫卯節(jié)點在不同因素作用下出現的不同類型殘損問題，包括殘損問題的表現形式、主要癥狀、發(fā)展趨勢、對古建筑的潛在威脅等方面。分析了古建筑榫卯節(jié)點產生殘損的不同誘因，結合工程實例，提出了加固建議。結果表明：故宮古建筑榫卯節(jié)點的典型殘損問題包括拔榫、變形、糟朽、加固件松動等，對古建筑的整體穩(wěn)定性構成了威脅；引起榫卯節(jié)點的殘損問題的因素是多樣的，但主要包括外力作用、木材材性缺陷，以及榫卯連接構造的特點等方面。采取鐵件拉接、木柱支頂、碳纖維布(CFRP)或鐵件包裹等方法均有利于解決上述殘損問題。

故宮古建筑；榫卯連接；殘損問題；加固方法

我國的古建筑以木結構為主。位于北京市中心的故宮博物院(紫禁城)，擁有我國現存規(guī)模最大、保護最完整的木結構古建筑群，具有重要的文化和歷史價值，保護意義重大。這些古建筑建于明清時期，其主要構造特征之一，就是木構件之間(包括水平構件之間、水平構件與豎直構件之間)采用榫卯節(jié)點的方式連接。即一個構件的端部做成榫頭形式，插入另一個構件端部預留的卯口中[1]。榫卯節(jié)點連接的方式不僅有利于古建筑的快速施工，而且在外力作用下(如風、地震)，榫頭與卯口之間的摩擦和擠壓，可耗散部分外部能量，有利于減小古建筑的破壞。

故宮古建筑中的榫卯節(jié)點有很多種。如管腳榫一般位于柱腳，與梁內的海眼咬合，可起到固定柱腳的作用，見圖1(a)；饅頭榫一般位于柱頂，可用于避免梁水平移位的榫，見圖1(b)；燕尾榫外形象燕尾，其榫頭外大內小，對應的卯口外小內大，常用于梁柱相交構件的連接，見圖1(c)；箍頭榫位于枋與柱在盡端或轉角部位相交處，且柱頭以外部分做成箍頭形式，主要用于拉接上述位置的柱與枋，見圖1(d)，其它榫卯節(jié)點形式還包括透榫、半榫、十字卡腰榫等。

圖1典型榫卯節(jié)點構造

在常年的自然力(地震、雨雪作用)或人為破壞作用下，榫卯節(jié)點常常會產生破壞現象，并威脅古建筑結構整體穩(wěn)定性能，因而很有必要對榫卯節(jié)點進行殘損評估并及時采取有效加固措施。故宮古建大木結構屬抬梁式類型(即在立柱上架梁，梁上重疊數層瓜柱和梁，再于最上層梁上立脊瓜柱，組成一組屋架)，其榫卯節(jié)點的殘損評估參照《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范》[2](GB 50165—92)規(guī)定，包括如下內容：榫頭拔出卯口的長度不應超過榫頭長度的2/5；榫頭或卯口無糟朽、開裂、蟲蛀，且橫紋壓縮變形量不得超過4 mm。下面將對故宮古建梁柱榫卯節(jié)點的典型殘損問題進行分析，結果可為故宮古建筑維修和保護提供理論參考。

1 典型問題

故宮古建筑由于歷經時間長久，其材料性能不可避免產生退化。同時，由于外部環(huán)境因素影響，故宮古建筑榫卯節(jié)點易出現不同類型的殘損問題，并威脅到建筑整體的安全性和穩(wěn)定性。這些殘損問題包括拔榫、榫頭變形、榫頭糟朽、榫頭開裂、原有加固件失效等方面，具體說明如下：

(1) 拔榫。從力學上講，木構古建榫頭與卯口之間的連接屬于半剛性連接，節(jié)點剛度較小[3]。在外力作用下(風、地震、人為因素等)，榫頭與卯口之間會產生相對滑移和轉動，其間，榫頭不可避免地要與卯口產生間隙，形成拔榫，見圖2。一般而言，尺寸較小的拔榫量(如前所述，一般小于榫頭長度的2/5)可耗散部分外力產生的能量，從而使大木構架的破壞減輕，即對結構整體的安全性是有利的[4]。然而榫頭從卯口中拔出的尺寸過大時，一方面會削弱榫頭與卯口的連接，另一方面使得榫頭實際參與受力的有效截面尺寸減小。其結果很可能使榫頭產生受力破壞或脫榫，從而誘發(fā)大木構架局部失穩(wěn)。但是拔榫不同于脫榫，拔榫構件仍有一定的連接和承載力，大木結構尚處于完好狀態(tài)，采取及時加固措施可避免構架破壞。脫榫則不同，脫榫是指榫頭完全從卯口拔出，造成梁柱連接失效，是大木結構的破壞形式之一。由于拔榫可能導致脫榫，潛在威脅結構的安全性能，因而需要采取及時加固措施。

(2) 榫頭變形。榫頭變形是指榫頭在卯口中產生相對運動過程中，榫頭受到卯口擠壓而產生的變形，見圖3。

圖2 拔榫

圖3榫頭變形

榫頭變形主要包括榫頭下沉和榫頭歪閃兩方面問題。完好的榫頭與卯口本來為緊密結合狀態(tài)，但是在外力作用下，榫頭受到卯口擠壓后，產生壓縮、扭曲等變形，導致尺寸減小，即形成榫頭下沉問題。榫頭下沉使得榫頭與卯口在豎向有一定間隔，見圖3(a)。榫頭下沉的癥狀是榫頭截面受到削弱的體現。在外力不變的情況下，榫頭截面的應力將明顯增大，很容易產生內力破壞，并導致結構局部失穩(wěn)。榫頭下沉亦削弱了榫頭與卯口的連接，使得外力作用下產生拔榫的可能性增大。榫頭歪閃一般是指在水平外力作用下，榫頭與卯口之間產生水平向的相對錯動或扭轉，致使榫頭產生扭曲變形，見圖3(b)。由于在正常情況下榫頭與卯口是緊密連接的，因此當卯口變形不嚴重時，榫頭歪閃很可能反映榫頭已產生開裂或局部扭斷，因而需要采取加固措施。

(3) 榫頭糟朽。糟朽是木材的材性缺陷之一。在潮濕環(huán)境下，木材很容易產生糟朽問題，其主要原因在于水分加劇了木腐菌對木材的侵蝕[5]。產生糟朽的榫頭受力截面產生折減，易產生較大的內力。故宮木構古建的榫卯節(jié)點存在榫頭糟朽的殘損問題。圖4即為故宮某古亭攢尖木構架榫頭糟朽照片。榫頭糟朽問題常見于屋頂部位或隱蔽在墻體內的榫卯節(jié)點，上述位置的共同特點是易形成潮濕環(huán)境，且潮濕的空氣不易排出。當屋頂或墻體滲水流入榫卯節(jié)點位置時，在缺乏通風條件下，榫頭很容易糟朽，導致榫頭與卯口之間的連接性能受到削弱。外力作用下，榫卯節(jié)點的拉接力迅速降低，很容易產生脫榫并導致木構架局部失穩(wěn)，從而使得結構整體安全性能受到影響。

圖4榫頭糟朽

(4) 榫頭開裂。木材具有易開裂的材性缺陷，其主要原因是木材在干縮過程中，由于各部分收縮不一致而產生內應力，并致使薄弱環(huán)節(jié)開裂[6]。位于梁端的榫頭同樣存在開裂問題。由于本身干縮或外力作用原因，榫頭易產生裂紋。如圖5所示的雙步梁出現了水平貫穿裂紋，直至榫頭。該榫頭裂紋由梁身破壞而引發(fā)。由于榫頭破壞，榫卯節(jié)點的承載力降低，雙步梁出現了局部下沉問題。另榫頭與卯口相互作用過程中，受到卯口擠壓和咬合影響，榫頭亦產生開裂[7]。榫頭產生裂紋后，其與卯口的連接性能迅速降低，在外力作用下更易產生拔榫，并易導致木構架局部失穩(wěn)。此外，對于開裂的榫頭而言，其與卯口之間的咬合不再緊密，這使得微生物、雨水等易沿著裂紋位置進入榫卯節(jié)點內部，易造成其它殘損問題。榫頭開裂問題威脅古建筑的安全，因而應采取及時有效的加固措施。

(5) 加固件松動。此處的加固件是指鐵件。鐵件是明清官式木構古建加固的主要材料[8]。加固件用于榫卯節(jié)點加固時，在一定情況下會出現松動的問題。故宮加固榫卯節(jié)點的方法，一般以鐵件加固為主，如采用鐵釘、鐵片連接梁柱節(jié)點。鐵件加固法雖然可提高節(jié)點的強度和剛度，但是由于鐵件自身存在易銹蝕問題，因此加固件在歷經數年后會產生銹蝕，并導致本身松動。從鐵件拉接方向上看，部分加固方法是拉接水平向的榫卯節(jié)點，但是加固件由豎向釘入，見圖6所示。在這種情況下，若梁身受到的豎向力(方向向下)大于鐵件對梁端的嵌固力(方向朝上)，則很可能導致加固件被拔出。此外，鐵件加固木構件在短時間內有較好的效果，但隨著時間增長，木構件因為變形、開裂等原因，榫卯節(jié)點與鐵件的連接亦會減弱，導致鐵件松動。加固件出現松動后，榫卯節(jié)點的強度回到了未加固狀態(tài)，其承載能力迅速降低，從而對結構整體的穩(wěn)定性構成威脅。

圖5 榫頭開裂

圖6加固件松動

需要說明的是，榫卯節(jié)點的典型殘損還包括卯口的變形、開裂等問題，由于其破壞原因及加固方法與榫頭類似，故不進行詳細論述。

2 原因分析

故宮古建筑榫卯節(jié)點產生不同類型的殘損問題，其原因與多種因素有關，如榫卯節(jié)點的構造特征、材料老化、外力作用、施工管理、木材材性缺陷等，具體說明如下：

(1) 構造原因。榫卯節(jié)點的構造特征表現為：無論是梁端的榫頭，還是柱頂的卯口，在連接處都要削掉一定部分的尺寸，再進行連接，見圖7。盡管榫卯節(jié)點的構造特征有利于其發(fā)揮摩擦耗能的能力，但該特征是榫卯節(jié)點產生殘損問題的主要原因之一。這種構造特征使得一方面榫頭、卯口的截面尺寸均小于其它位置的截面尺寸，在外力作用下更仍容易產生拔榫等形式的破壞[9]；另一方面，榫卯節(jié)點是由兩個構件連接而成，與單一的梁、柱構件相比，其整體性能要差，即在外力作用下，節(jié)點位置更容易產生拉、壓、彎等形式的破壞[10]。榫卯連接形式雖然使得木構件之間得以拉接，但對于構件本身而言，無論其采用何種形式的榫卯節(jié)點形式，其榫頭或卯口的截面尺寸及有效受力截面尺寸均不足，因而在該位置易因承載力不足，并產生拔榫、開裂、變形等殘損問題。

圖7榫頭與卯口構造示意圖(以燕尾榫為例)

(2) 外力原因。榫卯節(jié)點的榫頭與卯口之間存在擠壓、摩擦、咬合等作用，這是榫卯節(jié)點承載力的主要來源。這種承載方式有利于耗散外部能量，減小木結構整體破壞。但相對于地震力、風力等外力作用而言，榫卯節(jié)點提供的承載力是較低的。外力作用下，榫卯節(jié)點很容易產生不同形式破壞。對于古建筑常見的拔榫問題而言，在水平外力(如風、地震)作用下，榫頭繞卯口轉動尺寸過大時，很容易導致榫頭從卯口拔出。如圖8所示為2008年5月12日，汶川地震造成的四川省劍閣縣某古建筑木構架拔榫，并直接導致該木構架產生側移(局部達0.22 m)，嚴重威脅古建筑的安全[11]。外力作用下，榫頭或卯口亦可能產生強度破壞。如當外力超過榫頭的抗壓、抗彎、抗剪承載力時，榫頭會產生變形、開裂等問題。

圖8地震造成的拔榫

(3) 材料原因。木材雖然有良好的變形和抗壓、抗拉性能，但存在不利于受力的材性缺陷。樹木在生長過程中，由于生理過程、遺傳因子等因素的影響，因而不可避免的產生節(jié)子、裂紋等天然缺陷。而加工使用后的木材因為干縮、菌類侵蝕、外部作用等原因，很容易出現開裂(裂紋擴展)、糟朽等缺陷。以木材常見的開裂問題(見圖9)為例，木材干縮特性使其易出現不同方向的裂紋。而外力作用下，其開裂程度加劇。對于榫卯節(jié)點而言，其有效受力截面本來就很小，一旦榫頭或卯口出現上述缺陷，其破壞的可能性要增大。另木材材料的物理特性為各向異性，這使得外力作用下，榫卯節(jié)點沿各方向受力不均。此外，對于故宮常采用的鐵件加固材料而言，雖然其具有較強的拉接力，可在一定程度上抑制節(jié)點變形，但鐵件材料在空氣中易產生銹蝕，因而很容易產生松動并降低加固效果。

圖9木材材性缺陷之干縮裂紋

(4) 施工問題。由于榫卯節(jié)點是由梁端榫頭和柱頂卯口拼合而成，上述任一構件或整個節(jié)點的施工出現不利于拼合的問題時，均有可能使榫卯節(jié)點產生殘損問題。榫卯節(jié)點的施工問題包括加工問題、運輸問題及安裝問題。加工問題即由于材料變形、初始裂紋，加工技術水平等原因，造成榫卯節(jié)點的加工尺寸與理論尺寸存在偏差，并存在殘損隱患。運輸問題則是指加工后的榫卯節(jié)點在運輸過程中，因為外力作用而產生局部破壞。如圖10所示的某燕尾榫榫頭，在工地中尚未安裝，但榫頭左上角因加工或運輸原因出現小的缺角(見圓圈內部分)，榫頭下部有輕微水平裂紋(見虛線部分)，這些都是不利于榫卯節(jié)點安裝及受力的。安裝問題即榫卯節(jié)點安裝過程中出現接縫不嚴，或由于用力不當，或技術水平有限造成的殘損問題。如梁或柱的位置未完全對齊，或者榫頭、卯口尺寸不完全匹配，或者用力不當造成榫頭或卯口損壞、變形，上述原因均可使榫卯節(jié)點產生變形、開裂等殘損問題。

(5) 外部環(huán)境因素影響。如在潮濕的環(huán)境中，榫卯節(jié)點易產生糟朽問題。長時間環(huán)境條件下，木材的彈性模量會逐漸降低，易增加榫卯節(jié)點的變形量。長時間荷載作用環(huán)境條件下，木材會產生徐變，亦增加了榫卯節(jié)點的變形等。

圖10某工程待安裝的燕尾榫頭

3 加固方法

3.1 鐵件加固法

鐵件加固法是故宮古建筑榫卯節(jié)點加固時常采用的方法。即利用鐵件材料體積小、強度高的優(yōu)點，將其固定在榫卯節(jié)點位置，并通過參與受力，來減小甚至避免榫頭或卯口的破壞。鐵件可做成不同形式，以便于加固。如對于梁柱拔榫節(jié)點，可采用厚約10 mm的鐵片，用鉚釘固定在榫卯節(jié)點位置，見圖11(a)。此時榫卯節(jié)點受到的外力主要由鉚釘承擔。對于拔榫的檁構件，可將鐵件兩端做成彎鉤，直接釘入節(jié)點兩端的構件內，見圖11(b)。此時榫卯節(jié)點受到的外力主要有鐵件端部的彎鉤部分承擔。

圖11鐵件加固法照片

過河拉扯加固做法：當直榫卯口貫穿整個柱子截面時，可采取該加固方法。其具體作法為[8,12]：用二根較長的扁鐵，從柱子的卯口內上下端分別貫穿柱身，扁鐵兩端分別用鉚釘連接榫頭，見圖12。該加固條件下，榫卯節(jié)點受到的外力由鉚釘承擔。由于鐵件的抗彎、抗剪承載力遠大于木材，因而這種加固方法有效的避免了節(jié)點的破壞。

圖12過河拉扯作法

3.2 鐵件加固法的改進

故宮古建筑采取的傳統鐵件加固方法可提高榫卯節(jié)點的強度和剛度(即硬度)，但也存在破壞木構件、不利于檢修等問題。如圖11(b)所示的扒鋦子，加固檁端部的榫卯節(jié)點后，雖然可提高節(jié)點的抗拉強度，但是對檁頭也造成了破壞，使得檁頭產生破壞裂縫。此外，固定在檁頭的扒鋦子，屬不可逆加固操作，即扒鋦子無法靈活拆卸或更換。因此，傳統的鐵件加固方法存在不足之處，需要進行改進。改進后的加固裝置除具備提高榫卯節(jié)點的承載力之外，還應滿足文物保護領域規(guī)定的“對原有結構擾動小或無擾動”、“加固過程可逆(加固件易于裝拆)”等要求。

作者參與研發(fā)了一款改進的榫卯節(jié)點加固裝置，其構造見圖13。該加固裝置由固定榫頭的鐵件(組件1)及固定卯口的鐵件(組件2)組成[13-15]。組件1和組件2包裹在榫卯節(jié)點位置，且通過螺栓固定。在加固榫卯節(jié)點時，可根據所需加固力的需要調節(jié)螺栓的松緊程度，使得這種“包裹”的加固裝置提供的加固力大小適當變化。該加固裝置可滿足榫卯節(jié)點的加固強度需求，易于裝拆，且螺栓位置位于梁頂，觀眾在下方不易察覺。通過采取水平低周反復加載試驗，研究了采取該種加固方法的效果。試驗結果表明[16]：這種“包裹式”加固方法及加固裝置可有效地提高榫卯節(jié)點的承載力和剛度，彌補了傳統鐵件加固方法存在的不足之處。

圖13一種合理改進的榫卯節(jié)點加固方法

3.3 支頂加固法

支頂加固法是指在柱內側增設輔柱，用輔柱柱頂來支撐拔榫的榫頭的加固方法，見圖14。對于拔榫的節(jié)點而言，榫頭在卯口內的搭接量不足很可能會引起節(jié)點受力破壞或脫榫(即榫頭完全從卯口拔出)，從而導致節(jié)點失效。而通過輔柱支頂方式，則可有效解決榫頭的搭接量不足問題。與鐵件加固法相比，該法有一定的不足之處，主要表現為：在水平外力(如地震、風)作用下，榫頭晃動尺寸過大時，仍有可能從輔柱頂部脫落。其主要原因在于，輔柱僅提供了對榫頭的豎向支撐，并沒有限制榫頭繞卯口的轉動。

圖14支頂加固法

3.4 鋼-木組合結構加固法

該種方法主要用于變形、破壞比較嚴重的榫卯節(jié)點加固。如故宮午門梁架加固及太和殿順梁榫頭加固均采用此法[10,17]。該種加固方法的操作工藝為：制作門字形平面木框架，框架中各木構件之間采用鋼板連接。平面框架主要用于支撐下沉的梁枋，而梁枋產生下沉的主要原因在于其端部榫卯節(jié)點變形、開裂、糟朽、截面尺寸不足等原因導致的承載力不足。下面以太和殿某順梁榫頭加固工程實例為例，對該方法進行說明。

太和殿大修前，故宮博物院技術人員對該建筑進行了勘查(2006年)，以獲得其安全現狀?？辈榘l(fā)現，太和殿三次間正身順梁的榫頭出現了殘損問題，具體表現為榫頭產生下沉，尺寸約為100 mm。該榫卯節(jié)點原有的加固鐵件已銹蝕、掉落。作者基于太和殿順梁構造特征及其上部屋架結構傳力特點，開展了理論分析和數值模擬研究工作，分析了榫頭產生下沉的原因，認為該位置的拉、彎、剪應力過大，導致了榫卯節(jié)點的破壞[10]。加固前的榫卯節(jié)點見圖15所示。

圖15正身順梁加固前照片資料

(①-順梁,②-童柱,③-天花枋)

經研究，采用鋼-木組合結構對下沉的順梁進行加固。具體做法為：(1) 制作龍門架。龍門架由3根木枋組成，各木枋截面尺寸均為300 mm×300 mm。各木枋用鋼板+螺栓連接。鋼板截面尺寸及螺栓直徑由計算確定。(2) 采用倒鏈工具安裝龍門架，龍門架頂部支撐在順梁上，底部則斜向固定于兩端童柱柱腳。該種支撐形式使得部分順梁傳來的荷載通過斜向枋子傳給了童柱柱腳，使得天花枋受到了很小的擾動。(3) 在童柱柱根位置安裝花籃螺栓，以防止斜向枋子產生的外力過大。順梁加固后見圖16。

圖16正身順梁加固后的照片

3.5 碳纖維布(CFRP)加固法

碳纖維布(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)是一種高性能纖維材料，具有強度大、自重輕、耐腐蝕、加工方便、 良好的彈性性能、可設計性強等優(yōu)點。目前，CFRP已較廣泛應用于土木工程領域混凝土結構、鋼結構、砌體結構等結構類型的加固工程中。

CFRP材料亦可用于加固古建筑榫卯節(jié)點。將CFRP布包裹在榫卯節(jié)點區(qū)域，利用CFRP布提供的包裹力，來承擔榫卯節(jié)點受到的部分外力，相應減小榫卯節(jié)點的變形與破壞。如圖17所示為故宮太和殿某榫卯節(jié)點加固試驗模型圖，加固方式為采用一層CFRP布包裹榫卯節(jié)點，廠家提供的配套碳纖維膠進行粘貼。分別進行榫卯節(jié)點加固前和加固后的抗震性能試驗，結果表明：CFRP布加固后的榫卯節(jié)點承載力、剛度均有大幅度提高，且加固后的節(jié)點仍然有良好的抗震性能[18-19]。

圖17 CFRP布加固榫卯節(jié)點試驗圖

4 結 論

本研究以故宮古建筑為例，討論了我國古建榫卯節(jié)點的典型殘損問題，分析了產生問題的不同因素，結合工程實例，提出了可行性加固建議。研究主要結論如下：

(1) 榫卯節(jié)點的典型殘損問題有：節(jié)點拔榫、榫頭或卯口變形、榫頭開裂、榫頭糟朽、原有加固件失效等。

(2) 引起榫卯節(jié)點殘損問題的內因主要為木材材性缺陷，外因包括榫卯連接的構造特征、施工管理因素、外力作用、外部環(huán)境因素等。

(3) 本研究提出的鐵件包裹、鐵件拉接、木柱支頂、碳纖維布包裹等方法，可有效的應用于榫卯節(jié)點的殘損加固。

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TypicalStructuralHealthProblemsofTenon-mortiseJointsofAncientBuildingsintheForbiddenCity

ZHOU Qian1,2, YANG Na2

(1.PalaceMuseum,Beijing100009,China; 2.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

To protect ancient buildings in the Forbidden City, survey and analysis methods were used to study structural health problems of tenon-mortise joints of the timber buildings. According to constitution characteristics as well as damage status of the tenon-mortise joints, their typical structural health problems were summarized. Detailed researches were taken on the appearance, characteristics and trend of the structural problems. Causes of the problems were also discussed, and the strengthening suggestions were proposed. Results show that typical structural health problems of the tenon-mortise joints include rot, crack, tenon pulled out of mortise, deformation, invalidation of strengthening material and so on. The problems threaten the stability of the ancient building. Main causes for these problems relate to constitution of tenon-mortise joint, material properties of timber as well as iron, loads and so on. Effectively strengthening methods for these tenon-mortise joints include iron connection, additional support, wrap by CFRP or iron and so on.

ancientbuildingsintheForbiddenCity;tenon-mortisejoints;structuralhealthproblem;strengtheningmethods

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.003

2017-05-17

2017-06-01

國家自然科學基金優(yōu)秀青年項目(51422801)；國家自然科學基金面上項目(51178028)；北京自然科學基金重點項目(8151003)

周 乾(1975—)，男，湖南株洲人，博士后，研究館員，主要從事文物建筑抗震加固與振動控制研究。E-mail:qianzhou627@126.com

TU503

A

1672—1144(2017)05—0012—08