陳琳 Chen Lin

符映紅 Fu Yinghong

居發(fā)玲 Ju Faling

戴仕炳 Dai Shibing

1 引言

寧波保國寺是第一批全國重點文物保護(hù)單位，現(xiàn)存大殿為北宋祥符六年（1013）重建，距今已有一千余年的歷史（圖1）。大殿的木結(jié)構(gòu)因其生物質(zhì)材料的特點，一般建成數(shù)十年后部分構(gòu)件就會出現(xiàn)腐朽、蟲蛀的現(xiàn)象。對于歷經(jīng)千年滄桑的保國寺大殿，為了消除隱患，延長建筑壽命，需要對其“實行連續(xù)監(jiān)測，記錄、整理、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，作為采取進(jìn)一步保護(hù)措施的依據(jù)”，“監(jiān)測包括人員的定期巡視、觀察和儀器記錄等多種方式”，監(jiān)測檢查記錄包括“對可能發(fā)生變形、開裂、位移和損壞部位的儀器監(jiān)測記錄和日常觀察記錄”。[1]“日常維護(hù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)都應(yīng)作為建筑歷史資料的一部分妥善保存?！盵2]木結(jié)構(gòu)的無損與微損檢測技術(shù)因其記錄準(zhǔn)確、科學(xué)，且不改變或僅最小程度改變文物本體原狀的優(yōu)點，成為日常監(jiān)測保國寺大殿木構(gòu)性能和安全性的理想手段。

國際上，對木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測可追溯到20世紀(jì)80年代后期的美國，初期主要用于評估橋梁的結(jié)構(gòu)安全。過去的十年里，在歐洲的一些木結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌之后，越來越多的人開始關(guān)注對木結(jié)構(gòu)（包括新建筑木結(jié)構(gòu)）的監(jiān)測。在2006年德國巴特賴興哈爾（Bad Reichenhall）的溜冰場倒塌之后，對木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測工作受到了更多的重視[3]。阿爾貝托 · 卡瓦利（Alberto Cavalli）、馬爾科 · 托尼（Marco Togni）[4]認(rèn)為通過仔細(xì)定期的監(jiān)測體系，可以避免出現(xiàn)木結(jié)構(gòu)由于各種原因發(fā)生的坍塌[5]。揚尼斯 · 齊西斯（Ioannis Zisis）對北美低層木結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行了全面監(jiān)測，包括對天氣、壓力、負(fù)荷的監(jiān)測，研究了風(fēng)載荷對木構(gòu)結(jié)構(gòu)性能的影響[6]。藤井義久（Y. Fujii）、藤原裕子（Y. Fujiwara）、木川理花（R. Kigawa）等采用非破壞性的方法，包括聲發(fā)射（AE）監(jiān)測、代謝氣體監(jiān)測、微米和毫米級電磁波監(jiān)測等，對日本傳統(tǒng)木構(gòu)的材料生物降解以及結(jié)構(gòu)的物理和力學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)測[7]。為監(jiān)測新建筑而采用的一些方法，可以擴(kuò)展應(yīng)用到歷史建筑的木結(jié)構(gòu)中[4]。通過監(jiān)測環(huán)境濕度來估算木構(gòu)的含水率，監(jiān)測環(huán)境溫度和木質(zhì)材料含水率來預(yù)測真菌的活性，從而對木材的腐朽過程進(jìn)行監(jiān)測[8,9]。利用小型傳感器，可以監(jiān)測或干擾生物（如白蟻）的活動[4]。目前，為了監(jiān)測木材的腐朽過程，有研究團(tuán)隊開發(fā)了一些預(yù)測木材降解速度的模型，但尚限于短時間的測試，且僅適用于小尺寸的標(biāo)本[8,10]。直到今天，對歷史建筑木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)仍然較低，只需做到記錄溫度與濕度的變化和重復(fù)現(xiàn)場檢查，甚或二者僅取其一。通過定期進(jìn)行無損與微損檢測的方法來評估歷史建筑木結(jié)構(gòu)狀態(tài)、材質(zhì)情況和新的劣化程度，是現(xiàn)在用于木結(jié)構(gòu)歷史建筑材質(zhì)監(jiān)測的探索性方法。

圖1 寧波保國寺大殿（圖片來源：湯眾攝影）

圖2 保國寺大殿宋柱分布及編號（圖片來源：寧波市保國寺古建筑博物館）

國內(nèi)對中國第一木塔——山西應(yīng)縣木塔的監(jiān)測工作開始于20世紀(jì)70年代。1975—2004年，太原理工大學(xué)、北京建筑工程學(xué)院、太原市測繪研究院先后對應(yīng)縣木塔進(jìn)行了變形等方面的結(jié)構(gòu)監(jiān)測[11]。2000年，中國文化遺產(chǎn)研究院與中國林業(yè)科學(xué)院木材工業(yè)研究所完成對應(yīng)縣木塔的材質(zhì)分析工作。2007年，中國文化遺產(chǎn)研究院負(fù)責(zé)組織研究并完成應(yīng)縣木塔監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計，包括變形連續(xù)監(jiān)測、結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測、地震與地面脈動監(jiān)測，以及環(huán)境監(jiān)測等內(nèi)容[12]。2007年，寧波保國寺古建筑博物館與同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院合作，開始構(gòu)建保國寺大殿（圖1）文物建筑的保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，主要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對環(huán)境和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測[13,14]。2003—2008年，中國林業(yè)科學(xué)研究院先后兩次對保國寺大殿材質(zhì)情況進(jìn)行勘察分析。2010—2011年，東南大學(xué)對保國寺大殿進(jìn)行了詳細(xì)測繪以及材質(zhì)分析工作[15]。

目前，國內(nèi)外對歷史建筑木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，大多是聚焦在對環(huán)境以及結(jié)構(gòu)方面的監(jiān)測。而對木構(gòu)建筑本體的監(jiān)測，因不同于前兩者可以借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集到實時數(shù)據(jù)，而需要定期應(yīng)用無損、微損檢測方法采集數(shù)據(jù)來評估木結(jié)構(gòu)的材質(zhì)現(xiàn)狀，加之此類檢測方法在國內(nèi)使用并不廣泛，而國外對木構(gòu)本體材質(zhì)的監(jiān)測主要針對新建筑，所以采用無損與微損檢測方法對歷史建筑木結(jié)構(gòu)本體材質(zhì)監(jiān)測的研究并不多見。

在保國寺大殿中，木柱是其最重要的豎向受力構(gòu)件，而大殿內(nèi)部有16根柱子屬于宋柱①文中“宋柱”區(qū)別于清代添加的外圍木柱，指的是基本體現(xiàn)保國寺大殿北宋初建時建筑形制的柱子，不排除其中有部分木柱為后世按原形制更替的可能性。（圖2）。其中7根木柱由較小木料鑲拼而成，截面呈八瓣瓜棱狀，是現(xiàn)存最早的木構(gòu)瓜棱柱實例。這種獨特的柱身形式是保國寺大殿的重要特征所在，也為監(jiān)測工作帶來了新的特點和難度。

保國寺大殿木柱的現(xiàn)狀監(jiān)測應(yīng)用了微波檢測技術(shù)，對引起木材材質(zhì)腐朽、蟲蛀的重要影響因素——水分傳輸路徑進(jìn)行分析，以了解木柱內(nèi)部含水的來源。同時，還采用了超聲波、木材阻抗檢測技術(shù)，對木柱內(nèi)部材質(zhì)腐朽、空洞程度進(jìn)行檢測分析。此次保國寺大殿宋代木柱的儀器監(jiān)測記錄，為采取進(jìn)一步保護(hù)措施提供了依據(jù)。

2 寧波保國寺大殿宋柱無損與微損檢測技術(shù)選擇

木結(jié)構(gòu)的無損與微損檢測技術(shù)有含水率無損檢測技術(shù)、微波檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、木材阻抗檢測技術(shù)、皮螺釘（Pilodyn）檢測技術(shù)、聲應(yīng)力波檢測技術(shù)

和電子錘應(yīng)力波檢測技術(shù)等。另外還有以及其他木結(jié)構(gòu)無損、微損檢測技術(shù)。各種檢測技術(shù)的原理、檢測內(nèi)容及優(yōu)缺點如表1所示。

所有的檢測方法各有優(yōu)缺點。為了實現(xiàn)對保國寺大殿宋代木柱的有效監(jiān)測，對其進(jìn)行更好的跟蹤與維護(hù)，檢測人員以檢測技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、便捷性、數(shù)據(jù)易解和費用低等為原則，選擇微波檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、木材阻抗檢測技術(shù)三種無損或微損檢測技術(shù)對宋柱進(jìn)行測試。

2.1 寧波保國寺大殿宋柱微波檢測技術(shù)

微波穿過物體后強(qiáng)度會減弱，發(fā)生功率的衰減和幅值、相位及頻率等相關(guān)參數(shù)的變化，通過檢測這些變化的數(shù)據(jù)可間接測得物料的含水率[17]。微波檢測速度快、精度高、測量范圍大，且受外界環(huán)境影響小[18]，可以用其檢測木柱內(nèi)部水分來源。

寧波保國寺大殿16根宋柱中有7根為拼合柱的構(gòu)造形式，包括外圍八塊木料用銷子連接，圍繞中心木柱形成的八瓣包鑲柱（圖3a），以及四根木柱合在一起，外加四塊木料，形成外圍八道瓜棱的四木合柱（圖3b）。

由于拼合柱獨特的構(gòu)造特點，柱身內(nèi)部必然存在縫隙與空洞。柱內(nèi)木材與空氣會因此構(gòu)成微小環(huán)境，其含水率必然與整木柱有區(qū)別。這里的含水率更準(zhǔn)確地說可以稱為“木材濕度”，即木材與空氣共同形成的微小環(huán)境的濕度。檢測人員采用德國MOIST 210手持式微波檢測儀對大殿宋代木柱3 cm、7 cm、11 cm三個不同深度部位的濕度進(jìn)行檢測。

表1 木結(jié)構(gòu)無損與微損檢測技術(shù)

2.2 寧波保國寺大殿宋柱超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)的原理是根據(jù)超聲波波速在木材中的變化來檢測木材病害[5]。超聲波檢測儀器體積小，便于攜帶，對木構(gòu)內(nèi)部腐朽空洞檢測速度快，適合進(jìn)行現(xiàn)場勘察測試。檢測人員采用瑞士Proceq超聲波測試儀分別對木柱B4、C1、C4、D1、D2、D3、D4距離柱礎(chǔ)高度40 cm，80 cm，120 cm，160 cm、200 cm的部位進(jìn)行檢測。本次檢測采用24 kHz頻率傳感器直接測量法（圖4），在木柱表面與傳感器之間涂抹耦合劑以便貼合緊密（在檢測之后需盡快清除木柱上殘留的耦合劑，以免對柱面造成損害）。每個測量點檢測兩次并記錄波速，最后選取平均值作為該位置的波速。

2.3 寧波保國寺大殿宋柱木材阻抗檢測技術(shù)

木材阻抗儀根據(jù)鉆針進(jìn)針過程中所遇阻力的曲線，可以具體判斷被測木材內(nèi)部的材質(zhì)狀況[7]，檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，檢測范圍寬[8]。檢測人員采用德國微鉆阻力儀（IML-RESI PD600）對病害等級最嚴(yán)重的Ⅲ級木柱①對每根柱子逐瓣進(jìn)行檢測，木柱內(nèi)部空洞的瓣數(shù)≤25%瓣數(shù)的定為Ⅰ級，木柱內(nèi)部空洞的瓣數(shù)≤50%瓣數(shù)的定為Ⅱ級，木柱內(nèi)部空洞的瓣數(shù)＞50%瓣數(shù)的定為Ⅲ級進(jìn)行內(nèi)部腐朽空洞的重點測試，具體測試柱號及測試高度見表2。

對于直徑小于60 cm的木柱，采用穿透式檢測方法，由于拼合柱內(nèi)部在圓周方向均勻分布縫隙，所以檢測時須確保每個瓜棱都至少被檢測一次（圖5a）；對于直徑大于儀器檢測范圍（60 cm）的木柱，采用兩側(cè)對穿的方式進(jìn)行測試，盡量保證相對的兩個檢測方向在同一條直線上（圖5b）。

現(xiàn)場檢測后，采用PD-Tools Pro.軟件對測試結(jié)果進(jìn)行阻抗曲線整理，結(jié)果如圖6。結(jié)合木材密度、年輪等相關(guān)木材學(xué)知識，對阻抗曲線進(jìn)行分析，將阻抗曲線合成在木柱橫斷面上，并用AutoCAD軟件繪制各測試高度不同程度的腐朽空洞截面圖（圖7）。圖中藍(lán)色部分代表空洞，紅色部分代表嚴(yán)重腐朽，黃色部分代表輕微腐朽，最后得出八瓣包鑲柱、四木合柱、整木柱三類木柱的內(nèi)部腐朽空洞的檢測結(jié)果。

3 寧波保國寺大殿宋柱無損與微損檢測結(jié)果

3.1 微波檢測結(jié)果

從圖8我們可以看出，對于任何一根木柱，都存在以下規(guī)律：同一高度，測試深度為3 cm的濕度最大，7 cm次之，11 cm最小。對于木柱而言，水分傳遞路徑主要分為三個：從空氣中吸收水分；自上而下進(jìn)入木柱的水分，主要包括屋面漏雨或生物（如蝙蝠）排泄物中的水分；石柱礎(chǔ)的冷凝水沿著柱底木纖維傳遞到木材內(nèi)部（圖9）。如果是從后兩種路徑傳遞的水分，木柱同一高度部位不同深度的濕度差別不會十分明顯。由此判斷，保國寺大殿宋柱的水分傳遞路徑主要是第一種，即從周圍環(huán)境吸收水分向木柱內(nèi)部傳遞。

3.2 超聲波檢測結(jié)果

圖4 超聲波檢測木材方法示意圖（圖片來源：同圖3）4a. 健康木材超聲波傳播路徑4b. 表示空洞和裂隙的木材超聲波傳播路徑

圖5 木材阻抗檢測方法（圖片來源：同圖3）5a. 穿透式檢測方法5b. 對穿式檢測方法

表2 木柱腐朽空洞檢測表

圖6 阻抗曲線整理（圖片來源：陳琳繪制）

圖7 B3距離柱礎(chǔ)50cm高度腐朽空洞截面圖（圖片來源：同圖6）

圖8 微波檢測結(jié)果（圖片來源：同圖6）8a. 八瓣包鑲柱微波檢測圖8b. 四木合柱微波檢測圖

表3 木柱現(xiàn)場超聲波波速檢測結(jié)果（m/s）

圖9 木柱水分傳遞路徑示意圖（圖片來源：陳琳繪制）

圖10 木柱腐朽空洞截面圖（圖片來源：同圖10）圖中a表示柱A1距離柱礎(chǔ)50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；b表示柱A2距離柱礎(chǔ)50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；c表示柱B1距離柱礎(chǔ)20 cm、50 cm高度木腐朽空洞示意圖；d表示柱B2距離柱礎(chǔ)20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；e表示柱B3距離柱礎(chǔ)50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；f表示柱C2距離柱礎(chǔ)20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；g表示柱C3距離柱礎(chǔ)20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；h表示柱C4距離柱礎(chǔ)20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖

從表3中可以看出，木柱D3和D4的波速較大，明顯區(qū)別于其他受檢木柱。一般來說，波速較高的材料內(nèi)部相對密實，強(qiáng)度相對較高。現(xiàn)有資料顯示D4為更換過的新木柱，根據(jù)不同高度的波速情況來看，木柱D3的波速與D4十分接近，均在1 600—1 800 m/s之間，所以可以推測D3也是更換過的新木柱。由于波在空氣中的傳播速度為340 m/s，低于在木材中的傳播速度，所以超聲波在穿過帶有空隙的木材時波速會明顯降低。據(jù)此可初步判定，波速相對新木柱較小的其余受檢木柱年代久遠(yuǎn)且內(nèi)部拼接已出現(xiàn)開裂。

3.3 木材阻抗檢測結(jié)果

檢測結(jié)果顯示，木柱A1所檢測部位腐朽嚴(yán)重，木柱C2、C3所檢測部位腐朽程度一般，木柱B1、B3所檢測部位腐朽程度輕微，木柱A2所檢測部位腐朽空洞程度良好，木柱B2所檢測部位隨著木柱高度增加腐朽空洞程度由嚴(yán)重、輕微向良好過渡。而木柱C4由于內(nèi)部存在20世紀(jì)70年代加固使用的環(huán)氧樹脂，腐朽空洞情況不詳（圖10）。根據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范GB 50165-92》[30]6.9.1條規(guī)定，木材內(nèi)部因蟲蛀或腐朽形成中空時，若表面層完好厚度不小于50 mm，可采用不飽和聚酯樹脂進(jìn)行灌注加固。鑒于環(huán)氧樹脂易老化的缺點，我們可以盡量避免單純采用其進(jìn)行加固，而是先用相同或相近樹種的木材進(jìn)行填充后，再在縫隙中澆灌環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)和加固。

4 結(jié)論與可靠性分析

木結(jié)構(gòu)無損與微損檢測是對木結(jié)構(gòu)建筑本體材質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行勘察測量的技術(shù)手段，借助其對既存病害進(jìn)行評估分析，可為建筑本體現(xiàn)狀監(jiān)測及決定是否進(jìn)行干預(yù)提供有效依據(jù)。檢測團(tuán)隊基于檢測技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、便捷性、數(shù)據(jù)易解讀、費用低等原則，選擇了木結(jié)構(gòu)無損與微損檢測技術(shù)中的微波、超聲波、木材阻抗等檢測方法，對寧波保國寺大殿宋柱進(jìn)行了現(xiàn)場勘查記錄，有效評估了木柱內(nèi)部腐朽及蟲蛀情況，并對木柱水分傳遞途徑進(jìn)行了分析。有關(guān)成果已經(jīng)有部分闡述并公開發(fā)表，主要內(nèi)容是對宋柱保存現(xiàn)狀進(jìn)行的初步研究[31]。本文則側(cè)重于對所采用的三種無損或微損技術(shù)的可靠性進(jìn)行研究，分析結(jié)論如下：

（1）微波檢測是一種完全無損檢測技術(shù)，在完全不損傷木材的前提下，可以測試木柱內(nèi)部不同深度的含水率，從而可以分析出木柱的水分傳輸路徑，為下一步采取有效措施預(yù)防木柱含水率過高提供數(shù)據(jù)支持。由于保國寺大殿木柱多為瓜棱柱，每瓣瓜棱弧度較大，而微波檢測儀探頭接觸端為平直面，直徑為5.5 cm，與柱面無法完全貼合，因此，經(jīng)檢測得到的含水率存在誤差，不能采納為含水率的絕對數(shù)值。但可采用對木柱不同深度檢測結(jié)果進(jìn)行分組對比來分析木柱的水分來源路徑。

（2）超聲波同樣是一種完全無損檢測技術(shù)，也可以在完全不損傷木材的前提下初步確定木構(gòu)內(nèi)部情況，為下一步進(jìn)行精細(xì)檢測提供參考。特別是超聲波檢測具有檢測快速、儀器輕便、適合現(xiàn)場檢測的優(yōu)點，但對處于開放式或半開放式環(huán)境的木構(gòu)建筑進(jìn)行測試時，需要考慮到木材含水率、不同材種等因素對超聲波波速的影響。在測試時要控制變量，力求檢測結(jié)果有較高準(zhǔn)確度。超聲波檢測過程需要借助耦合劑這種中介媒質(zhì)，排除探頭和被測物體之間的空氣，減小探頭與接觸面之間的聲阻抗差，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，但同時要考慮耦合劑作為一種水溶性高分子材料檢測后殘留在木柱表面，對其涂料的顏色統(tǒng)一性可能造成的影響。

（3）木材阻抗檢測技術(shù)可以精細(xì)確定木構(gòu)內(nèi)部腐朽空洞情況，彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測只能靠人工經(jīng)驗定性分析的不足，可以做到對木構(gòu)內(nèi)部腐朽空洞情況半定量化的科學(xué)評估。但木材阻抗儀費用較高、儀器較重，檢測結(jié)果需要具有木材知識的專業(yè)人員進(jìn)行分析。對于保國寺瓜棱柱，因其柱徑較大，需采用對穿式的檢測方法進(jìn)行檢測，對穿打入的方向需要多次校準(zhǔn)，力求檢測在同一條直線上。木材阻抗檢測為微損檢測方法，檢測時需要鉆直徑為3 mm的孔，從保護(hù)建筑本體的角度，不宜多次重復(fù)實施。

綜上所述，本項現(xiàn)狀監(jiān)測針對保國寺大殿宋柱處于半開放空間、柱徑較大、木柱構(gòu)造較為特殊等特點，綜合運用上述三種檢測方法，實踐結(jié)果證明是適用的。三種方法各有其優(yōu)勢和難點，所得數(shù)據(jù)有一定的可靠性和分析價值，可作為保國寺大殿宋柱維護(hù)和監(jiān)測的歷史資料。本項監(jiān)測的操作方法與經(jīng)驗可供其他木結(jié)構(gòu)建筑遺產(chǎn)監(jiān)測工作參考。

（本項目得到了上海同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院歷史建筑保護(hù)實驗中心（高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室的一部分）、寧波市保國寺古建筑博物館、上海保文建筑咨詢有限公司的支持，在此表示感謝。）