馬江陵

文章從概念、實(shí)踐、技術(shù)等幾個方面梳理了國內(nèi)外有關(guān)古木建筑結(jié)構(gòu)木材修復(fù)技術(shù)加固的最新應(yīng)用實(shí)踐與技術(shù)，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了充分展望。在概念上，應(yīng)滿足我國建筑藝術(shù)遺產(chǎn)文化價值觀與保護(hù)的基本需要，并充分考慮中國各種建筑歷史文化和藝術(shù)美學(xué)的共同特點(diǎn)。在建筑工藝技術(shù)系統(tǒng)管理方面，應(yīng)通過整合多個學(xué)科的各種現(xiàn)代工程技術(shù)手段，建立系統(tǒng)、嚴(yán)密的建筑工藝管理系統(tǒng)，在技術(shù)上，應(yīng)在不斷繼承和創(chuàng)新我國傳統(tǒng)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極引進(jìn)新技術(shù)材料、新工藝技術(shù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足。

中國的建筑形成主要是由于獨(dú)特的歷史地理、氣候、文化等自然因素而使木結(jié)構(gòu)建筑作為古代中國建筑結(jié)構(gòu)體系的主流。中國木結(jié)構(gòu)古代建筑歷史悠久，種類繁多，體系完整，在當(dāng)今世界古代建筑中獨(dú)樹一幟，代表著中國豐富的古代物質(zhì)文明和新的精神文明，具有極高的建筑歷史、技術(shù)和科學(xué)藝術(shù)欣賞價值。然而，木材大多是以天然生物材料加工制成的，在自然環(huán)境和其他人為因素的長期相互作用下，容易產(chǎn)生木材變形、開裂、腐爛等物理缺陷，影響古代建筑和木結(jié)構(gòu)的一切，造成建筑價值信息的損失。因此，需要對這些古建筑進(jìn)行不斷的保護(hù)修繕和人工加固。中國對于古木結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)和人工加固的保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究工作起步較晚，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，盡管保護(hù)技術(shù)水平已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但大部分的結(jié)構(gòu)保護(hù)修復(fù)工作仍以采用傳統(tǒng)的保護(hù)修復(fù)加固方法為主，不可能完全符合國際相關(guān)的加固保護(hù)技術(shù)原則進(jìn)行延伸。因此迫切需要對于古木結(jié)構(gòu)的保護(hù)修復(fù)以及加固保護(hù)技術(shù)工作進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理，并對其保護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和目前存在的主要問題難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了生產(chǎn)保護(hù)的概念和技術(shù)。

修復(fù)加固技術(shù)的現(xiàn)狀

中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)主要以維護(hù)、維修、更新作為主要內(nèi)容，根據(jù)維修項目的規(guī)模特點(diǎn)可分為：日常定期維修、重點(diǎn)維修、局部修復(fù)、原址重建等。在重點(diǎn)維修加固中，按維修等級可分為整體框架和木結(jié)構(gòu)的維修加固，木結(jié)構(gòu)加固維修是古建筑最基本、最常見的形式。本文綜述了常見的裂紋、腐爛、垂直彎曲、滾榫等損傷，以及常用的傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)和現(xiàn)代相關(guān)技術(shù)。

木材是一種生物材料，在適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸认拢οx會迅速繁殖，導(dǎo)致部件腐爛。木柱的劣化是由于其長期暴露在濕氣中，通常發(fā)生在柱的根部，傳統(tǒng)的處理方法主要有挑補(bǔ)、包扎和支墩。當(dāng)腐爛輕微時，可將其清除，腐爛部分柱體應(yīng)按照原始工藝要求用干燥后的木材完全進(jìn)行修復(fù);當(dāng)腐爛面積不超過柱周長的1/2且底部深度不超過大于腐爛柱底部直徑的1/5時，可考慮使用柱式包裝法或插入法。包裝即通過剔除不良處理腐爛柱的部位，根據(jù)剔鑿柱的長度、深度和柱面的弧度，制備覆層材料;固定柱體內(nèi)壁腐爛時，當(dāng)固定柱體高度直徑大于固定柱體高度的1/4，深度直徑大于固定柱體內(nèi)壁直徑的1/2時，可使用采墩板焊接頭的方法切斷柱體腐爛的部分，更換新材料，在接頭處通過新舊材料的榫卯連接;當(dāng)柱體衰減高度超過柱體高度的1/3或柱體斷裂無法連接時，需要更換或增加舊的輔助柱體。

梁、桁架等構(gòu)件、柱的維修加固方法類似，當(dāng)腐爛部分較小時，殘余部分符合檢查計算，需要時卡在應(yīng)力之間，可用填充、包裝方法處理;當(dāng)腐爛截面較大，上下深度大于構(gòu)件高度的1/3，小于3/5，且剩余截面承載力不能滿足使用要求時，可在零件上添加新材料，采用板夾，鋼板支撐等方式填充強(qiáng)心;如果腐爛深度超過3/5，需要更換部件端部或整體。

裂縫主要含義指的不僅是由于整體加工木材在干燥加工過程時其中的加工柱體切向外部運(yùn)動角度收縮率所導(dǎo)致造成的，它可能大于加工柱體的內(nèi)徑向或外部角度整體加工木材柱身切向運(yùn)動收縮率，或者說它大于內(nèi)部徑向整體加工木材柱身切向運(yùn)動收縮率;而且是當(dāng)整體木材長期干燥過程受制于某種外力時，其中在整體上的力學(xué)性能就必然會發(fā)生退化，也就有可能甚至?xí)蚨苯赢a(chǎn)生一些柱體裂紋。對于防水裂縫加工柱體上的防水裂縫，傳統(tǒng)的多層防水裂縫修補(bǔ)是膩?zhàn)恿芽p加工方法，主要還是可以采用防水埋入式多層防水裂縫修補(bǔ)膩?zhàn)恿芽p加工方法。如果整個裂縫加工柱體上的寬度直徑大于m/w≤3mm，可用多層防水修補(bǔ)膩?zhàn)訉ζ溥M(jìn)行防水擦縫;但是當(dāng)加工柱體裂縫直徑一定為3mm30mltl且不一定需要大于整個加工柱體總裂縫直徑的1/3時，也應(yīng)在裂縫處使用舊鐵箍;當(dāng)立柱深度大于立柱直徑的1/3或因傾斜和扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生裂縫時，需要在位置矯正后由框架修復(fù)，插入木條，并用鐵箍固定;當(dāng)裂紋受到影響可能出現(xiàn)裂紋或斜裂紋時，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度檢查，根據(jù)情況加固或更換。

梁等橫向構(gòu)件的應(yīng)力與柱構(gòu)件的應(yīng)力不同承受彎曲和剪切作用。對于這種裂紋類型的框架構(gòu)件，當(dāng)內(nèi)部裂紋較輕時，可以直接用裂紋鐵箍進(jìn)行加固，當(dāng)裂紋較寬時，應(yīng)同時考慮加鐵箍。當(dāng)建筑構(gòu)件內(nèi)部裂縫時間較長時，如壞腐不是很嚴(yán)重，需要在構(gòu)件裂縫較長處內(nèi)部澆注一層環(huán)保過氧酸酯樹脂，然后用鐵箍將紙箱固定。當(dāng)建筑構(gòu)件的內(nèi)部裂縫受力寬度超過工程規(guī)定受力限值時，應(yīng)驗(yàn)收計算建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的裂縫承載力，符合規(guī)定受力寬度要求的，仍允許可選擇采用裂縫預(yù)埋法，不可能符合規(guī)定受力寬度要求的，采用加固法。

修復(fù)加固技術(shù)的展望

對古代建筑文化遺產(chǎn)進(jìn)行營繕修復(fù)和保護(hù)加固的主要目的是為了保護(hù)古代建筑的歷史藝術(shù)文化價值，也是一項嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究保護(hù)工作，需要嚴(yán)格遵循嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的遺產(chǎn)保護(hù)工藝原則及工藝操作流程。中國古代建筑保護(hù)傳統(tǒng)的磚木結(jié)構(gòu)遺產(chǎn)保護(hù)工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系在保護(hù)理念、工藝、技術(shù)以及內(nèi)容等各個方面都非常迫切需要持續(xù)改進(jìn)和不斷創(chuàng)新。

目前，古建筑木結(jié)構(gòu)修繕修復(fù)加固以“修補(bǔ)”觀念為主，與我國現(xiàn)代建筑木結(jié)構(gòu)中被維修修繕加固的傳統(tǒng)觀念不盡一致，實(shí)踐也不健全和完善。未來的傳統(tǒng)觀念改革應(yīng)該首先從傳統(tǒng)遺產(chǎn)文化價值的維護(hù)保存出發(fā)，同時也要考慮中國的古建筑具有文化、復(fù)古、結(jié)構(gòu)等基本特點(diǎn)，發(fā)展以更能滿足文化遺產(chǎn)利益保護(hù)的實(shí)際需要，適應(yīng)這一歷史土壤下的文化遺產(chǎn)利益保護(hù)的新理念。我們應(yīng)遵循現(xiàn)代遺產(chǎn)保護(hù)理念，提高遺產(chǎn)保護(hù)與恢復(fù)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和行為規(guī)范性，遵循真實(shí)性和完整性原則，在腐爛、裂紋等損壞的修復(fù)和加固中，要合理且最大限度地更換材料部件;遵循最小干預(yù)原則，僅當(dāng)材料可能未保留或組件無法滿足應(yīng)力要求時，將作替換。遵循可逆性和可識別性原則，注意可逆性的工藝措施，使新的材料具有一定的可識別性。為了尊重中國傳統(tǒng)美學(xué)，木材結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和連續(xù)性打破了傳統(tǒng)的做法，注重建筑形式的完整性、設(shè)計性和風(fēng)格性，如有必要對建筑進(jìn)行表面修整，在構(gòu)件的完整性方面有重要意義或?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的安全性有內(nèi)在要求酌情更新。在更換材料構(gòu)件時，它們應(yīng)具有可識別性，以確保建筑的整體和諧統(tǒng)一，并基于材料的可識別性。

傳統(tǒng)的修復(fù)加固主要依靠工匠的經(jīng)驗(yàn)判斷，現(xiàn)代新型建筑維修維護(hù)加固工程技術(shù)尚未完全形成完整的保護(hù)體系。由于我國古建筑的主體木結(jié)構(gòu)損傷多樣，損傷發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，為了做到科學(xué)正確地修復(fù)其在建筑結(jié)構(gòu)本體上的損傷，必須通過綜合多門學(xué)科，開展充分的科學(xué)研究和準(zhǔn)備修復(fù)工作，才能盡快制定正確的損傷修復(fù)保護(hù)策略、技術(shù)解決方案和保護(hù)工程管理系統(tǒng)。在現(xiàn)代國家進(jìn)行木結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)的技術(shù)保護(hù)管理過程中，應(yīng)根據(jù)我國木結(jié)構(gòu)修復(fù)損傷的不同特點(diǎn)，結(jié)合三維圖像掃描、建筑地理信息數(shù)據(jù)建模等先進(jìn)保護(hù)工程技術(shù)，正視文化遺產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，積極探索構(gòu)建“中國歷史和建筑文化數(shù)據(jù)分析、建筑繪圖和三維掃描建筑信息建模數(shù)據(jù)分析平臺、建筑性能和使用價值標(biāo)準(zhǔn)評估、建筑維修和維護(hù)加固技術(shù)設(shè)計”等，通過古代歷史背景調(diào)查和古代遺址發(fā)掘考古收集歷史時期演變、結(jié)構(gòu)特征等歷史背景調(diào)查資料，了解我國建筑木質(zhì)結(jié)構(gòu)件的始建年代。

通過三維圖像激發(fā)和熒光成像技術(shù)，結(jié)合我國傳統(tǒng)三維測繪處理方法，建立從原木結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體到建筑構(gòu)件的三維深度精細(xì)化測繪模型。通過利用紅外線產(chǎn)生熱輻射圖像、三維光學(xué)應(yīng)力和微波成像技術(shù)及其他相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)探索，調(diào)查木結(jié)構(gòu)或建筑構(gòu)件內(nèi)部材料損壞性質(zhì)、損傷處理情況，全面準(zhǔn)確掌握建筑構(gòu)件材料損傷處理特征。在此基礎(chǔ)上還可建立“建筑信息模型”，對各種建筑材料結(jié)構(gòu)、構(gòu)件性能進(jìn)行基本性能和損傷價值類別評估。構(gòu)建不同的性能損傷信息模型，如構(gòu)件腐爛、裂縫等，有限元模型分析和構(gòu)建虛擬構(gòu)件修復(fù)模型加固，以用于評估構(gòu)件修復(fù)前后的性能安全性和所有者的性能，基于建筑材料創(chuàng)建構(gòu)件的基本性質(zhì)和性能損傷類別信息，基于不同時變構(gòu)件累積后的損傷信息模型即可構(gòu)建不同損傷類別，對不同構(gòu)件的性能可靠性類別進(jìn)行性能評估價值估算。基于建筑構(gòu)件性能歷史性的文化保護(hù)分析和現(xiàn)場情況調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)物質(zhì)遺產(chǎn)文化保護(hù)評估理論和相關(guān)法律，建立構(gòu)件價值觀的評估理論模型及其類型。通過構(gòu)件性能和使用價值觀的評估，為構(gòu)件維修和加固工程設(shè)計工作提供可靠的技術(shù)理論依據(jù)。

中國古代傳統(tǒng)建筑與土木結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)和加固傳統(tǒng)技術(shù)的不斷演變和發(fā)展，根植于中國獨(dú)特的古代建筑藝術(shù)文化設(shè)計理念和建筑結(jié)構(gòu)特征。特別注重“以新求全”的建筑理念，流程技術(shù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)維修加固技術(shù)改造現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)加固維修技術(shù)、構(gòu)件加固維修與結(jié)構(gòu)加固技術(shù)、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)維修和傳統(tǒng)技術(shù)改造現(xiàn)代結(jié)構(gòu)加固技術(shù)維修，要注重實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)價值判斷，技術(shù)改造內(nèi)容以運(yùn)用傳統(tǒng)建筑材料和現(xiàn)代工藝技術(shù)為主。這一加固技術(shù)改造體系有效維護(hù)保持了我國傳統(tǒng)古代建筑作品展覽技術(shù)發(fā)展史，并成為世界建筑文化遺產(chǎn)“真實(shí)性”技術(shù)內(nèi)容的一部分，但這種傳統(tǒng)的木材修復(fù)技術(shù)在不能完全滿足現(xiàn)代建筑遺產(chǎn)保護(hù)的同時，現(xiàn)代維修加固技術(shù)不能很好彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)體系的不足。

未來基于建筑遺產(chǎn)保護(hù)理念，基于多學(xué)科合作，采用新技術(shù)和材料繼承傳統(tǒng)技能，與現(xiàn)有技術(shù)相比，技術(shù)體系正在積極改進(jìn)和完善。在保護(hù)觀念上，應(yīng)從保護(hù)符合我國現(xiàn)代建筑遺產(chǎn)修復(fù)保護(hù)的基本原則高度出發(fā)，尊重中國強(qiáng)化傳統(tǒng)建筑文化保護(hù)觀念、美學(xué)和現(xiàn)代建筑藝術(shù)特色，提高建筑遺產(chǎn)修復(fù)保護(hù)與建筑修復(fù)的“研究性和嚴(yán)謹(jǐn)性”，保護(hù)現(xiàn)代建筑文化遺產(chǎn)的核心價值觀和信息。在建筑工作保護(hù)流程上，要充分結(jié)合現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)文化、測繪、構(gòu)力學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多門學(xué)科，充分利用各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，建立一套系統(tǒng)嚴(yán)密的遺產(chǎn)防護(hù)建筑工作技術(shù)流程管理體系，通過系統(tǒng)科學(xué)的技術(shù)評估結(jié)果分析，制定合理的建筑維修保護(hù)加固措施方案。在保護(hù)技術(shù)管理內(nèi)容上，要不斷繼承和發(fā)展傳統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極探索采用新技術(shù)材料、新工藝技術(shù)，彌補(bǔ)弱化傳統(tǒng)保護(hù)技術(shù)，不斷更新和建立完善特色的木結(jié)構(gòu)遺產(chǎn)保護(hù)工程技術(shù)管理體系。通過保護(hù)觀念技術(shù)改進(jìn)、工作保護(hù)流程技術(shù)改進(jìn)、材料保護(hù)技術(shù)創(chuàng)新，以更好地維護(hù)保存東方古建筑的原始主體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和所用材料，形成符合現(xiàn)代建筑遺產(chǎn)修復(fù)保護(hù)的實(shí)際需要。

作者單位：中國石油大學(xué)