張亮

（重慶市江津區(qū)文物管理所，重慶 402260）

古建筑是中華優(yōu)秀文化遺產(chǎn)的重要載體。我國古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，隨著木構(gòu)架建造技術(shù)的不斷發(fā)展，自宋代李誡著《營造法式》以來，中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑已成為世界三大建筑體系之一①。木材存在易受腐蝕、易受蟲蛀等弊端，在物理及化學長期作用、昆蟲和微生物侵害及人為破壞下，木結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)霉變、腐朽、蟲蛀、節(jié)點松動等病害，亟待通過預(yù)防性保護提升其性能以期“延年益壽”②。傳統(tǒng)古建筑木結(jié)構(gòu)修繕主要根據(jù)工匠個人經(jīng)驗，通過目測、敲擊、辯聲等來判斷構(gòu)件殘損程度，從而確定維修范圍，其檢測結(jié)果往往不夠準確。例如涇縣吊棟閣在修繕過程中通過測繪拍照分析了古建筑破壞原因，并在此基礎(chǔ)上確定了后續(xù)修繕方法③；黃榮鳳等根據(jù)目測、皮羅釘徑向檢測評估木材材質(zhì)狀況④。同時，在修繕過程中，為確保達到“修舊如舊”的目標，貼換木構(gòu)件應(yīng)與原材料保持一致，但古建筑修建年代久遠，往往找不到合適替換木構(gòu)件和合理的施工工藝。賀歡通過含水率、木材強度測試對比對腐朽構(gòu)件進行替換⑤。修繕完工后主要以糾偏是否到位、病害構(gòu)件是否完全替換等為依據(jù)對修繕效果進行局部評價，高延安等通過環(huán)境激勵測試對修繕后飛云樓的整體狀態(tài)、抗震性能進行了分析評價⑥。為遵循文物保護最少干預(yù)、可識別性及可逆性原則，應(yīng)盡量減少人工檢測、修復(fù)發(fā)生的誤判情況，避免人為“保護式破壞”。張艷霞等采用應(yīng)力波與阻抗儀對木構(gòu)件進行檢測，得到了結(jié)構(gòu)的腐朽與殘損情況⑦；在河南少林寺初祖庵大殿闌額殘損修復(fù)中，利用超聲波無損探傷儀進行檢測與分析，得到了構(gòu)件殘損點位置⑧。

科技手段在古建筑木結(jié)構(gòu)修繕中得到了越來越多的應(yīng)用，但從修繕前、修繕中及修繕后的全過程應(yīng)用科技手段的案例不多。鑒于此，本文以江津奎星閣保護性修繕為背景，修繕前，在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，通過增加超聲波儀、貫入度測量儀等縮小了維修范圍，借助顯微鏡、電鏡、X熒光分析等手段，測取木材含水率、成分分析、含鹽量等指標，科學開展新老材料的比對評估，提升施工質(zhì)量控制水平；使用加速度傳感器、應(yīng)力波等手段開展后期檢測評估工作，對修繕后結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)進行評估，確保修繕效果。通過科技手段全過程、全方位引入，為類似古建筑的保護性維修提供了參考。

1 江津奎星閣維修范圍的準確判定

江津奎星閣（圖1）始建于乾隆四十二年（1777），為重慶地區(qū)僅存的清代奎星閣建筑，通高為23.8m。該閣在清代營造法式的基礎(chǔ)上，在斗拱、彩繪等方面融入了當?shù)匚幕卣?，極具地方特色，對研究重慶地區(qū)明清建筑具有重要意義，2009年被評為重慶市文物保護單位?？情w一直存在屋面局部漏雨，部分梁、檁和椽糟朽，蟲害，歪閃與壓裂變形，油漆、彩繪大量起甲、脫落等問題。經(jīng)現(xiàn)場人工勘察發(fā)現(xiàn)二層西側(cè)外檐柱墩接失效，發(fā)生側(cè)移，造成三層梁架整體向外傾斜7cm，致使龍頭挑受力結(jié)構(gòu)變化而斷裂；部分承重構(gòu)件有明顯下?lián)蟽A向，開裂變形，木屋架有劈裂折斷，架端節(jié)點腐朽、銹蝕嚴重，部分柱梁構(gòu)件敲擊有空鼓聲音，疑存在中空現(xiàn)象。為進一步明確維修范圍，在現(xiàn)場引入超聲波、應(yīng)力波等無損檢測手段。

圖1 奎星閣立面圖

超聲波檢測：超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波，具有方向性好、反射能力強、易于獲得較集中的聲能等優(yōu)勢⑨。超聲波檢測是在不損壞檢測對象的前提下，利用被檢測材料與缺陷的聲學性能存在差異的特點，使用相應(yīng)超聲波檢測設(shè)備與器材，通過超聲波在傳播過程中的反射、折射、衍射情況和傳播時間、能量變化，對檢測對象內(nèi)部、表面進行測試，并對結(jié)果進行分析和評價，檢測原理如圖2，某木柱檢測情況如圖3。

圖2 超聲波檢測原理

圖3 超聲波檢測情況

應(yīng)力波損傷檢測：健康的樹木能夠進行良好均勻的聲波傳導(dǎo)，而腐爛的內(nèi)部會出現(xiàn)空洞，致使聲音傳播不均勻，應(yīng)力波檢測儀利用聲波在健康樹木中的傳播速度遠高于在有空洞的樹木中的傳播速度，布置多個傳感器，通過發(fā)射的聲波到達各傳感器的時間差，推算出空洞的位置，并通過成像算法映射得到腐爛的位置示意圖像，其檢測原理如圖4所示。對奎星閣邊緣6根通柱進行損傷檢測，分別在1～2夾層、2～3夾層進行測試。限于篇幅，僅列出其中一根通柱監(jiān)測結(jié)果，檢測結(jié)果如圖5，圖中綠色代表該區(qū)域完好，紅色代表該區(qū)域存在腐朽，藍色代表該區(qū)域存在空洞。從圖可知該構(gòu)件有大面積空洞腐朽，存在嚴重缺陷。通過超聲波、應(yīng)力波無損檢測，新發(fā)現(xiàn)部分木柱空鼓、糟朽引起強度減弱以及角挑斷裂等情況。因此，在原人工檢查的基礎(chǔ)上增加了二層龍頭角挑更換，與此相連的3層外檐柱的墩接處重新加固處理。同時，對發(fā)現(xiàn)有糟朽、開裂和內(nèi)部中空的木構(gòu)件用挖補楔塞、環(huán)氧樹脂灌漿加固的方式予以維修加強。

圖4 應(yīng)力波損傷檢測原理示意圖

圖5 應(yīng)力波損傷檢測結(jié)果（左圖1～2夾層，右圖3～4夾層）

2 替換構(gòu)件材質(zhì)檢測

為科學地對新舊建筑木材進行比對評估，全面了解奎星閣原有木結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，為后續(xù)替換或原狀保護修繕工程施工工藝的選擇提供科學依據(jù)，分別使用顯微鏡、電鏡、X光對木材含水率、成分、含鹽量等進行分析，幫助選取與原木材質(zhì)相近的木材進行替換。

木材含水率檢測：木材的含水率高低會影響木材的強度與后期彩繪的涂裝等。當含水率高，涂裝后的木制品還可與外界進行水分交換時，木材中的水分與空氣中的水分會互相流動直到達到平衡，這時的木材含水率稱為平衡含水率，可以理解為木材的含水率與空氣中的含水率達到平衡狀態(tài)。當木材含水率低于平衡含水率，會從空氣中吸水，木材會發(fā)生膨脹；木材含水率高于平衡含水率，會失去水分發(fā)生收縮，造成木制品因收縮而翹曲變形、開裂。因此，為了避免木質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，其含水率必須控制在平衡含水率下。

需要注意的是，因地理位置的差異，我國各地氣候不盡相同，重慶地區(qū)木材平衡含水率為16%～18%⑩，本次測試中原木構(gòu)件含水率檢測數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知奎星閣原木材實測含水率略偏高于重慶平衡含水率，不利于后期彩繪涂裝修繕過程的進行，且長期含水率偏高，可能會造成木材腐變損壞。根據(jù)重慶地區(qū)木材平衡含水率值大小，選取適合的木材對原木材進行替換修繕，選取木材的含水率如圖7所示。由圖7可知相比于原木材，修繕所用木材含水率大多位于18%以下，與重慶平衡含水率更為接近，更易于進行后續(xù)彩繪涂裝等工作，且可避免后續(xù)失水過多導(dǎo)致木構(gòu)件翹曲變形。

圖6 原木材含水率測試

圖7 修繕木材含水率測試

離子濃度檢測：木結(jié)構(gòu)包含的離子濃度的高低會影響其保存時間的長短，離子濃度過高不利于木制文物的長期保存?，故可根據(jù)對新舊木材離子濃度的檢測推測舊木材的腐朽程度及完成新木材的選擇。分別對現(xiàn)場新舊木材取樣進行離子濃度測試，測試儀器如圖8所示，測試結(jié)果列于表1。由表1可知新杉木相較于老杉木離子濃度較低，可用于對老杉木構(gòu)件的有效替換，延長古建筑木結(jié)構(gòu)的使用壽命。

圖8 離子濃度檢測儀

表1 離子濃度檢測結(jié)果

3 動力特性測試

為了解修繕后結(jié)構(gòu)整體性能，對奎星閣進行環(huán)境激勵下動力特性測試。為盡可能多地記錄結(jié)構(gòu)的振動信息，在每一通柱柱腳處布置水平測點，測點方向沿邊長方向布置，每層共布置6個傳感器。傳感器在平面內(nèi)的布置如圖9所示。使用頻域分解法對二層明層至盔頂層各層1～4號柱柱腳位置處測點數(shù)據(jù)進行分析，得到功率譜密度-頻率曲線如圖10～圖12所示。由圖10～圖12可知在各層的功率譜密度函數(shù)曲線中，除盔頂層識別頻率存在細微的差異外，通過峰值點拾取識別所得到的頻率基本一致，表明識別結(jié)果的準確性。其中，在各層功率譜密度曲線中，隨著頻率階數(shù)增加，對應(yīng)的功率譜密度峰值總體上呈降低趨勢，表明結(jié)構(gòu)的振型參與系數(shù)隨模態(tài)階數(shù)增加而減小。取各層功率譜密度曲線上相應(yīng)于各自頻率的峰值，采用半功率帶寬法?計算并平均得到結(jié)構(gòu)的各界阻尼比列于表2。為便于對比，給出《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中古建筑木結(jié)構(gòu)自振頻率的經(jīng)驗計算公式?：

圖9 傳感器平面布置示意圖

圖10 二層明層功率譜密度曲線

圖11 三層明層功率譜密度曲線

圖12 盔頂層功率譜密度曲線

表2 動力特性參數(shù)

式中：fj表示結(jié)構(gòu)的第j階固有頻率；H表示結(jié)構(gòu)的計算總高度，其取值為臺基頂至頂層檐柱頂?shù)母叨?；λj表示結(jié)構(gòu)第j階固有頻率計算系數(shù)；φ表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量剛度參數(shù)，兩重檐以上樓閣取為60。根據(jù)奎星閣結(jié)構(gòu)參數(shù)，估算出其第一階自振頻率為1.248Hz。

實測獲得結(jié)構(gòu)的基頻為1.5Hz，與動力特性預(yù)估值1.248Hz之間的相對誤差為16.8%，實測頻率大于預(yù)估頻率，這一方面是因為在理論計算時，將奎星閣完全視為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，而事實上靠近地面的兩層檐柱為石柱，其剛度大于對應(yīng)截面木柱；另一方面，在此前的結(jié)構(gòu)修繕過程中，為了增加結(jié)構(gòu)連接強度，結(jié)構(gòu)節(jié)點處使用了鋼板進行加固，這進一步增加了結(jié)構(gòu)剛度，從而使得實測頻率高于理論估算頻率。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)目測、敲擊等檢測手段不夠準確的缺陷，本文將科技手段引入奎星閣古木結(jié)構(gòu)修繕前、中、后全周期過程中。結(jié)果表明，科技手段能夠達到科學判定木構(gòu)件內(nèi)部殘損、有效控制施工過程質(zhì)量和合理評估修繕效果的目標，可為類似古建筑保護性修繕提供借鑒。所得結(jié)論如下：①修繕前，通過超聲波儀、應(yīng)力波無損檢測儀等對奎星閣構(gòu)件進行損傷檢測，高效確定了待修繕構(gòu)件位置及損傷程度，縮小了維修范圍，為后續(xù)修繕工作奠定基礎(chǔ)。②修繕中，通過離子濃度檢測儀、含水率檢測儀等對木材含水率、含鹽量進行檢測，將新老材料進行對比，選取了與重慶地區(qū)平衡含水率更為接近、離子濃度更低的構(gòu)件，有效控制了施工過程質(zhì)量，完成了木構(gòu)件修繕替換。③修繕后，通過動力特性測試結(jié)果實現(xiàn)奎星閣整體性能評估。結(jié)果顯示，木塔各階阻尼比位于0.010～0.044，處于正常范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)在外界激勵下?lián)碛辛己玫暮哪茏饔?，整體抗震性能良好。

注釋

①徐龍.《中國古建筑文化集錦》：中國建筑中的藝術(shù)美學[J].建筑學報，2022（1）：125.

②袁霄，陳勇平，郭文靜.古建筑木結(jié)構(gòu)多發(fā)殘損的特征及防控分析[J].木材科學與技術(shù)，2021，35（5）：54-59.

③倪艷，唐根麗，張澤培，等.木結(jié)構(gòu)古建筑的保護及修繕方法研究：以涇縣吊棟閣為例[J].價值工程，2019，38（23）：238-240.

④黃榮鳳，伍艷梅，李華，等.古建筑舊木材腐朽狀況皮羅釘檢測結(jié)果的定量分析[J].林業(yè)科學，2010，46（10）：114-118.

⑤賀歡.我國文物建筑保護修復(fù)方法與技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學，2013.

⑥高延安，楊慶山，王娟，等.環(huán)境激勵下古建筑飛云樓動力性能分析[J].振動與沖擊，2015，34（22）：144-148，182.

⑦?張艷霞，王彥，張國軍，等.應(yīng)力波和阻抗儀技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用[J].工程抗震與加固改造，2019，41（1）：145-151，157.

⑧劉義凡，李哲瑞，張曉蘭，等.超聲波無損檢測技術(shù)在古建筑檢測中的應(yīng)用：以少林寺初祖庵大殿闌額為例[J].工業(yè)建筑，2021，51（5）：37-43.

⑨于帥帥.木構(gòu)古建筑缺陷檢測方法發(fā)展現(xiàn)狀及其展望[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2016，44（11）：4-5，13.

⑩顧煉百.木材干燥：第3講：木材的平衡含水率及其應(yīng)用[J].林產(chǎn)工業(yè)，2002（4）：43-46.

?秦術(shù)杰，楊娜，曹寶珠，等.故宮同道堂木結(jié)構(gòu)的殘損分析及保護建議[J].土木與環(huán)境工程學報（中英文），2022，44（2）：119-128.

?Baisheng Wu.A correction of the half-power bandwidth method for estimating damping[J].Archive of Applied Mechanics，2015，85（2）：315-320.