木結構古建筑結構特性的實驗研究

(四川工商學院， 四川 成都 611745)

木結構古建筑結構特性的實驗研究

袁曉強

(四川工商學院， 四川 成都 611745)

古建筑是我國的傳統藝術瑰寶，木結構古建筑歷經千年的演變，在今天成為了國家歷史文物重點考查的對象。本文以材的特性展開敘述，說明了木結構古建筑的結構特性，討論了木結構古建筑中榫卯和斗栱的特性。

木結構；古建筑；結構；特性

我國歷史文明源遠流長，古建筑是我國極具鮮明特色的傳統文化產物，在世界建筑文化的領域中產生了十分重要的影響。古建筑不僅氣勢宏博，更兼有高超的人工藝術，是我國古代勞動人民的智慧結晶，也是華夏民族屹立世界的重要體現。目前，許多木結構古建筑受人為和非人為破壞影響較深，材料已經嚴重受損，結構性能也岌岌可危，有鑒于此，對木結構古建筑的深入及探索勢在必行，為求在維護古建筑方面提供有力措施。

一、木材的特性

與大多數建筑材料不同，木材是一種分子含量較高的天然有機物，并且可以在一定程度上將其再次分解，從性質來看，大多數可分解材料的受力值無法改變，但是木材卻與之截然不同。比如，由于部分木材中存有一定的水量，導致其受力產生十分明顯的變化；木材的彈性更加趨于平衡化，并且在力的影響下產生永久性的移動和變化，其速度不快，但是隨著時間的變化，其受力情況也會有所改變。

我國的木結構古建筑歷經朝代的更替與時間的遷移，受氣溫、環境、生物等影響頗深，材料的質量和結構特性都產生了一定程度的質變，木材腐爛的情況時有發生，其承重能力呈現下降趨勢，使木結構古建筑的毀壞程度十分嚴重。木材的質量與材性對于木結構古建筑來說是現象級的，直接影響了古建筑的質量。

一直以來，我國建筑人員都在探索木材材質變化的主要原因，以及木結構古建筑的損壞是否與其與著很大的聯系。因此在上個世紀八十年代，部分工作人員對構成木結構古建筑的木材進行了相關試驗，試驗的內容主要包括木材的強硬程度、伸拉彈性以及受外來因素影響等。試驗結果表明，木結構古建筑的木材硬度是基本保持不變的，但是抗拉、抗壓能力呈大幅度下降的趨勢，而木結構古建筑之所以斷裂的原因正是來源于此。

針對以上情況，我國出臺了有關木結構古建筑的相關保護政策，并在我國十五個地區對木結構古建筑的主要構成部分采取抽樣調查，并對云杉木、柏以及落葉松進行重點考察，根據相關資料可知，云杉木的彎性能力在原能力的基礎上下降了一半，彈力和抗壓能力分別在百分之十五和二十五；柏木的彎性能力下降了百分之二十五，彈力和抗壓能力在百分之十左右；而落葉松的彎性能力下降了百分之十左右，其彈力和抗壓超過百分之三十?？偠灾瑯淠镜男再|決定了樹木種類的差異，進而造成木材質量的變化無規律可言。我國相關人員雖然對木結構古建筑的主要構件進行分析和研究，但是到目前為止還沒有找出各種木材的主要變化規律，究其原因，一是研究人員的工作不到位，二是木材材質的變化形態難以琢磨。

二、木結構古建筑的結構特性中榫卯與斗栱

（一）斗栱設計

不得不說，我國當前的許多建筑結構都與木結構古建筑有著十分相似的地方，比如現代建筑中的框架結構就是古建筑的特點之一，但是除此之外，木結構古建筑的框架在節點上的設計是十分具有特色的，而一點是現代建筑無法與之比擬的。節點設計的形式多種多樣，其中最難操作的就是斗栱設計。我國的木結構古建筑在各部件之間的連接上處理的十分到位，大多數建筑采用斗栱設計，通俗點說，斗栱設計就是由許多木質材料混合而成的一種設計方案，各木質材料之間的穿插形式交替縱橫，這種設計在我國木結構古建筑中已經存在了約一千五百年之久，并且現代的許多建筑師均參照斗栱設計的方案執行建筑設計。斗栱設計是一種高超的設計方案，不僅使建筑的風格體現的淋漓盡致，為建筑結構也起到了十分重要的作用。斗栱設計對建筑對象有著一定要求，通常是為大型建筑服務的，存在于屋內柱子連接屋頂位置的中間部分，斗栱可以看作是一種承接、傳遞力的作用平臺，因為它起到了承接建筑上方力的作用，能夠將該部分力轉換至建筑的柱子里。斗栱通常設計于屋檐下方，它在承接屋頂力的同時能夠產生向外延伸的趨勢；如果在室內設計時，斗栱的作用更加明顯，使屋內作用于梁枋的力更加平衡。此外，我國古代為了確定建筑參數，對斗栱數據進行了十分精確的測量。

（二）榫卯節點

我們在了解榫卯之前，首先需要了解什么是半剛性。半剛性通常指的是它既不屬于剛性，也不屬于柔性，而是介于二者之間。我國木結構古建筑是使用榫卯節點的先驅者，致使世界建筑領域也對其展開具體研究與實踐，表現如下：

首先，國外建筑人士對榫卯節點進行了具體試驗，試驗的方法主要是將榫卯節點的主要性能一一降低，根據這種人工的方法來推測自然環境中榫卯節點退化的情況。根據結果顯示，榫卯節點的性能剛好處于剛、柔之間，屬于半剛性，在對其使用人工退化性能的情況下，節點的內部結構產生了巨大的變化，致使節點的柔性大幅加強，失去了一定的抗彎能力，多種參數模擬的方式使得榫卯節點的試驗結果更加準確，并具有一定的現實意義。

其次，柱下石墩和柱底有著密切相連的關系，相關建筑人士認為它屬于鉸鏈連接的一種方式，并對半剛性連接的內容與榫卯和斗栱之間的聯系做出詳細解釋，將彈簧參數計算出來，在木結構古建筑中利用彈簧參數對應榫卯和斗栱，并且把二者之間的作用也通過參數的形式表達也來。這一舉措主要是為了研究木結構古建筑在力的作用下會產生怎樣的變化，而地震響應通常是用虛擬激勵法的方式得以實現的，因此試驗木結構古建筑的受力情況與虛擬激勵法有著一定的相似之處。

再次，國內建筑學者在早期的建筑論壇中曾經指出，木結構古建筑結構特性的研究，與地震響應是極為類似的，但是其計算數值與現實存在著一定的差距，因此在古建筑進行測量、分析的同時，必須使用有限元的計算方式，該方式的具體內容如下：利用房梁的構成信息實現斗栱數據的形成，將斗栱的結構特征精化、細化，栱栱

并且將有限元的計算方式與斗進行有機結合，為了重點考察斗設計的復雜程度，有限元的使用徹底解決了這一問題，同時，木結構古建筑的地震響應也必須以有限元作為實際依據。該方法的確定，使我國木結構古建筑的內容能夠更加詳細、完整。

最后，在木結構古建筑當中，有關斗栱和榫卯之間的聯系一直是我相關人員重點研究的對象，但是截止到今天也無法做出一個科學、合理的有效根據，這主要是因為還沒有對斗栱和榫卯的受力情況進行確定。除此之外，許多研究人員在看待節點連接時還比較片面，利用斗栱介于鋼與柔之間的特性，模擬斗栱的方式也通常使用半剛性節點，但是這種方式并沒有考慮到現實中木結構古建筑的結構方式，因此必須要結合實際情況進行研究。

結束語：

木結構古建筑是我國的藝術瑰寶，更是華夏民族不可缺少的文化組成部分。當前，部分木結構古建筑已經受到了人為和人非為不同程度的破壞，因此，必須采取相關措施保護木結構古建筑。

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1007-6344（2017）08-0267-01