古建筑木結構加固及其性能研究

摘 要：我國五千年文明史源遠流長，在歷史發展過程中涌現出了諸如陶瓷、絲綢、茶葉等獨具特色的文化，古建筑木結構同樣如此。對古建筑木結構的研究不僅能增強對各朝代經濟文化的了解，更能在討論古建筑木結構持久性和可靠性的基礎上指導現代建筑的進一步發展。在此背景下，文章從古建筑木結構抗震性和材料利用等特點出發，重點討論了古建筑木結構諸如整體加固、構件加固和新技術加固等多樣化的加固方法，旨在為進一步強化對我國古建筑木結構的認知程度和提升古建筑木結構對現代建筑的指導意義帶來更多的思考和啟迪。

關鍵詞：古建筑;木結構加固;性能研究

眾所周知，中國古建筑大多為木結構形式，它們憑借卯、榫等獨特零部件和特殊的受力性能承受住了數千年的風雨霜雪，留下了諸如五臺山佛光寺、西安大雁塔、山西釋迦塔等獨具特色的木結構古建筑群，為了解歷史文化提供了寶貴的資料。然而隨著時間的推移，此類木結構古建筑群由于自然環境的侵蝕、本身材料的腐朽等多樣化原因出現了安全性和可靠性大幅度降低的情況。因此，如何在保證古建筑木結構重要性質不變的基礎上對其進行一定程度的加固和有關性能的研究是當代有關學者必須認真思考并付諸實踐的重大議題。

1 古建筑木結構的結構特點

1.1 木材為主要建筑材料

眾所周知，木材是我國古建筑結構中用途最廣泛、用量最多的天然原材料之一，其作為古建筑結構彈性骨架的關鍵材料，構成的建筑機構在極大程度上具有良好的彈性和安全性。同時，由于我國古建筑結構的墻壁大多為非承重墻，隨之而來的古建筑物便具備了獨一無二的木結構形式，并在此基礎上增強了其靈活性和可靠性，不僅在極大程度上滿足了當時人們對建筑物的性能需求，更在一定程度上豐富了建筑物的風格樣式等，為木結構中飛椽、翼角和歐尾等獨特結構形式的出現奠定了一定的基礎。此外，古建筑木結構體系中的核心技術即為榫卯結構，它的出現更大幅度提升了木結構建筑物的柔性特征，為古建筑物的保存及加固等打下了堅實的基礎。

1.2 顯著的抗震性能

通常情況下，我國木結構古建筑物在其梁柱節點等重要部位都應用了雀替、榫卯結構等特殊的工藝技巧以增強其連接的可靠性、靈活性和安全性等。此類柔性結構的工藝技巧也在極大程度上區別于當代社會的鋼筋混凝土結構、鋼結構等剛性結構，在建筑物的抗震性和靈活性方面有獨特優勢，為建筑物的長時間保存做出了一定的貢獻。榫卯連接結構示意圖如圖1所示[1]。此外，傳統木結構古建筑中大多利用梁、柱、檁、枋、斗拱等大型木結構形式以構成建筑物框架，以此承擔來自屋頂、樓面等的自重荷載和來自大自然的風雨雪等附加荷載，此類結構形式最大程度上賦予了建筑物的靈活性和抗震性，為木結構古建筑的長久保存奠定了重要的基礎。

2 古建筑木結構的加固方法

2.1 整體加固

一般而言，古建筑木結構整體加固的方法主要分為以下三大類：一是落架大修，也就是在全部或部分拆除落木結構框架的基礎上，對建筑物木結構的破損構件或部件的破損點等進行一定的修整甚至更換等，從而在進一步安裝有關部件的同時對建筑物木結構進行整體加固的方法。在此修繕過程中，有關工作人員應先根據建筑物的整體情況制訂相應的拆除方案，并根據有關方案拆除瓦頂、落望板、椽、檁和梁等部件，并在此基礎上進一步對破損部件進行維修和替換等。而在拆除古建筑部件的過程中，施工人員不僅應利用有關措施預防榫頭的斷裂和折斷等，更應采取一定的保護措施防止木結構建筑物上的圖案彩繪等的脫落，為還原古建筑物打下堅實的基礎。此方法大多應用于梁、檁等大構件發生嚴重的彎曲、腐朽和斷裂等情況而必須更換的建筑物。二是打牮撥正法，該方法是在不拆除古建筑物整體結構框架的基礎上充分利用力的轉換使傾斜、扭曲的構件恢復原位，并進一步對建筑物破損部分進行加固的方法。在此過程中，有關施工人員應先揭除瓦頂、落望板和部分椽結構等，并在拆除已有加固鐵件和清理榫卯縫隙的基礎上對破損嚴重的檁、梁和科斗等進行一定的復位。此類方法適用于古建筑物外部結構大體完好而僅需更換部分構件的維修工程。三是整體抬升法[2]。該方法是針對原有房屋結構室內外高度差不能滿足現代使用需求，在不揭除瓦頂等建筑物大框架的基礎上直接對建筑物木結構進行水平切割、整體抬升、修繕和加固的方法，適用于建筑物構架變形較小、構件位移較小的房建工程。在具體施工過程中，相關工作人員先在房屋結構柱上施工，然后在柱梁結構旁邊適宜位置安裝相應的液壓千斤頂系統，在利用相關機械設備對房屋結構柱進行切割分離的基礎上采取人工開鑿的方式分離墻柱結構，最后通過液壓千斤頂系統控制相應的千斤頂，借助節點托換方法向上頂升房屋整體結構。在房屋結構頂升到相應設計標高時，利用特殊試劑對新老結構進行高質量連接，保證房屋結構在整體頂升后符合使用標準。最后，工作人員拆除相應的頂升設備并對房屋結構進行一定裝飾。

2.2 構件加固

古建筑木結構加固過程中可采用以下幾種方法對房屋構件進行加固：一是嵌補加固法。通常情況下，古建筑中的木柱等結構往往會由于干縮產生一定的裂縫，當裂縫深度不超過柱子半徑或該部件截面尺寸的1/3時，可采取嵌補的方法進行加固修整。在此過程中，若裂縫寬度較小，則可利用涂刷、油飾等方式進行一定的勾抹等;而當裂縫較大時，則可利用木條和膠粘劑等進行嵌補，當裂縫大于30毫米時，則需在嵌補的木條等構件中加上鐵箍等，進一步提升其穩定性和安全性。同時，若梁柱等部件的開裂段較長時，修補人員可進一步將鐵箍等嵌入柱內以保證其穩固性。二是墩接加固法[3]。該方法主要適用于柱角腐朽嚴重且柱底向上破損長度未超過柱高1/4的古建筑物。在古建筑木結構的墩接過程中，可依據有關部件的腐朽程度、具體腐朽部位和預備墩接材料等的不同進一步將其分為木料墩接、鋼筋混凝土墩接和石料墩接三大類別。木料墩接通常利用巴掌榫、抄手榫等獨特樣式。在對建筑物木結構進行墩接施工時，必須嚴格控制墩接榫頭的精確對位。鋼筋混凝土墩接僅能應用于墻內的暗柱，并且柱子的高度、寬度和半徑等都有嚴格的標準。三是偷梁換柱法。偷梁換柱主要指工作人員在對建筑工程進行大修時，在不改變房屋建筑整體架構的基礎上更換大梁和柱子的重要房屋修繕方法。通常而言，偷梁換柱的方法主要有兩種：一種是利用牮桿支頂和連接柱子的各種構件，在卸掉柱子荷載的基礎上通過挖槽的方式取出柱基石，進而將新的柱子安上;另一種方法是利用牮桿將柱頭周圍的有關構件抬起，在不移動柱基石的基礎上減少柱子底部的壓力，從而露出管腳榫以便工作人員用新柱替換舊柱，達到有效更換古建筑木結構受損部位的目的。四是修整加固法。該方法是在不揭除瓦頂、橫梁等建筑結構大框架的基礎上直接對建筑物的某一部分木結構進行整體修繕和加固。一般而言，該方法適用于建筑物木構架變形較小、構件位移較小的工程。

2.3 新技術加固

隨著我國經濟社會的快速發展和科技水平的進一步提升，越來越多可用于古建筑木結構加固的新技術涌現，提升加固效率的同時也優化了古建筑木結構的加固效果。首先是FRP技術。該技術是利用高強度的纖維和某些化學樹脂基體進行一定的結合而制成的新型材料，具有強度重量比高、易于加工、耐腐蝕性良好和方便快捷等優勢。通常根據添加的增強材料的不同可將其進一步細分為玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料和芳綸纖維復合材料等。其中，碳纖維復合材料較普通材料具有更強的抗拉性能，且其在模量、膨脹系數以及比強度等方面都具有一定的優勢。因此，在房屋建筑木結構的加固過程中，相關工作人員可使用碳纖維復合材料和相應木質材料進行有機結合，從而產生新的木結構材料，以有效保證古建筑木結構的承載能力達到相應荷載標準。此外，FRP技術在古建筑木結構加固中的應用主要體現在抗剪加固和抗壓加固兩大方面[4]。就抗壓加固而言，可進一步利用玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料橫向圍繞在柱結構古建筑周圍，借此提升木柱的抗壓承載力。而利用玻璃纖維復合材料進一步加固橋梁工程的木樁時，可在木樁結構性能嚴重惡化的情形下進一步提升木樁的極限承載力等性能。其次是預應力加固技術。該方法是在建筑物構件承受有關荷載前，預先對其施加一定的壓應力以抵消構件在承受外部荷載后產生的拉應力，從而增強構件的承載力和剛度，并對構件的結構振動和彈性變形等進行一定的遏制。采用預應力技術對古建筑木結構進行一定的加固時，可利用碳纖維布等材料在木梁受拉區產生的拉應力使木梁整體結構具備相應的預應力，進而提升木結構的承載力、剛度和強度等。圖2即為碳纖維布的示意圖。最后是納米材料加固技術。該方法主要是利用碳納米管樹脂對古建筑木結構有關腐爛、蟲蛀部位和重要節點等進行一定的修繕。維修人員在利用此方法修繕古建筑時，可將碳納米管樹脂均勻涂抹于木結構表面，從而有效提升木料的抗彎能力和承載力。

3 結語

總之，古建筑木結構歷經千年滄桑而屹立不倒，不管是從其對歷史研究和科學研究的重要性而言，還是從古建筑木結構作為先祖留給后人的寶貴財富的紀念意義而言，它的存在都有不容忽視的重要價值。因此，加強對古建筑木結構有關性能的深入研究，并在此基礎上進一步對某些破損的木結構古建筑進行一定程度的修繕，最大程度上將其完整地保存，不僅能對我國有關時期的歷史研究、文化研究和科學研究做出一定的貢獻，更能為現代建筑結構的優化帶來一定的價值。

參考文獻

[1]楊茹元，孫友富，張曉鳳，等.木結構古建筑加固技術的應用及進展[J].林產工業，2018（6）：3-7.

[2]王耀國，郭小東，蘇經宇，等.殘損對木結構古建筑的影響及加固方法[J].低溫建筑技術，2015（6）：40-42.

[3]趙鴻鐵，張風亮，薛建陽，等.古建筑木結構的結構性能研究綜述[J].建筑結構學報，2012（8）：1-10.

[4]周乾，閆維明，李振寶，等.古建筑木結構加固方法研究[J].工程抗震與加固改造，2009（1）：84-90.

【作者簡介】喬勇（1986—），男，甘肅靈臺人，工程師，從事文物修繕行業十年，擅長古建筑維修保護、石窟和石刻保護、土遺址保護修繕。