古建筑木結構抽樣檢測和安全性評估方法

郭運勇，徐 帥

(1.德州德達城市建設投資運營有限公司，山東德州 253000；2.建筑經濟雜志社，北京 100044))

安全性鑒定與評估是保護古建筑木結構這類文化遺產的重要舉措。古建筑木結構現場檢測中，一般會存在部分構件受檢測設備、空間條件等因素影響而無法進行檢測，同時，一般會因工作量、人員和設備數量等原因而采用抽樣檢測。因此，古建筑木結構一般都是以有限的檢測結果進行安全性評估。當前，古建筑木結構安全性評估方法主要有殘損點法[1]、評級法[2]和評分法[3]等，這些方法均從構件殘損點開始，逐步評估得出建筑物的安全等級。將抽樣檢測結果和安全性評估方法有機結合起來，對于利用有限檢測結果對古建筑木結構進行安全性評估并獲得可靠的評估結果有著重要意義。

本文通過對現有古建筑木結構安全性評估方法的評估流程及要點進行剖析，給出應用抽樣檢測和安全性評估方法對古建筑木結構進行安全評估的建議。

1 抽樣檢測和安全性評估

影響評估結果可靠性的因素主要有：

(1)檢測項目及評定標準；

(2)受檢構件數量、類別和所在位置；

(3)是否考慮檢測設備和操作等引起的誤差；

(4)是否考慮不同構件對整體安全性的貢獻差異；

(5)是否考慮不同殘損類型及殘損程度對構件安全性的影響差異；

(6)是否考慮無法檢測構件的健康狀況對整體安全性的影響；

(7)是否對充分考慮檢測結果對整體安全性的影響。

采用抽樣檢測方法，古建筑木結構安全性評估就轉化為用樣本安全性去估計總體安全性的問題。上述因素1和因素2決定樣本空間的可靠性，因素3決定檢測手段的可靠性，因素4～因素7決定評估方法的可靠性，因此，采用抽樣檢測方法評估古建筑木結構的關鍵在于：樣本、檢測手段和評估方法。

2 鑒定因子安全性評估

目前古建筑木結構安全性評估方法主要有：殘損點法、評級法和評分法。這些評估方法均以定性鑒定為主，以定量鑒定為主，將建筑物劃分為不同級別和不同類別的鑒定因子，先分別對鑒定因子進行安全性評估，再綜合得出建筑物的安全等級。因此，抽樣檢測和評估的關鍵環節是利用有限的檢測結果對鑒定因子的安全等級做出合理的評價。

2.1 構件的安全性評估

2.1.1 評定方法

構件安全等級的評定方法主要有:

(1)根據檢測項目的最壞殘損程度評定構件的安全等級；

(2)根據達到各殘損程度的檢測項目數量評定構件的安全等級；

(3)分別指定各檢測項目一個權重，根據各檢測項目的殘損程度評分求構件的綜合安全評估值，評定其安全等級。這些方法對抽樣檢測的適用性為方法1>方法2>方法3。

2.1.2 評定注意要點

對于構件的安全等級評定應注意以下幾點：

(1)同一檢測項目的同一殘損程度(除au級外)對于不同受力狀態構件的安全性的影響是不同的；不同構件的同一安全等級(除Au級外)所對應的同一檢測項目的殘損程度應是不同的。例如裂縫對于梁構件的影響要遠大于柱，因此梁構件安全等級為Cu級所對應的裂縫殘損程度與柱構件安全等級為Cu級所對應的裂縫殘損程度應該是不相同的。因此構件的各個檢測項目殘損程度應根據構件的類型設定不同的評定標準。

(2)若按單一檢測項目進行安全性評定，均得到同一安全等級，那么這些檢測項目的殘損程度對構件安全性的影響應是等價的；當構件達到某一殘損程度(除au級外)的檢測項目達到某一數量時，會使構件的安全性繼續降低。例如對于承重柱構件，殘損程度均為cu級的開裂和腐朽等檢測項目，應分別能夠使構件安全性達到Cu級，但當殘損程度達到cu級的檢測項目達到某一數量時，宜讓構件的安全等級降至Du級。因此，在構件安全性評估時應考慮檢測項目類型、數量及殘損程度對其安全等級的綜合影響。

(3)對于未檢測的殘損類型，應不計入其殘損程度對構件安全等級的影響。當采用抽樣檢測或受到檢測設備、檢測條件等限制而部分檢測項目無法檢測時，在評定構件的安全等級時，可認為這些殘損類型不存在殘損點而不計其影響。

2.2 子單元的安全性評估

2.2.1 評定方法

子單元安全等級的評定方法主要有：

(1)根據構件的最低安全等級評定子單元的安全等級；

(2)根據處于各安全等級的構件的數量或比重評定子單元的安全等級；

(3)指定各構件一個權重，根據構件的綜合安全評估值求子單元的綜合安全評估值，評定其安全等級。這些方法對抽樣檢測的適用性為方法3>方法2>方法1。

2.2.2 評定注意要點

對于子單元的安全性評定應注意以下幾點：

(1)不同構件的同一安全等級(除Au級外)對于同一子單元安全等級的影響是不同的。例如對于承重木構架，安全等級為Cu級的承重柱和隨梁枋對承重木構架的安全性影響不同。因此，在子單元的安全性評定中，可將構件按其對結構承載能力和變形能力的影響程度分為重要構件、一般構件或構造等，也可通過指定權重來反映這一點。

(2)同一構件的同一安全等級對不同結構形式的同類子單元的影響可能不同。如穿斗式木結構中的枋對結構整體性和承載能力的影響要大于抬梁式木結構中的枋。因此，在子單元的安全性評定中，可根據不同結構類型的建筑物劃定不同的重要構件集、一般構件集，或建立不同的權重向量。

(3)當采用抽樣檢測時，宜計入未檢測構件的安全等級對子單元安全等級的影響(尤其是當未檢測構件為重要構件時)，未檢測的構件應按不低于所檢測構件的最低安全等級和不高于Bu級處理。若不考慮未檢測構件的安全等級，則評估結果具有很強的片面性。木結構古建筑均年代久遠，構件的安全等級基本不會達到au級；對于未檢測構件來說，其安全等級的下限取值不應低于已檢測構件的最低安全等級，從而保證鑒定和檢測的必要性和合理性。本文建議，未檢測構件的安全等級可取其相鄰或接近的相同受力狀態的構件中的最高安全等級，但不宜為au級。

2.3 鑒定單元的安全性評估

鑒定單元安全等級宜取子單元中的最低安全等級。一般地，鑒定單元可劃分為承重子單元和非承重子單元，鑒定單元的安全等級宜主要由承重子單元的安全等級決定，而非承重子單元的安全等級宜用于修正最后的評估結果。

3 工程案例

本文選用工程為某皇陵隆恩門。隆恩門為五開間兩進七架梁木構架，重檐歇山黃琉璃頂，有斗栱鋪作層，山墻為下肩腰線石干擺上身城磚糙砌抹灰，臺基為青白色石須彌座，南北各連三連面六級垂帶踏跺，立面圖見圖1。

隆恩門于1953年揭瓦屋頂維修，1979年裝修明柱，2010年檐柱、中柱表層清理，并補做脫落缺失地仗。

圖1 隆恩門南立面

3.1 檢測和評估方案

本文以隆恩門整棟建筑物為1個鑒定單元，再分為地基和臺基、承重木構架和圍護結構3個子單元，本次檢測以構件的殘損為主。根據初步調查情況發現，木構件的殘損類型主要為材質糟朽疏松、干縮裂縫，部分構件缺失，存在少量脫榫和偏移情況。所以構件取糟朽疏松、開裂和偏移作為檢測項目，木構架的整體性根據構件的脫榫、缺失等情況進行判定，由于當前還沒有關于古建筑木結構的安全性評定標準，因此按GB 50292-1999《民用建筑可靠性鑒定標準》[2]中關于木構件安全等級評定標準進行檢測和鑒定。

現場檢測設備有卡尺、橡皮錘、FAKOPP應力波、ILM阻抗儀(進針速度100)、三維激光掃描儀等。受檢測設備和檢測空間的限制，只對柱、七架梁、五架梁等構件使用儀器進行檢測。斗栱、檁、椽的安全等級依據相鄰構件的安全等級和現場觀測情況進行判斷。

3.2 現場檢測結果

現場部分檢測結果列于表1。

表1 檢測結果

3.3 安全評估結果

采用評分法計算承重木構架的綜合安全評估值。按1為完好無損、0.9為存在不影響功能的殘損、0.7為輕度殘損、0.5為中度殘損、0.3為重度殘損、0.1為喪失功能、0為破壞或缺失的評分標準對構件的安全性進行打分，安全等級與評分值的對應關系為[0.9，1]-au級、[0.7，0.9)-bu級、[0.3，0.7)-cu級、[0，0.3)-du級。

取構件集空間(角柱，檐柱，金柱，七架梁，五架梁，三架梁，平身科斗拱，柱頭科斗拱，角科斗拱，檐檁，下金檁，上金檁，脊檁)，每個構件集中最低評分分別為(0.7，0.3，0.9，0.5，0.7，0.9，0.5，0.3，0.3，0.9，0.9，0.9，0.9)，根據標度法求得各構件集的權重分別為(0.12，0.10，0.10，0.08，0.07，0.05，0.05，0.07，0.8，0.08，0.07，0.07，0.08)，按加權求和法計算得承重木構架的綜合安全評估值為0.66，安全等級為Cu級，與殘損點法和評級法的評估結果相同。上述計算過程中，構件集的劃分越細，結果的可靠性越高。

根據地基和臺基和圍護結構的現場調查情況，均未出現顯著影響其承載功能和變形功能的殘損，因此均評為Bu級，則隆恩門的安全等級為Csu級。

3.4 加固維修建議

本次檢測發現部分柱根部木材疏松槽朽嚴重，建議進行墩接；部分梁的鐵箍上的銷釘脫落，建議補全，并對梁表面的裂縫進行嵌補或注膠修復。存在瓜柱碎裂，應替換新構件。還應補全缺失的兩根枋和斗拱上的零件。對槽朽的椽條，應進行替換。

4 結論

(1)當采用抽樣檢測方法對古建筑木結構進行安全性鑒定和評估時，樣本空間、檢測手段和評估方法地選擇對安全性評估結果的可靠性影響較大。

(2)采用抽樣檢測時，檢測項目應根據相關資料和現場調研選擇容易出現殘損點的殘損類型；構件應選取對建筑物整體安全性影響較大且易于檢測的構件。