古建筑結(jié)構(gòu)與材料的科學(xué)分析與評估

梁國艷

（山西一建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

作為一個(gè)人口以及資源大國，我國為世界的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。從古至今，我國是唯一一個(gè)保留著歷史文化傳承的國度，在多年的歷史發(fā)展過程中，前人為現(xiàn)代人留下了眾多的歷史文化瑰寶，例如，古建筑。作為我國古代勞動(dòng)人民勤勞智慧的果實(shí)，這些古建筑為人民的生活以及國家的發(fā)展發(fā)揮了重要的價(jià)值，也是留給現(xiàn)代人的重要?dú)v史文化產(chǎn)物。通過研究這些古建筑中蘊(yùn)含著的歷史文化以及藝術(shù)價(jià)值，能夠使我國的居民對歷史文化的傳承具有深刻而清晰的了解。除了蘊(yùn)含的歷史文化藝術(shù)價(jià)值以外，古建筑物的結(jié)構(gòu)以及材料也是相關(guān)研究學(xué)者需要探索和學(xué)習(xí)的內(nèi)容。從古人的智慧以及古人的勞動(dòng)之中，學(xué)習(xí)到古建筑的結(jié)構(gòu)之美，有利于我國建筑學(xué)的發(fā)展，能夠在一定程度上提升我國建筑行業(yè)的發(fā)展，從而為社會(huì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

1 研究古建筑結(jié)構(gòu)以及材料的重要意義

作為我國歷史發(fā)展中的重要產(chǎn)物，古建筑的存在凝聚了古人的勞動(dòng)與智慧。同時(shí)，這些古建筑也是我國歷史發(fā)展以及文化傳承的見證者，自身蘊(yùn)含著重要的歷史文化氣息，使我國每個(gè)時(shí)代的歷史文化以及人文建設(shè)得到了較好的保留，給后世的研究者們帶來了豐富的歷史史料以及重要參考[1]。因此，相關(guān)單位應(yīng)當(dāng)加大對這些古建筑物的保護(hù)和重視力度，使其包含著的文化歷史氣息以及人文價(jià)值得到充分地繼承與發(fā)揚(yáng)。盡管古人在建設(shè)這些建筑物的過程中，已經(jīng)充分地考慮了保護(hù)以及防腐蝕等特性，但是由于長期的自然環(huán)境變化以及一些人為因素的影響，使得這些古建筑在結(jié)構(gòu)以及材料方面出現(xiàn)了一定程度的破損以及變質(zhì)，從而極大地影響了這些古建筑物的使用質(zhì)量。當(dāng)前，現(xiàn)有的這些古建筑物大多數(shù)的材質(zhì)是木材，其容易遭受到環(huán)境條件、蟲蟻災(zāi)害以及火災(zāi)等條件的影響，使得其出現(xiàn)了腐蝕與變形，從而給我國古建筑物的保護(hù)帶來巨大的挑戰(zhàn)。對于一些由石塊或者磚塊所組成的古建筑物，其主要面臨著自然環(huán)境的影響，在長時(shí)間作用之下，可能會(huì)面臨著風(fēng)化的危險(xiǎn)。根據(jù)這些古建筑物的結(jié)構(gòu)以及材料特性，能夠有效地、合理地對其采用一些保護(hù)與修復(fù)措施，進(jìn)而在最大程度上保障我國古建筑物的質(zhì)量與可靠性，使其充分保持著原有的文化、藝術(shù)以及科學(xué)價(jià)值。這也正是研究與古建筑物結(jié)構(gòu)以及材料的重要意義之一。

另外，隨著時(shí)代的發(fā)展，一些新型的科學(xué)技術(shù)以及新型材料的出現(xiàn)，也為我國古建筑物的保護(hù)和修復(fù)帶來了巨大的利益和優(yōu)良的助力。如何合理地、科學(xué)地利用現(xiàn)代化的這些新技術(shù)以及新材料進(jìn)行古建筑物的保護(hù)與修復(fù)，是一些專家學(xué)者研究的重要內(nèi)容。在應(yīng)用這些新技術(shù)以及新材料之前，古建筑物的管理單位以及施工單位應(yīng)當(dāng)對這些古建筑原有的結(jié)構(gòu)以及材料特性進(jìn)行充分地、全面地調(diào)查與分析，從而利用科學(xué)的方法對其進(jìn)行合理地評估，以切實(shí)地提升現(xiàn)代化技術(shù)在古建筑物結(jié)構(gòu)以及保護(hù)方面的價(jià)值。例如，計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入和應(yīng)用，已經(jīng)為我國古建筑物的保護(hù)和修復(fù)提供了一條嶄新的道路，一些新型材料的應(yīng)用，極大地改善了這些古建筑抵抗自然環(huán)境變化以及蟲蟻災(zāi)害的能力，從而極大地促進(jìn)了我國古建筑物質(zhì)量的提升，從而能夠高效地對這些古建筑物進(jìn)行保護(hù)。這也正是研究古建筑物結(jié)構(gòu)與材料的第二個(gè)重要價(jià)值和重要意義[2]。

2 我國古建筑的結(jié)構(gòu)分析

2.1 基本形式

我國一些傳統(tǒng)古建筑的主要材質(zhì)為木材，往往根據(jù)均衡對稱的原則，搭建出木質(zhì)構(gòu)架，某古建筑的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。一般地，這些古建筑中的木質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為3 種形式，即抬梁式、穿斗式以及干闌式。在這種以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主的古建筑中，橫梁、立柱以及順檁是其主要的承重構(gòu)件，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)對稱、規(guī)則以及分布均勻的原則，進(jìn)行古建筑物平面以及立面的設(shè)計(jì)與布置，其中，斗拱和榫卯結(jié)構(gòu)為這些結(jié)構(gòu)賦予了一定的伸縮能力。從結(jié)構(gòu)特性來看，規(guī)則、對稱以及均勻的古建筑物結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上抵抗地震的侵襲，從而使得這些古建筑物能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用與功能。同時(shí)，與現(xiàn)代的高層建筑不同，古時(shí)的一些建筑，在搭建木質(zhì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還對庭院進(jìn)行了設(shè)計(jì)與布置，往往也采用對稱的形式，使其更具有美觀特性與均勻之美，也能夠形象地突出木質(zhì)主體結(jié)構(gòu)建筑，使人眼前一亮[3]。

圖1 某古建筑的結(jié)構(gòu)形式

對于抬梁式的木質(zhì)結(jié)構(gòu)古建筑來說，主要源于西周末年。該結(jié)構(gòu)沿進(jìn)深方向在石礎(chǔ)上立柱，在柱上架梁，用橫向的枋將柱的上端相連，最上層梁上立脊瓜柱，在相鄰兩道屋架之間，于各層梁的外端架檁，在兩層檁之間架椽，承受屋面的重量，形成屋面呈下凹弧面的兩坡屋頂骨架。對于穿斗式木質(zhì)結(jié)構(gòu)古建筑來說，也是沿進(jìn)深方向立柱。一般地，以豎向的木柱來取代橫向的木梁，采用檁柱支撐體系。對于井干式木質(zhì)結(jié)構(gòu)古建筑來說，源于商朝，通過使用原木或者橫斷面木材，進(jìn)行層層向上壘疊，轉(zhuǎn)角處木料端部交叉咬合，形成房屋的四壁，在左右兩側(cè)壁上立矮柱與承脊檁構(gòu)成房屋的維護(hù)壁體。這些結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)，極大地豐富了我國古建筑的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，并提升了其質(zhì)量。

2.2 地基和基礎(chǔ)

無論在哪個(gè)結(jié)構(gòu)中或者那種建筑工程項(xiàng)目中，地基和基礎(chǔ)是重要的施工內(nèi)容。對于古建筑結(jié)構(gòu)的地基以及基礎(chǔ)來說，具有悠久的歷史，每個(gè)朝代以及每個(gè)時(shí)期具有不同的風(fēng)格。在原始社會(huì)，主要是使用扁卵石來擴(kuò)大立柱基礎(chǔ)。社會(huì)發(fā)展到夏商周時(shí)代，立柱結(jié)構(gòu)逐漸由深埋變?yōu)榱藴\埋的形式。唐宋時(shí)期之后，古建筑的基礎(chǔ)呈現(xiàn)出明顯的淺埋狀態(tài)，逐漸露明，并和立柱底部分開。明期時(shí)期的古建筑物在地基和基礎(chǔ)方面，往往以檁的數(shù)量來規(guī)定埋頭深，以荷載條件來確定礎(chǔ)石埋深、臺(tái)基高度與窮土厚度。因此，從以上的分析來看，通過分析這些古建筑的地基以及基礎(chǔ)，能夠切實(shí)地感受我國各個(gè)歷史中的不同文化氣息，從而獲得相應(yīng)的人文知識(shí)以及文化熏陶。

2.3 榫卯

在古建筑施工的過程中，通常采用榫卯的方式對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定以及連接。這種結(jié)構(gòu)連接方式的使用，能夠有效地降低側(cè)向推力。對于榫卯的連接方式來說，一般主要分為直榫和燕尾榫。對于直榫來說，初始時(shí)其端部通常為矩形，隨著年代的發(fā)展，逐漸在端面進(jìn)行了雀替或者替木，極大地加大了整體結(jié)構(gòu)連接性能以及美觀特性。對于燕尾榫來說，通常能夠在古建筑物的柱頂部分看到。一般地，榫頭根部比端部窄，上部比下部大，防脫榫功能強(qiáng)，但是根部斷面小抗剪能力較弱，容易影響我國古建筑物的連接性能。隨著時(shí)代的發(fā)展，逐漸在根部加上了帶袖肩，極大地提升了其連接性能，進(jìn)而改善了燕尾榫的施工質(zhì)量[4]。

2.4 斗拱

對于這些木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑來說，其還包含著斗拱裝置，主要源于殷商時(shí)期。隨著時(shí)代的發(fā)展，到了唐宋元時(shí)代，這些古建筑的立柱頂部的梁多位于斗拱，與古建筑中的梁架逐漸連接成一個(gè)整體，從而組成一個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出井字格。作為這些結(jié)構(gòu)中的重要組合節(jié)點(diǎn)，斗拱的作用主要是為了提升古建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。到了明清時(shí)期，斗拱裝置逐漸使用大、小額仿以及隨梁枋，其尺寸參數(shù)逐漸縮小，在減小間距的同時(shí)，提升了其小巧和精美的特性。另外，斗拱結(jié)構(gòu)的存在能夠有效地實(shí)現(xiàn)減震耗能的作用，這主要源于斗拱結(jié)構(gòu)的塑性。

2.5 側(cè)腳和生起

在古建筑物的結(jié)構(gòu)中，還包含著側(cè)腳和生起。對于側(cè)腳來說，主要是外柱在安裝時(shí)，柱腳向外側(cè)偏移柱頂向內(nèi)側(cè)偏移的適度傾斜的做法，以加大古建筑物的穩(wěn)定性與可靠性。對于生起來說，主要是柱子由明間兩側(cè)逐漸升高的做法，中心的兩個(gè)柱子不生起，次間柱升高二寸，其余柱子由內(nèi)而外依次遞增，極大地增強(qiáng)了古建筑物的結(jié)構(gòu)美感。

3 古建筑材料的科學(xué)分析與評估

3.1 古建筑中常用的材料

對于這些古建筑物來說，常用的材料為木材、石材以及磚瓦等，某古建筑中所用到的木材與琉璃等材料如圖2 所示。這些建筑材料往往取材于大自然之中，經(jīng)過加工之后，應(yīng)用到古建筑物的結(jié)構(gòu)之中。盡管木材、石材以及磚瓦等材料在密度以及強(qiáng)度方面較低，但是其具有極強(qiáng)的環(huán)境以及需求的適應(yīng)性，而且綠色可持續(xù)發(fā)展。另外，在這些古建筑房屋結(jié)構(gòu)之中，有時(shí)也會(huì)看到一些銅制構(gòu)件以及鐵制構(gòu)件，其主要的原料成分為銅和鐵，是經(jīng)過一些冶煉方式生成而來[5]。與木材以及石材相比，銅制構(gòu)件以及鐵制構(gòu)件在密度以及強(qiáng)度方面較高，但是需要經(jīng)過一些復(fù)雜的加工才能加工成此時(shí)古建筑物需要的形狀。

圖2 某古建筑中所用到的木材與琉璃等材料

3.2 材料性能的分析

一般地，通過對古建筑所用材料的材質(zhì)以及性能的分析，能夠?yàn)楹罄m(xù)的修繕做出一些參考與提示。對于古建筑物中所用的材料來說，由于其性質(zhì)上的差異，使得這些材料往往在性能方面存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，例如，密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性、耐腐蝕性和抗氧化性等。在進(jìn)行材料科學(xué)分析以及評估的時(shí)候，古建筑物的研究人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮這些材料的物理以及化學(xué)性能，從多個(gè)方面以及多個(gè)層次綜合考慮，從而能夠?yàn)橹蟮墓沤ㄖＷo(hù)以及修繕提供合適的材料，在最大程度上保障古建筑物的修繕效果。使用到古建筑物中的材料一般包括木材、石材、磚瓦、銅鐵等。針對不同的古建筑物，應(yīng)當(dāng)綜合地分析這些材料在古建筑物中的性能以及應(yīng)用價(jià)值。一般地，木材的密度最低，其往往應(yīng)用于古建筑物的屋頂以及梁柱等，而銅鐵較重，一般使用到一些裝飾構(gòu)件以及門窗之中。對于熔點(diǎn)來說，石材以及磚瓦的熔點(diǎn)明顯高于銅鐵以及木材，使其具備了耐火的特性，一般應(yīng)用到古建筑的地基以及墻體等位置，從而增強(qiáng)火災(zāi)的抵抗能力。對于木材來說，其具有可燃的特性。所以，相關(guān)管理單位應(yīng)當(dāng)密切重視古建筑物中木材的保護(hù)以及消防通道的改造。對于導(dǎo)熱性來說，銅制構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)最高，明顯地由于木材、石材等材料，一般應(yīng)用到古建筑物的暖氣以及水管等位置，有利于熱量的傳遞。同時(shí)，銅鐵之間具有較好的導(dǎo)電性，往往適應(yīng)用古建筑物中的電線以及電器等裝置。木材在古建筑物中，極易遭受到溫度的影響，從而使得其出現(xiàn)一定的位移變形。因此，相關(guān)管理單位在進(jìn)行古建筑物修繕的過程中，應(yīng)當(dāng)充分地考慮溫度對這些材料尺寸的影響，從而優(yōu)化與完善設(shè)計(jì)的合理性，保障古建筑物的質(zhì)量。銅制構(gòu)件以及石材、磚瓦在抵抗腐蝕以及抗氧化方面具有良好的性能，而其他材料則很難抵抗腐蝕的影響，極易造成銹蝕、變色、氧化等。所以，在古建筑物中，如果需要使用到鋼鐵以及木材等，應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注其抗腐蝕以及抗氧化的性能，在加強(qiáng)保護(hù)力度的同時(shí)，應(yīng)盡可能地避免這些古建筑物材料質(zhì)量的下降。

3.3 材料環(huán)境以及文化適應(yīng)性的評估

對于古建筑物中所使用到的材料來說，必須綜合地考慮其環(huán)境以及文化的適應(yīng)性。如果采用了不合時(shí)宜的材料，則會(huì)極大地影響了這些古建筑物材料的使用性能，而且還會(huì)破壞古建筑物的文化、藝術(shù)等價(jià)值，得不償失。因此，在進(jìn)行古建筑物的修繕之前，應(yīng)當(dāng)對這些材料的環(huán)境以及文化適應(yīng)性進(jìn)行綜合地評估與分析。通常，所使用的材料環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、更貼合古建筑物此時(shí)的文化、地域以及歷史氣息，則能更好地為古建筑物的結(jié)構(gòu)以及價(jià)值做出更大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

從以上的分析來看，經(jīng)過多年的發(fā)展，在我國多個(gè)區(qū)域之中，留下了眾多的古建筑物。這些古建筑物的存在蘊(yùn)藏著豐富的歷史文化價(jià)值以及眾多的藝術(shù)氣息，能夠?yàn)槲覈鴼v史文化的研究學(xué)者提供充足的、全面的時(shí)事資料，也能夠使現(xiàn)代人充分地感受古人的辛勤勞作以及智慧結(jié)晶。隨著時(shí)代的發(fā)展，盡管這些古建筑物由于多種因素的影響，使得其質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)性能出現(xiàn)了下降，但是，仍然不影響其蘊(yùn)含著的功能以及藝術(shù)集合的特性。通過對這些古建筑物結(jié)構(gòu)以及材料的科學(xué)分析以及深刻研究，能夠使得我國的建筑學(xué)研究學(xué)者深刻學(xué)習(xí)到古人的智慧，從這些古建筑中獲得靈感，傳承它們的大國工匠精神以及建筑之美藝術(shù)，從而使得我國建筑行業(yè)的發(fā)展更上一層樓。