淺析歷史建筑檢測(cè)與修繕方法
——以周宣靈王廟為例

江 凌 胡彧翾

1. 衢州市博物館衢州市文物保護(hù)管理所 浙江 衢州 324000

2. 衢州市國土空間規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 浙江 衢州 324000

歷史建筑是城市風(fēng)貌、文化、特色的象征，如何不破壞原有建筑風(fēng)貌的同時(shí)又兼顧歷史文化特性，是目前歷史建筑研究的重點(diǎn)[1]。近年來，國內(nèi)各地出臺(tái)了一系列關(guān)于歷史建筑保護(hù)與利用的政策，從一定程度上對(duì)歷史建筑起到了保護(hù)作用，歷史建筑的保護(hù)與修繕工作也在逐步進(jìn)行[2-3]。

歷史建筑年代久遠(yuǎn)，原材料也不盡相同，且施工工藝復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方法難以得到準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息。而三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展給歷史建筑提供了新的測(cè)量方法，融合人航空傾斜攝影技術(shù)，可快速獲取歷史建筑的全部信息，滿足歷史建筑保護(hù)與設(shè)計(jì)的需求[4]。本文以衢州市歷史建筑——周宣靈王廟為例，融合三維激光掃描技術(shù)與航空傾斜攝影技術(shù)，測(cè)繪建筑點(diǎn)云信息，建立三維模型，從而分析其結(jié)構(gòu)受損程度，制定保護(hù)修繕方法，為歷史建筑的保護(hù)與開發(fā)提供可行性參考。

1 歷史建筑檢測(cè)方法

周宣靈王廟位于浙江衢州水亭門景區(qū)內(nèi)，占地面積約3600m2，始建于南宋嘉定年間，建筑特色明顯，木雕水平高超，具有較高的文物價(jià)值。周宣靈王廟坐東朝西，平面呈不規(guī)則方形，共分南、中、北三路軸線，主體建筑由門樓、門廳、正殿、廂樓、后殿、穿廊、寢宮等組成，平面及剖面布局如圖1～圖2所示。周宣靈王廟正殿面闊五間，進(jìn)深四間，木結(jié)構(gòu)建筑，柱網(wǎng)布局十分靈活。明間后檐大額梁長10.3m（500mm×570mm），兩端各自與石柱（310mm×310mm）榫卯連接，交接處有雀替（605mm×300mm×180mm）承托，大額梁下口離地高度約4.1m。自1999年周宣靈王廟主體建筑全面修繕以來，文物本體受多種自然因素交互影響及使用管理過程中人為因素的復(fù)雜影響，建筑殘損情況逐步加劇，目前已構(gòu)成結(jié)構(gòu)性安全隱患。

圖1 周宣靈王廟主體建筑平面布局示意圖

圖2 周宣靈王廟主體建筑剖面布局示意圖

1.1 測(cè)繪方法

常用的測(cè)量方法主要是尺量法、全站儀法等，對(duì)于簡單的建筑結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行測(cè)量，但是對(duì)于歷史建筑來說，常規(guī)的測(cè)量手段難以獲取完整的建筑信息，無法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固需求[5]。因此，本文采用三維激光掃描、航空傾斜攝影技術(shù)與常規(guī)測(cè)量結(jié)合的方法，獲取全面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成實(shí)測(cè)圖的繪制，可全景查看建筑內(nèi)部信息。同時(shí)，采用阻抗儀、應(yīng)力波等方式對(duì)重點(diǎn)木構(gòu)件進(jìn)行木材檢測(cè)，分析受損原因并提出相應(yīng)的修繕方法。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)考慮多方位、多角度采集影像數(shù)據(jù)，并通過影響質(zhì)量檢查、勻光勻色處理、幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差等計(jì)算和操作，從而測(cè)得實(shí)際地理坐標(biāo)，配合三維激光掃描建模技術(shù)，建立三維有限元模型如圖3所示，將通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與經(jīng)過處理后得到的傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取整棟建筑信息[6]。

圖3 周宣靈王廟三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

1.2 現(xiàn)狀勘察

通過現(xiàn)場勘察及分析儀器檢測(cè)所得的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)周宣靈王廟主體建筑現(xiàn)狀整體保存較差。經(jīng)過現(xiàn)場水準(zhǔn)儀測(cè)試，整體建筑基礎(chǔ)沉降較小，僅門廳后檐階沿處地面存在下陷情況；周宣靈王廟整體建筑墻體為280mm厚空斗墻，上設(shè)馬頭墻，門廳及前廂房南側(cè)墻體均出現(xiàn)傾斜，最大傾斜值達(dá)0.7%，部分外墻抹灰脫落，影響建筑整體美觀[7]。主體結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的安全隱患，正殿后檐大額梁出現(xiàn)蟲蛀空洞，后殿前檐大額梁出現(xiàn)下?lián)希瑩隙燃s為1/100，后殿大額梁測(cè)繪現(xiàn)狀如圖4所示，明顯觀測(cè)到大額梁結(jié)構(gòu)下?lián)稀?/p>

圖4 后殿大額梁測(cè)繪現(xiàn)狀示意圖

周宣靈王廟主體建筑為傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑，建筑柱、梁、擱柵、牛腿等木構(gòu)件蟲蛀、腐朽、破損、開裂情況嚴(yán)重，部分木構(gòu)件失去承重能力。且建筑后期使用過程中改建加建樓梯、門窗，植物增生，嚴(yán)重影響建筑整體風(fēng)貌。

1.3 木材檢測(cè)

本文通過觀察建筑整體外觀、橡膠錘輕敲、儀器檢測(cè)等綜合方法，查明木梁、木柱等構(gòu)件的木材保存狀況，確定具體病害情況，為制定科學(xué)保護(hù)修繕方案提供可靠依據(jù)[8]。本次檢測(cè)針對(duì)可能存在較大病害隱患的木柱采用木材阻抗儀檢測(cè)，共計(jì)7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位，包括門廳、前廂房、正殿、后廂房、后殿等幾個(gè)主要部位。由于現(xiàn)國家、行業(yè)及地方均無古建筑及仿古建筑木結(jié)構(gòu)木材性能檢測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也無阻抗儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文通過對(duì)木梁進(jìn)行阻抗檢測(cè)、應(yīng)力波驗(yàn)證等多項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)及分析研究，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立阻抗值與木質(zhì)狀況的關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，從而通過阻抗平均值分布范圍對(duì)木質(zhì)狀況進(jìn)分級(jí)，木質(zhì)狀況分級(jí)表如表1所示。

表1 木質(zhì)狀況分級(jí)表

將檢測(cè)結(jié)果曲線采用專業(yè)圖像識(shí)別軟件，自動(dòng)抓取鉆入深度和鉆入阻抗的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以2cm 為統(tǒng)一單元，定量計(jì)算每段阻抗平均值，綜合評(píng)價(jià)木材檢測(cè)截面的保存狀態(tài)。阻抗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表如表2所示。

表2 阻抗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表

為了得到建筑內(nèi)部木材強(qiáng)度，本文采用應(yīng)力波法分析木材內(nèi)部的強(qiáng)度分布和腐朽情況。當(dāng)采用應(yīng)力波斷層檢測(cè)儀獲取木構(gòu)件斷面的彩色圖像時(shí)，圖像的顏色直觀顯示木構(gòu)件的健康狀況，圖像的顏色分布由波速值大小決定。本文選取3根木柱和3根木梁進(jìn)行檢測(cè)，木柱檢測(cè)結(jié)果較好，檢測(cè)截面波速分布較為均勻，低波速所占比例較少；木梁檢測(cè)結(jié)果一般，存在局部孔洞或蟲蛀現(xiàn)象。應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 木材應(yīng)力波分布圖

2 周宣靈王廟修繕方法

2.1 修繕原則

歷史建筑的修繕與普通建筑不同，既要考慮結(jié)構(gòu)的安全性，又要維持建筑原有的結(jié)構(gòu)與風(fēng)貌。在選取修繕材料時(shí)，盡量使用與原材料接近的材料，保持結(jié)構(gòu)的一致性，同時(shí)延續(xù)歷史文化信息[9]。

周宣靈王廟主體建筑的現(xiàn)狀殘損對(duì)文物造成了一定破壞，有必要對(duì)其進(jìn)行修繕，必須根據(jù)現(xiàn)存有價(jià)值的實(shí)物為依據(jù)，恢復(fù)建筑原形制、原結(jié)構(gòu)、原工藝、原做法，根據(jù)病害損傷的類別和程度采取必要的保護(hù)措施，保障文物建筑安全，恢復(fù)文物原狀，保持建筑的真實(shí)性和完整性。

2.2 大額梁修繕方案

周宣靈王廟整體結(jié)構(gòu)保存現(xiàn)狀一般，正殿及后檐大額梁破損嚴(yán)重，存在安全隱患。特別是后檐大額梁端頭蟲蛀腐朽嚴(yán)重，腐朽面積420mm×360mm×1850mm，梁身中部腐朽320mm×300mm×1250mm，存在梁身前傾情況，經(jīng)應(yīng)力波檢測(cè)大額梁中部截面木材保存情況一般，需采取一定的手段對(duì)大額梁進(jìn)行維修加固，保證結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)維持原有的建筑風(fēng)貌。

基于大額梁結(jié)構(gòu)安全，因大額梁與石柱交接處存在榫頭交接，無法通過原位側(cè)面開槽置入鋼梁，故需落架大額梁并從上方開槽置入鋼梁。秉持最小干預(yù)原則，根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，綜合考慮施工可行性，確定最終修繕方案。

1.拆卸大額梁上部童柱、花板等構(gòu)件以及四周局部屋面荷載，支頂大額梁上部雙步梁等結(jié)構(gòu)梁架。

2.在大額梁上部位置開槽嵌入鋼梁，開槽前牮正大額梁，解決前傾情況。大額梁與鋼梁縫隙用環(huán)氧樹脂灌實(shí)。鋼梁延申大額梁兩段段部，擱置于石柱頂，石柱頂與鋼梁間設(shè)墊木（硬雜木）頂緊，鋼梁選用200mm×300mm×14mm焊接后長度為10900mm（鋼梁應(yīng)按0.3%進(jìn)行起拱）。因大額梁長度較長及現(xiàn)場工作面狹窄，所以計(jì)劃鋼梁分段嵌入大額梁，鋼梁焊接處鋼梁與大額梁增設(shè)防火毯（耐火極限1.5h），之后在大額梁內(nèi)焊接，焊接完后用M12螺桿@1000 上下對(duì)穿，最后用環(huán)氧樹脂灌實(shí)大額梁與鋼梁縫隙，加固方案如圖6所示，鋼梁嵌入前應(yīng)按施工圖要求鋼梁兩端設(shè)封板，童柱處設(shè)加勁肋，鋼梁表面刷防腐漆兩道。

圖6 大額梁結(jié)構(gòu)加固方案

3.嵌入鋼梁暫計(jì)劃分三段兩側(cè)長度為3.7m，中段長度為4.1m，采用錯(cuò)口對(duì)接焊縫方式焊接，錯(cuò)口焊接處長250mm。接縫邊緣應(yīng)該保持光滑和無影響焊接的割痕缺口，接縫必須在焊接前進(jìn)行清理。因鋼梁是在大額梁內(nèi)焊接，且鋼梁無法在槽內(nèi)翻身，所以鋼梁底部一面無法焊接。因此在鋼梁上部開出工作面，待焊接完底部及側(cè)面后再焊接鋼梁上部，最后焊接封閉鋼梁上部工作面，焊接完后取出防火毯再用M12螺桿@1000上下對(duì)穿。

4.大額梁外觀修整，著重修整大額梁上部開槽位置。歸安大額梁上部童柱、花板等構(gòu)件以及四周屋面荷載，拆卸支頂其他梁架。

2.3 砌體結(jié)構(gòu)修繕方法

周宣靈王廟墻體保存相對(duì)較為完整，在修繕過程中應(yīng)盡量保持風(fēng)貌協(xié)調(diào)、修舊如故，維持老墻原有風(fēng)貌特征，外墻的修繕改造以清洗整理為主。

（1）外墻及屋面修繕方法

外墻破損區(qū)域的修補(bǔ)，選取相近顏色的涂料進(jìn)行粉刷，局部柱基及階沿石加固更換。屋面采用防水材料重新鋪設(shè)，更換松動(dòng)破損的瓦片，盡可能與原構(gòu)件相同，做到維持原樣。同時(shí)考慮建筑內(nèi)部防火防潮以及防蟲措施，采用涂刷法、浸泡法或熱冷槽法防治白蟻。

（2）木構(gòu)件修繕加固

對(duì)于歷史建筑來說，存在很大一部分木構(gòu)件，對(duì)不同的損壞部位及形態(tài)，加固方法也不同，主要采用材料加固的方法。在不拆落木構(gòu)架的情況下先復(fù)位傾斜、扭轉(zhuǎn)、拔榫的構(gòu)架，再進(jìn)行整體加固。

木柱加固方法：①木柱干縮裂縫，可采用環(huán)氧樹脂和原材料進(jìn)行嵌補(bǔ)，將裂縫涂抹嚴(yán)實(shí)后再打磨；②對(duì)柱子表皮槽朽的部位進(jìn)行踢補(bǔ)、剜補(bǔ)加固，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行涂抹；③木柱節(jié)點(diǎn)因受到梁上荷載作用發(fā)生破壞，可在節(jié)點(diǎn)上下位置處加鐵箍進(jìn)行約束，增強(qiáng)木柱節(jié)點(diǎn)處的受力性能。

木梁加固方法：①木梁干縮裂縫加固主要采取嵌補(bǔ)的方法，對(duì)裂縫較小位置進(jìn)行加固，若裂縫較大承載力不滿足受力要求（如大額梁），則需要更換構(gòu)件或用其他強(qiáng)度高的材料進(jìn)行加固；②對(duì)于梁身完整，榫頭破壞的構(gòu)件，可將榫頭更換與原構(gòu)件進(jìn)行處理粘牢即可，但梁身與榫頭均損壞時(shí)，需連梁身一起剜補(bǔ)加固；③木梁內(nèi)部腐朽，可采用環(huán)氧樹脂灌注加固方法進(jìn)行修繕。

3 結(jié)語

本文探討了周宣靈王廟的檢測(cè)方法與修繕措施，通過對(duì)周宣靈王廟現(xiàn)狀勘察，配合三維激光掃描測(cè)繪以及木材檢測(cè)等技術(shù)手段，得到了建筑全部信息，并建立三維模型。通過現(xiàn)場測(cè)繪，明確周宣靈王廟結(jié)構(gòu)安全隱患，提出加固修繕措施，并對(duì)受損木質(zhì)構(gòu)件、墻面、屋頂?shù)冗M(jìn)行探討與分析，提出了保護(hù)修繕原則與方法，為歷史建筑的保護(hù)與加固提供參考。