北京市清代雍和门结构检测鉴定

张　涛，杜德杰，黎冬青，徐福泉，陈勇平

(1. 北京市古代建筑研究所，北京　100050； 2. 中国建筑科学研究院，北京　100013； 3. 中国林科院木材工业研究所，北京　100191)



北京市清代雍和门结构检测鉴定

张涛1，杜德杰2，黎冬青1，徐福泉2，陈勇平3

(1. 北京市古代建筑研究所，北京100050； 2. 中国建筑科学研究院，北京100013； 3. 中国林科院木材工业研究所，北京100191)

摘要：北京市集中了很多优秀的古建筑木结构，但由于年代久远，结构经受了各种自然灾害及人为因素的影响，已出现不同程度的损坏现象，有些甚至面临倒塌破坏的危险。为了准确了解结构的现状，发现结构潜在的安全隐患，有必要对现有的古建筑木结构进行系统的检测鉴定。本研究以雍和门为例，介绍了此类建筑的检测鉴定方法。首先完成了结构的图纸测绘工作，并对结构承重构件及主要节点的受力和变形状态进行了详细的勘察测量，同时在检测过程中采用了多种无(微)损检测技术，如采用探地雷达对地基基础情况进行了探查，采用微钻阻力仪、应力波扫描仪等无(微)损检测设备对木构件材质情况进行了检测，采用脉动测试法对结构的动力特性进行了测试分析，并对部分木构件进行了树种鉴定。最后，基于以上检测结果对雍和门结构的安全性进行了鉴定和评级。研究结果可为类似建筑的检测鉴定提供参考。

关键词：雍和门；古建筑；木结构；无(微)损；检测；鉴定

0　引　言

北京市文物古建筑繁多，古建筑从建筑材料上主要可分为木、砖、石、土及其混合结构等类型，其中以木结构分布最为广泛。木结构存在容易腐朽、虫蛀及遭受火灾等缺点，这导致了早期木结构遗址较少，现存木结构以明清两代为主。北京为明清两代的都城，集中了很多明清时代的优秀木结构，这些古建筑木结构是我国宝贵的建筑文化遗产，具有非常珍贵的历史价值，但由于年代久远，结构经受了各种自然灾害及人为因素的影响，

图1　雍和门房屋南立面照片Fig.1　Building photos of south facades

已出现不同程度的损坏现象，有些甚至面临倒塌破坏的危险。为了准确了解结构的现状，发现结构潜在的安全隐患，有必要对现有的古建筑木结构进行系统的检测鉴定。本研究主要通过对北京市雍和门木结构的检测鉴定[1-3]，为类似建筑的检测鉴定提供参考。

1　工程概况

雍和宫位于北京市东城区雍和宫大街路东，约建于清康熙三十三年(1694年)，是北京市内最大的藏传佛教寺院。1961年，被公布为第一批全国重点文物保护单位。1983年被国务院确定为汉族地区佛教全国重点寺院。该寺院主要由三座牌坊，雍和门、雍和宫大殿、永佑殿、法轮殿、万福阁、绥成殿六进大殿及七进院落组成，雍和门房屋南立面照片见图1，总平面简图见图2所示。本研究对雍和门的检测情况进行了介绍。

2　现场检测

2.1图纸测绘

在历史测绘资料的基础上，对雍和门结构平立面及主要构件的尺寸进行了详细的测绘，部分测绘图见图3～5所示。

图2　雍和宫总平面简图Fig.2　General layout plan of the Yonghegong Temple

图3　雍和门建筑平面测绘图Fig.3　Mapping plan of building

图4　雍和门建筑南立面测绘图Fig.4　Southern facade of building

图5　雍和门明间剖面图Fig.5　Profile of the middle room

2.2地基基础检测及结果

1) 基础形式。房屋基础为直方型台基，台帮及台面均由石材砌成，台明高度1.05m。

2) 材质状况。经现场检查，台基石材基本完好，仅少量台基石因风化产生酥碱剥离和断裂。台基照片见图6所示。

图6　雍和门台基照片Fig.6　Photos of foundation

3) 地基基础无损检测。为探明地基基础存在的空洞、裂缝隐患，同时又不对建筑物本身产生破坏作用，本次检测采用探地雷达对结构地基基础进行探查。

探地雷达技术是以不同介质间电性差异为基础的一种物探方法，利用高频脉冲电磁波在媒质电磁特性不连续处产生的反射和散射来确定目标体内部物质分布规律，具有无损、快速、精度高、分辨率高、操作方便诸多优点，比较适宜于古建文物结构的探测。

本次采用的Zond-12地质雷达，天线频率为300MHz，对建筑散水外侧的地面和室内地面进行雷达扫描探查，雷达测试现场照片见图7，测试结果见图8～9。经探查发现，散水外侧地面下方未发现明显空洞等缺陷的迹象，但局部地基含水量较大，导致反射波衰减程度较大；室内地面未发现明显缺陷的迹象，雷达探查结果可作为以后进一步检查的参考。

图7　雷达测试现场照片Fig.7　Photos of radar test

图8　部分室外地面雷达扫描图Fig.8　Part of the image of the outdoor ground radar scan

4) 地基基础变形及承载状况。台基及上部结构未见因地基不均匀沉降而导致的明显裂缝和变形。为准确了解台基的变形情况，现场对房屋的柱础石上表面的相对高差进行了测量。测量发现，柱础石之间存在一定程度的高差，C-5轴处柱础与西南角A-1轴处柱础之间的相对高差最大，为23mm。由于结构初期可能存在施工偏差，此部分高差不完全是地基的沉降差。鉴于目前未发现结构存在因地基不均匀沉降而导致的明显损坏现象，表明建筑的地基基础承载状况基本良好，可仅在后期对柱础石的相对高差进行持续观察测量。如出现明显异常，再采取相关措施。

2.3承重木结构检测及结果

2.3.1木材材质状况勘察

1) 勘查方法。通过观测、敲击等方式对该建筑单体所有能触及的木构件进行普查，记录木构件的材质状况，包括含水率概况，开裂、腐朽等，对部分存在问题的木柱构件再利用阻力仪或三维应力波断层扫描设备等无损检测仪器进行深层分析。

阻力仪是利用微型探针在电动机驱动下，以恒定速度将一根直径约为1.5mm的探针刺入木材内部，从而测出木材相对阻力的一种木材微损检测设备。阻力仪通过微机系统把探针在木材中产生的阻力参数计入到内部的数据采集卡中并换算后显示出阻力曲线图像。阻力仪检测值和木材的密度正相关，阻力的大小能反映出密度大小的变化，所以根据阻力仪曲线的高低对比健康材数据就可以找出阻力仪检测值和构件残余物理力学性能(密度、弹模等)的关系。通过阻力仪在不同位置进针探测可以得到缺陷的平面和立体图[4]。阻力仪现场检测照片见图10所示。

应力波断层扫描仪主要由传感器和计算系统组成。其工作原理：通过敲击安装在被检测木构件上的传感器，使之产生应力波。根据应力波的传播速度，经计算机处理，直接显示木构件内部缺陷的图像，用以判定木材内部质量[5]。应力波现场检测照片见图11所示。

图11　应力波现场检测照片Fig.11　Photos of stress wave test

2) 勘察结果。勘察含水率，外观检查，木柱深层检测三种情况。

(1) 含水率。此次勘查所测得数据显示，雍和门木构件含水率大多在12%～18%之间。

(2) 外观检查。屋顶内梁枋檩等木构件多处存在干缩裂缝，其余木构件未见明显腐朽等缺陷。

(3) 木柱深层检测情况。经普查，木柱材质均较好，没有明显的腐朽，为了进一步检查木柱材质情况，抽取了普查中含水率略高或敲击稍有异常的A-1、A-2、A-6、B-3、B-4、C-3、C-4轴等木柱，进行了阻力仪和三维应力波断层扫描仪的深层检测。检测结果表明，抽查木柱未发现严重缺陷。

阻力仪测试结果：图12～13为部分木柱的阻力仪测试结果，阻力仪检测结果中，橘红色区域表示木材可能存在中度腐朽；红色区域表示木材可能存在重度腐朽或裂缝。

图12　A-6轴木柱阻力仪检测结果Fig.12　Resistograph test results of the A-6 axis column

图13　C-4轴木柱阻力仪检测结果Fig.13　Resistograph test results of the C-4 axis column

三维应力波断层扫描仪测试结果：图14～15为部分木柱的应力波断层扫描仪测试结果，图16为应力波断层扫描仪结果的材质缺陷判定颜色条，由左至右从健康材质逐渐过渡为腐朽材质。

图14　B-3轴木柱材质勘查情况Fig.14　Stress wave test results of the B-3 axis column

图15　C-4轴木柱材质勘查情况Fig.15　Stress wave test results of the C-4 axis column

图16应力波缺陷判定颜色条

Fig.16Color bar of tress wave to judge defects

2.3.2木构件树种鉴定通过树种鉴定可以获得该建筑使用木材的物理力学性质等特性，从而为木构架的结构计算分析及后期需要替换时进行选材提供依据。在不影响建筑外观及不破坏结构和功能的前提条件下，对部分木构件进行取样，经专业人员切片、制片，再由有关专家通过光学显微镜观察，并查阅相关资料进行分析比对后得出树种鉴定结果，部分树种鉴定结果见表1。

表1　部分木构件树种鉴定结果

2.3.3主要木构件及节点受力状态分析了5种情况。

1) 木柱基本保持原状，没有明显的弯曲变形，柱脚与柱础抵承状况良好，未发现柱脚滑移。

2) 部分梁端存在因受力引起的劈裂现象。

3) 梁、柱间的连系出现松动，部分榫卯出现拔榫。拔榫情况主要出现在北侧C轴金柱两侧，金柱与六架梁及单步梁拔榫情况比较普遍，梁架中多处脊柱及童柱等构件卯口下方劈裂的现象，其中个别榫头拔出长度超过榫头的2/5，以及卯口出现受力劈裂的情况，均属于GB 50165-92《古建筑木结构维护与加固技术规范》中评定的残损点。

分析原因主要为：梁架为九檩，六架梁出单、双步梁的形式，金柱将梁架分成两段，两段之间的联系主要依靠单步梁、双步梁及抱头梁和中柱的榫卯连接，而榫卯类型均为半榫，由于半榫连接作用较差，在外力作用下容易出现拔榫现象而导致结构松散。

4) 斗拱未见明显损坏情况。

5) 各轴单步梁及六架梁均已用扁钢进行了拉结加固，其他残损点未进行处理。

典型的木梁架照片见图17所示，部分结构残损照片见图18和图19。

图17　木梁架照片Fig.17　Photos of timber beam

图18　2轴北侧上金枋与童柱连接处拔榫Fig.18　Photos of mortise extraction

图19　1轴脊柱卯口下方劈裂Fig.19　Photos of splitting mortise

2.3.4木构架整体性现场对木柱的倾斜程度进行了测量[6]，测量结果见图20所示，图中柱边的数据表示柱底部3m的高度范围内上端和下端的相对垂直偏差，数字的位置表示柱上部偏移的方向。由图20可见，北侧金、檐柱的上端基本上都向南侧偏移，南侧金柱2-A轴、3-A轴处柱向南侧偏移，2-A轴、3-A轴处柱向北侧偏移。

图20　木柱倾斜测量结果(mm)Fig.20　Tilt measurement results of column表2　木柱倾斜测量结果统计表Table 2　Statistic table of tilt measurement results

序号柱轴线柱顶偏移量/mm(3m标距)柱顶偏移方向倾斜量/%12-A7偏南0.2323-A28偏南0.9334-A17偏北0.5745-A10偏北0.3353-C17偏南0.5764-C3偏南0.1072-D34偏南1.1383-D43偏南1.4394-D28偏南0.93105-D18偏南0.60

古建常规做法中，金柱和檐柱一般设置侧脚，会向中间偏移，2-A、3-A轴柱目前的偏移程度与建造时存在差异，有向外倾的趋势，倾斜程度未超出规范的限制。

2.3.5结构振动测试及结果结构固有频率是结构动力性能的基本参数，结构的固有频率与质量和刚度有关，建筑平面体型、墙体布置、柱高度、结构内部损伤等因素都会影响结构的刚度。GB/T 50452-2008《古建筑防工业振动技术规范》提出了古建筑木结构的水平固有频率计算的经验公式，公式的计算结果主要与结构形式及结构高度相关[7]。实测得到结构固有频率后，可以与规范计算结果或类似形制的古建筑木结构的测量结果进行比对分析，来判断结构的整体性是否存在明显异常，同时也可以预防结构的共振危害。

现场通过脉动法测量结构的固有频率，地脉动是一种很小的振动信号，来源于地壳内部微小振动、地面车辆振动以及风引起的振动等。可通过高精度的传感器和数采系统测量结构对地脉动信号的响应。脉动法的本质是一个宽频带的激振源对结构进行激振，当某个频率与结构的固有频率接近时，会引发结构的共振，即通过结构这一系统对激振源中与结构固有频率接近的频率进行放大处理，从而得到结构的自振频率。

本次使用超低频测振仪及数据采集分析软件对结构进行振动测试，测振仪放置在6轴梁架的天花梁上，测试结果见图21所示。经测试，结构基频为3.00Hz。根据GB/T 50452-2008，固有频率f1=λ1φ/2πH=1.571×52/(2×3.14×4.830)=2.69Hz，与测试结果3.00Hz接近。

图21　振动测试结果Fig.21　Results of vibration measurement

3　检测鉴定结果

根据前面的检测及测试结果，目前，结构整体性能基本良好，仅在连接部位中存在若干残损点，尚不显著影响结构的整体承载，依据《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB 50165-92)，可评为2类建筑，需要对残损点进行处理或进一步观察处理。

4　结　论

本研究介绍了雍和门木结构的检测鉴定方法，本次检测在常规检测的基础上，采用了多种无(微)损测试技术，比如探地雷达、微钻阻力仪、应力波扫描仪、脉动测试法以及树种鉴定，利用多种无(微)损检测技术对古建筑木结构进行综合检测，提高了检测的精度，并可以互相验证、取长补短，保证了检测结果的准确性，这对于古建筑木结构的检测评价和修缮加固有重要的意义。

参考文献：

[1] GB 50165-92.古建筑木结构维护与加固技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，1992.

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[2] GB 50292-1999.民用建筑可靠性鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社，1999.

GB 50292-1999. Standard for appraiser of reliability of civil buildings[S]. Beijing: China Architecture & Building Press， 1999.

[3] GB/T 50344-2004.建筑结构技术检测标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2004.

GB/T 50344-2004.Technical standard for inspection of building structure[S]. Beijing: China Architecture & Building Press，2004.

[4] 张涛， 黎冬青， 韩扬，等. 无(微)损检测技术在木结构古建筑中的应用及发展[J]. 林业机械与木工设备， 2011，39(8):11-12.

ZHANG Tao， LI Dong-qing， HAN Yang，etal. Application and development of nondestructive inspection technique in ancient wood buildings [J].Forest Mach Woodwork Equip， 2011，39(8):11-12.

[5] 陈勇平，黎冬青，李华，等. 古建筑木构件缺陷检测方法发展现状[J].森林工程， 2011，27(4):52-53.

CHEN Yong-ping， LI Dong-qing， LI Hua，etal. Development of defect detection methods for ancient architecture components[J].Forest Eng, 2011，27(4):52-53.

[6] JGJ 8-2007. 建筑变形测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2007.

JGJ 8-2007.Code for deformation measurement of building and structure[S]. Beijing: China Architecture & Building Press， 2007.

[7] GB/T 50452-2008.古建筑防工业振动技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2008.

GB/T 50452-2008.Technical specifications for protection of historic buildings against man-made vibration[S].Beijing: China Architecture & Building Press， 2008.

(责任编辑谢燕)

收稿日期：2014-07-25；修回日期：2015-04-17

作者简介：张涛(1982—)，男，2010年硕士毕业于北京化工大学材料工程，馆员，现从事古建筑保护工作,E-mail: zt0922@163.com

文章编号：1005-1538(2016)02-0053-07

中图分类号：K878.3

文献标识码：A

Inspection and appraisal of the structure of the Qing Dynasty Yonghemen in Beijing

ZHANG Tao1，DU De-jie2，LI Dong-qing1，XU Fu-quan2，CHEN Yong-ping3

(1.Beijing Research Institute of Architectural Heritages, Beijing 100050, China; 2. China Academy of Building Research, Beijing 100013,China；3.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100191,China)

Abstract:Many of the best ancient wooden architectural structures are located in Beijing. These structures have suffered for a long time from natural and man-made damage. Some of these wooden structures face the risk of collapse. It is necessary, therefore, to make systematic measurements and surveys to accurately record the current state of preservation of these buildings and to discover possible safety issues. In this research, Yonghemen was taken as an example to illustrate inspectional and appraisal methods for similar structures. First，a survey and map of the structure was completed，then a detailed investigation and measurement of the stress and deformation states of the bearing members and the primary nodes was carried out. Several nondestructive inspection technologies were adopted during the testing. For instance, radar was used to detect the foundation. Impulse tomography and resistography were used to detect the quality of the wood. Apulsating instrument was adopted to identify the dynamic parameters adopted.Finally an evaluation of the building’s safety issues was made based on the information from the detection methods mentioned.

Key words:Yonghemen; Ancient architecture; Wooden structure； Nondestructive； Inspection； Appraisal