木结构古建筑结构特性的实验研究

(四川工商学院， 四川 成都 611745)

木结构古建筑结构特性的实验研究

袁晓强

(四川工商学院， 四川 成都 611745)

古建筑是我国的传统艺术瑰宝，木结构古建筑历经千年的演变，在今天成为了国家历史文物重点考查的对象。本文以材的特性展开叙述，说明了木结构古建筑的结构特性，讨论了木结构古建筑中榫卯和斗栱的特性。

木结构；古建筑；结构；特性

我国历史文明源远流长，古建筑是我国极具鲜明特色的传统文化产物，在世界建筑文化的领域中产生了十分重要的影响。古建筑不仅气势宏博，更兼有高超的人工艺术，是我国古代劳动人民的智慧结晶，也是华夏民族屹立世界的重要体现。目前，许多木结构古建筑受人为和非人为破坏影响较深，材料已经严重受损，结构性能也岌岌可危，有鉴于此，对木结构古建筑的深入及探索势在必行，为求在维护古建筑方面提供有力措施。

一、木材的特性

与大多数建筑材料不同，木材是一种分子含量较高的天然有机物，并且可以在一定程度上将其再次分解，从性质来看，大多数可分解材料的受力值无法改变，但是木材却与之截然不同。比如，由于部分木材中存有一定的水量，导致其受力产生十分明显的变化；木材的弹性更加趋于平衡化，并且在力的影响下产生永久性的移动和变化，其速度不快，但是随着时间的变化，其受力情况也会有所改变。

我国的木结构古建筑历经朝代的更替与时间的迁移，受气温、环境、生物等影响颇深，材料的质量和结构特性都产生了一定程度的质变，木材腐烂的情况时有发生，其承重能力呈现下降趋势，使木结构古建筑的毁坏程度十分严重。木材的质量与材性对于木结构古建筑来说是现象级的，直接影响了古建筑的质量。

一直以来，我国建筑人员都在探索木材材质变化的主要原因，以及木结构古建筑的损坏是否与其与着很大的联系。因此在上个世纪八十年代，部分工作人员对构成木结构古建筑的木材进行了相关试验，试验的内容主要包括木材的强硬程度、伸拉弹性以及受外来因素影响等。试验结果表明，木结构古建筑的木材硬度是基本保持不变的，但是抗拉、抗压能力呈大幅度下降的趋势，而木结构古建筑之所以断裂的原因正是来源于此。

针对以上情况，我国出台了有关木结构古建筑的相关保护政策，并在我国十五个地区对木结构古建筑的主要构成部分采取抽样调查，并对云杉木、柏以及落叶松进行重点考察，根据相关资料可知，云杉木的弯性能力在原能力的基础上下降了一半，弹力和抗压能力分别在百分之十五和二十五；柏木的弯性能力下降了百分之二十五，弹力和抗压能力在百分之十左右；而落叶松的弯性能力下降了百分之十左右，其弹力和抗压超过百分之三十。总而言之，树木的性质决定了树木种类的差异，进而造成木材质量的变化无规律可言。我国相关人员虽然对木结构古建筑的主要构件进行分析和研究，但是到目前为止还没有找出各种木材的主要变化规律，究其原因，一是研究人员的工作不到位，二是木材材质的变化形态难以琢磨。

二、木结构古建筑的结构特性中榫卯与斗栱

（一）斗栱设计

不得不说，我国当前的许多建筑结构都与木结构古建筑有着十分相似的地方，比如现代建筑中的框架结构就是古建筑的特点之一，但是除此之外，木结构古建筑的框架在节点上的设计是十分具有特色的，而一点是现代建筑无法与之比拟的。节点设计的形式多种多样，其中最难操作的就是斗栱设计。我国的木结构古建筑在各部件之间的连接上处理的十分到位，大多数建筑采用斗栱设计，通俗点说，斗栱设计就是由许多木质材料混合而成的一种设计方案，各木质材料之间的穿插形式交替纵横，这种设计在我国木结构古建筑中已经存在了约一千五百年之久，并且现代的许多建筑师均参照斗栱设计的方案执行建筑设计。斗栱设计是一种高超的设计方案，不仅使建筑的风格体现的淋漓尽致，为建筑结构也起到了十分重要的作用。斗栱设计对建筑对象有着一定要求，通常是为大型建筑服务的，存在于屋内柱子连接屋顶位置的中间部分，斗栱可以看作是一种承接、传递力的作用平台，因为它起到了承接建筑上方力的作用，能够将该部分力转换至建筑的柱子里。斗栱通常设计于屋檐下方，它在承接屋顶力的同时能够产生向外延伸的趋势；如果在室内设计时，斗栱的作用更加明显，使屋内作用于梁枋的力更加平衡。此外，我国古代为了确定建筑参数，对斗栱数据进行了十分精确的测量。

（二）榫卯节点

我们在了解榫卯之前，首先需要了解什么是半刚性。半刚性通常指的是它既不属于刚性，也不属于柔性，而是介于二者之间。我国木结构古建筑是使用榫卯节点的先驱者，致使世界建筑领域也对其展开具体研究与实践，表现如下：

首先，国外建筑人士对榫卯节点进行了具体试验，试验的方法主要是将榫卯节点的主要性能一一降低，根据这种人工的方法来推测自然环境中榫卯节点退化的情况。根据结果显示，榫卯节点的性能刚好处于刚、柔之间，属于半刚性，在对其使用人工退化性能的情况下，节点的内部结构产生了巨大的变化，致使节点的柔性大幅加强，失去了一定的抗弯能力，多种参数模拟的方式使得榫卯节点的试验结果更加准确，并具有一定的现实意义。

其次，柱下石墩和柱底有着密切相连的关系，相关建筑人士认为它属于铰链连接的一种方式，并对半刚性连接的内容与榫卯和斗栱之间的联系做出详细解释，将弹簧参数计算出来，在木结构古建筑中利用弹簧参数对应榫卯和斗栱，并且把二者之间的作用也通过参数的形式表达也来。这一举措主要是为了研究木结构古建筑在力的作用下会产生怎样的变化，而地震响应通常是用虚拟激励法的方式得以实现的，因此试验木结构古建筑的受力情况与虚拟激励法有着一定的相似之处。

再次，国内建筑学者在早期的建筑论坛中曾经指出，木结构古建筑结构特性的研究，与地震响应是极为类似的，但是其计算数值与现实存在着一定的差距，因此在古建筑进行测量、分析的同时，必须使用有限元的计算方式，该方式的具体内容如下：利用房梁的构成信息实现斗栱数据的形成，将斗栱的结构特征精化、细化，栱栱

并且将有限元的计算方式与斗进行有机结合，为了重点考察斗设计的复杂程度，有限元的使用彻底解决了这一问题，同时，木结构古建筑的地震响应也必须以有限元作为实际依据。该方法的确定，使我国木结构古建筑的内容能够更加详细、完整。

最后，在木结构古建筑当中，有关斗栱和榫卯之间的联系一直是我相关人员重点研究的对象，但是截止到今天也无法做出一个科学、合理的有效根据，这主要是因为还没有对斗栱和榫卯的受力情况进行确定。除此之外，许多研究人员在看待节点连接时还比较片面，利用斗栱介于钢与柔之间的特性，模拟斗栱的方式也通常使用半刚性节点，但是这种方式并没有考虑到现实中木结构古建筑的结构方式，因此必须要结合实际情况进行研究。

结束语：

木结构古建筑是我国的艺术瑰宝，更是华夏民族不可缺少的文化组成部分。当前，部分木结构古建筑已经受到了人为和人非为不同程度的破坏，因此，必须采取相关措施保护木结构古建筑。

[1]李敏.木结构古建筑结构特性的计算研究[J].建筑工程技术与设计,2015.

[2]潘毅,王超,唐丽娜,等.古建筑木结构直榫节点力学模型的研究[J].工程力学,2015(2):82-89.

[3]陈平,谢晓宁,陈特.木结构古建筑地震灾害风险评估[J].世界地震工程,2015,31(1):016-21.

[4]谢启芳,郑培君,崔雅珍,等.古建筑木结构直榫节点抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动,2015,01(3):232-241.

TU75

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1007-6344（2017）08-0267-01