砖木结构低矮古建筑抗风安全性鉴定分析

■ 陈佶豪 CHEN Jihao

0 引言

优秀古建筑是文明的传承，也是历史的见证，因此，对优秀古建筑的保护有重要意义。风荷载不仅对高耸、大跨度结构有控制作用，对低矮古建筑的安全性也会产生不利影响。在古建筑的房屋检测鉴定中，我们需要对受检建筑的抗风薄弱部位给予足够重视。

1 古建筑的结构体系概述

砖砌体和木材是中国古建筑的主要建筑材料。古建筑中，对于建筑设置在周测的外墙及承重隔墙普遍采用砌体结构，在兼顾建筑抗风、防火功能的同时,肩负着竖向承重及提高整体结构抗侧刚度的使命。对于庙宇殿堂、宴会大厅等大空间区域，一般设置于房屋正中，以木结构为受力骨架且常常饰以木刻雕花（图1）。根据不同建筑空间的需求，木结构布置方法又可分为抬梁式、穿斗式、井干式木构架。

图1 木结构构件饰以雕花

此外，屋盖也是古建筑的重要组成部分，通过斜率为25～30°间的坡屋面组合，形成双坡屋顶、四坡屋顶、歇山屋顶及庑殿屋顶等不同造型，并常在屋脊处布置吻兽雕塑（图2）。屋盖不仅是房屋外形的点睛之笔，同时也彰显着房屋主人的身份地位。

古建筑的竖向荷载主要由屋面或楼面通过木檩或木梁传递给中部的木结构，最终通过木柱将竖向荷载传给基础；古建筑的水平荷载（风荷载等）一般由隔墙或屋面通过楼板或木结构将水平荷载传递给周侧的砌体外墙，最终通过砌体墙将水平荷载传递给场地地坪。

由于其建筑功能的精美和结构构造的重要性，优秀古建筑的建筑屋面及木结构往往是建筑的重点保护部位。因此，在古建筑房屋检测、保护的过程中，相应结构、建筑构件的重要性不言而喻。

2 古建筑的房屋检测

古建筑的房屋检测鉴定工作责任重大。为了能更好地保护古建筑,并对其修缮维护工作提供针对性的方向及科学依据，本文将结合某典型文物古建筑工程实例，对砖木结构低矮古建筑，尤其是其重点保护部位（屋面及木构架）的安全性鉴定进行分析。

该文物古建筑始建于清代，旧时为土地庙，曾遭日军炮火袭击，于民国时期败落，房屋整体损伤严重（图3）。土地庙正殿坐北朝南，正脊端部装饰带庙宇特征。房屋外围承重结构采用砖砌体墙，正殿正中通过两榀抬梁式木构架营造建筑大空间；正殿东西两侧各采用一榀穿斗式木构架与配房进行分隔，并以100 mm厚黏土青砖墙填充，局部开门洞。圆木檩条搁在四榀木构架上形成屋面主结构上，檩条上设木椽并依次铺望砖、油毡、小青瓦，形成硬山式屋顶，坡屋面高度为3.25～6.3 m（图4、5）。

在房屋安全性检测中，为了对古建筑的损坏情况有一个初步判断，首先应对受检古建筑进行完损检测，并重点检查其重点保护部位。古建筑检测中除了需要对主要结构构件的损坏及缺陷密切关注外，也需要对建筑做法、结构构造进行仔细复核，并对上述内容进行详细的记录与分析。

古建筑由于年代久远，资料不全。因此，房屋检测应对古建筑进行建筑、结构的测绘，得到建筑主要构件的尺寸及定位，为后续鉴定、修缮及保护等工作提供必要的资料；此外，还应对整体房屋及主要结构构件的倾斜、挠度进行测量并记录。在本次土地庙的测绘工作中，为了获取更为详细、全面的房屋尺寸及变形信息，特采用了三维扫描技术对土地庙重要的正殿区域进行测量并绘制结果（图6）。

为了科学的评价房屋的安全性，对古建筑的主要结构材料进行材性鉴定及检测。检测过程中应该尽量使用无损检测技术，以保证古建筑的完好和原真性。

根据房屋测绘图纸、结构材性检测结果及相关变形数据，并结合房屋的完损检测结果，可开展下一步房屋安全性鉴定的工作，本文主要对古建筑抗风安全性鉴定展开论述。

图2 屋脊饰以吻兽雕塑

图3 某文物古建筑内景

图4 古建筑平面图

图5 抬梁式木构架结构立面图

图6 三维扫描分析图

3 古建筑的抗风安全性鉴定

鉴定分析采用房屋实测的构件定位及材料强度，其中,对于古建筑中干缩开裂的木结构材料强度及弹性模量,结合《既有建筑物结构检测与评定标准》（DG/TJ 08—804—2005）第4.9.5条进行相应折减，保证后续鉴定的可靠性。一般情况下，在整体鉴定分析中,应考虑主要结构构件的变形、倾斜等几何不利条件；在构件的承载力验算中，应考虑现场检测所发现的构件局部缺陷等材料、截面不利因素。

对受检房屋主要荷载进行取值，其中：屋面恒载1.3 kN/m2，屋面活载0.5 kN/m2，雪荷载0.2 kN/m2，基本风压取值0.55 kN/m2；对于风荷载标准值，除了和基本风压有关外，还与风压高度、风荷载体型系数及风振或阵风效应有直接关系。

根据受检古建筑周边的实际建筑地貌取地面粗糙度C类，对应《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）（以下简称《荷载规范》）中的表8.2.1，取风压高度变化系数为0.65，且由于高度较低取风振系数为1.0；同时，按受检古建筑整体实际外立面形状，对该文物古建筑整体房屋较为不利的横风向工况下风荷载体型系数典型取值如图7所示。

根据相关专家评审意见，该屋面望砖做法有一定的历史价值，且为此古建筑坡屋面做法的重要组成部分，属于重点保护部位。但在风荷载作用下，望砖对于屋面整体性的贡献较差，无法将较柔的木构架和较刚的砌体墙有效结合并协调工作。因此，风荷载无法直接、有效地传递给砌体结构，从而在抗侧承载力较为薄弱的木构架中形成应力集中。

风荷载是空气对流造成的。气体在流动的过程中遇到障碍物会产生涡流，这种涡流会对建筑的局部产生较大的压力或吸力。根据风洞试验及分析，尽管常规古建筑外形较为规则、简洁，但其不同区域风荷载响应差别仍然较大。通过相关研究[1]对不同坡度屋面风压系数分布的描述（图8）可知，仅考虑整体建筑风荷载体型系数，可能无法真实反映局部木构架的最不利情况。考虑到房屋室内有空气对流条件且气流可以从任意方向吹来，鉴定中分别考虑鼓风效应及吸风效应，与室内外风压系数分别组合并取包络值进行鉴定分析。按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022—2015）中的表4.2.2对其建筑坡屋面木屋架的横风向局部风荷载体型系数进行取值（图9），此时阵风系数取值1.1。

图7 整体建筑横风向风荷载体型系数取值

图8 不同坡度屋面的风压系数分布

图9 木屋架横风向局部风荷载体型系数取值

对于木檩条，由于单构件受风面积较小，在屋面风压系数较大的位置更容易出现风荷载作用下应力集中的情况。根据《荷载规范》中第8.3.3条及第8.3.5条，对受检文物古建筑最不利木檩条取外部局部体型系数为：风吸工况下-1.5，风压工况下+0.7；同时，考虑受检房屋室内有空气对流条件，根据其外表面风压正负情况，按最不利取内部局部压力系数±0.2进行叠加计算。考虑到檩条不属于直接承受风荷载的构件，故根据《荷载规范》相应进行受风面积的系数折减，此时阵风系数取值2.05。

根据以上参数及荷载取值，对受检房屋典型的抬梁式木构架在较为不利的横风向作用下结构响应进行分析对比（图10）。

按计算分析所得的构件内力，根据《近现代历史建筑结构安全性评估导则》（WW/T 0048—2014）第5.3.3条，对基本组合的系数进行取值，并分别整理成两种对比工况。古建筑坡屋面一般是不上人屋面,其屋面活载不需要与风荷载同时考虑组合。

图10 抬梁式木构架典型构件编号

表1 基本组合荷载工况

表1中，工况B为两种基本组合工况的包络值，分别考虑按房屋整体风荷载体型系数（风体型系数取值见图7）影响下的计算结果，以及按房屋局部风荷载体型系数考虑（木构架风体型系数取值见图9，木檩条计算取值见本文相关描述）影响下的计算结果。分别就工况A与工况B的计算结果比值进行统计并对比，其中，相关典型构件弯矩和轴力分析结果对比见表2、3；同时，分别根据各构件的受力情况，按拉弯或压弯构件进行承载力验算，并统计各构件应力比（表4）。

对比表2、3中数据可知，风荷载对部分构件内力影响较大（如木梁1及木柱2），甚至有时会影响最终的鉴定分析结果。由表4可知，受检房屋木檩条严重不满足安全性要求，木梁1略微不满足安全性要求，且其控制工况均为风荷载参与的基本组合。

根据检测及鉴定结果可知，虽然受检古建筑仅有1层且层高较小，屋面做法自重（屋面自重1.3 kN/m2）也明显大于一般的轻型屋面（一般轻型屋面自重≤0.8 kN/m2），但由于其水平荷载无法通过屋面进行有效传递，风荷载内力基本组合会成为部分木结构构件的控制工况。经复核，局部不满足风荷载组合工况的木梁1为主要承重及框架抗侧构件，其一旦破坏，将可能引起整体木结构体系的连续损坏甚至倒塌。

表2 典型构件弯矩比值

表3 典型构件轴力比值

表4 典型构件应力比

进一步分析可知，风荷载影响比较明显的主要构件主要是承受竖向荷载较小且对水平荷载比较敏感的抗侧力构件；此外，由局部风压分布集中造成的风荷载响应会控制相关结构构件的鉴定计算结果。

4 结语

屋面及木构架结构通常是优秀古建筑的重点保护对象。在低矮砖木结构古建筑的房屋检测鉴定中，简单地仅凭经验而忽视风荷载的作用，有时会影响相应木结构构件的鉴定结果，从而造成疏漏与隐患，不利于古建筑的保护工作。

在房屋结构抗风的安全性检测鉴定中，我们应该在完损检测阶段仔细复核水平抗侧力体系的传力路径，以及结构是否存在构造缺陷；在分析鉴定阶段，既要计算房屋整体的风荷载响应、也要考虑局部风压引起的应力集中，从而保证受检房屋可以安全地接受使用年限内一系列风荷载的考验。此外，对于古建筑的检测鉴定，还需要注意屋脊、女儿墙及大悬挑木椽或类似局部风荷载体型系数较大的建筑做法，其精美的建筑外型背后往往会造成相应的结构构件甚至是整体结构体系的承载力负担。

对于结构主要构件抗风安全性存在隐患的优秀古建筑，在后续的修缮过程中，需遵循不改变文物原状的原则。建议对具有安全隐患木构件的既有相邻砌体墙，采用加强抗侧刚度的加固方法进行修缮；若有必要，也可对相应木结构与砌体结构连接节点相应加强。这种改变传力途径，减少木构架水平荷载作用的加固方法，可以最大限度地保证文物建筑重点保护部位的原真性。