古建筑木结构的寿命预估

李灿 赵庆双 倪广庆 刘新玉

摘要：木结构具有良好的抗震、环保等性能，美国、加拿大和日本等国家都有很多木结构住宅。中国的历史文化悠久，许多恢宏的殿堂、古塔等木结构建筑保留至今，充分体现出我国劳动人民的智慧。但是有些古建筑在经历了千百年的地震、风霜雨雪等外界作用后，有些木构件会发生腐蚀，建筑的承载能力和耐久性能大大下降，甚至遭到破坏。因此对古木建筑的剩余寿命进行判断预估，对木结构的修缮和维护具有重要意义。

关键词：古建筑；木结构；寿命预估；修缮

木结构建筑是我国传统的建筑形式，经历了漫长的发展过程，是中华民族优秀传统文化的体现。但是由于受外界环境的影响以及一些人为作用，有些木结构建筑承载能力和耐久性能大大降低，最终毁坏。为了将这些历史文化瑰宝传承下去，我国也对一些建筑进行了修缮保护。传统的修缮工作一般是在结构发生破坏后才进行的，修缮后不免引起损伤的继续发展，难以恢复原有的状态。如果通过定期巡检、监测与评估来了解古木结构的情况，在突发情况以及灾害发生前就给予判断与预测，将会大大减少灾害与病变所引起的损失。本文旨在通过对目前已有的寿命预估方法进行系统的比较分析，找出不同方法之间的异同，对我国古木建筑结构的维护和修缮工作提出一些合理化建议。

一、木结构寿命的影响因素

木材的主要成分是纤维素和木质素等，若木材长期处在潮湿的环境中，会滋生大量的真菌、虫蚁，从而导致木材腐朽。腐蚀、蟲蛀都会不同程度地引起木构件截面积减小，承载能力降低，结构性能严重退化。调查显示，在美国由于木材腐蚀造成的损失巨大，每年超过52亿美元[1]；澳大利亚的木结构住宅由于构件腐蚀引起建筑结构抗力衰退，也曾导致许多木结构住宅发生抗风破坏。

在长期荷载作用下，随着时间的增长及木材本身材料的降解，其拉伸、压缩、弯曲及剪切等性能降低，导致木材开裂，或者使木构件的跨中产生过大的挠度，经过长期发展，容易导致木梁弯曲失效。此外，火灾、洪水、暴雨等灾害对木结构也有很大的影响。

人为作用不可忽视。近年来，旅游业蓬勃发展，有一些古木建筑也因历史悠久、保存完整而吸引了大量的游客前来观赏。但是巨大的人流量也给这些古建筑带来了沉重的负担，游客在木构件上乱写乱刻的现象时有发生，破坏了外面的保护层，加速了木构件的破坏。经营者追求利益却不注意控制客流量，古木建筑缺少应有的保护。

二、寿命预估方法

王雪亮[3]根据此腐朽深度经验公式，并假定在任意服役年腐朽深度服从正态分布，建立了腐朽深度的随变模型和抗弯强度退化模型，得到了多种随机变量和确定性函数的关系。姜邵飞[4]也在腐朽深度经验公式的基础上提出考虑结构在承载能力极限状态和正常使用极限状态下，采用Gerhards/Weibull模型预测结构的承载能力和变形值的置信区间与极限寿命，通过对两者的计算结果作出科学合理的判断。

（二）长期荷载对古建筑木结构的影响

木材在长期荷载的作用下强度会降低，这种现象叫作持续荷载效应。瞿伟廉[5]在Gerhards损伤积累模型的基础上推导了恒载长期作用下木材残余强度的衰减模型。

三、古木建筑维护修缮建议

（一）建立更加完善的政策法规

欧洲、亚洲的一些国家在古建筑保护方面的措施比较完善，它们有着共同的特点，根据时代发展和形式变化，不断调整古建筑保护的政策和法律法规，而且调整的方向趋于更加严格的管控。相关法律的不断调整和细化，可以避免文化景观、历史建筑成为商业谋利的工具，不仅有利于传承历史文化，还可以大大降低火灾等意外隐患。相比较国外已经形成的整套历史建筑法律保护体系，国内对此缺乏系统而全面的研究，我们可以借鉴发达国家的经验，进一步完善或重新修订相关政策法规。

（二）从不同技术角度修缮加固

1.整体加固

对于建筑物外闪较为严重，大构件完好，只需替换小构件的情况，需要对整体梁架进行支顶，复位已发生扭转倾斜的构件，同时对破坏严重的构件进行修补或替换。在古建筑木结构位移较小、变形不大的情况下，不用拆卸木架，直接进行整体加固。对于木构架腐朽严重、发生严重断裂、产生过大挠度的情况，则需要进行落架大修。

2.局部修缮

古木建筑屋脊、飞檐等处都会用生动的彩绘油画装饰，这些装饰在环境气候因素、自身老化以及人为破坏等因素的影响下，会褪色、变色、龟裂、脱落，可以根据不同程度的破损进行修复。传统木结构的装修经历若干年后，造成装修构件的脱榫、松动、损坏等，要根据不同时期的装修装饰风格进行修缮维护。

四、结语

古木建筑融合了各种传统艺术，特别是在绘画、雕刻、工艺美术等造型方面，创造出很多丰富多彩的艺术形象，侧面反映了古代人类社会的政治、经济、文化和艺术。剩余寿命在木结构古建筑的结构评估中起着非常重要的作用，开展对木结构古建筑剩余寿命的预测，可以有效地修缮维护这些文化遗产。

基金项目

2016年山东省教学改革研究面上项目（项目编号：Z2016M044）；2019年度聊城大学科研基金立项（项目编号：318011901）；聊城大学大学生创新创业训练校级一般项目（项目编号：cxcy2020y217）。

作者简介

李灿，1999年生，女，汉族，山东临沂人，本科，研究方向为古建筑防护。

参考文献

[1]杨忠，江泽慧，费本华，等.SIMCA法判别分析木材生物腐朽的研究[J].光谱学与光谱分析，2007（4）：686-690.

[2]李瑜，瞿伟廉，李百浩.古建筑木构件基于累积损伤的剩余寿命评估[J].武汉理工大学学报，2008（8）：173-177.

[3]王雪亮，郭君慧，王小丽，等.基于可靠度理论的腐朽木梁剩余寿命评估[J].武汉理工大学学报，2015，37（7）：74-77.

[4]姜绍飞，唐伟杰，李猛，等.考虑长期腐蚀影响的古建木结构极限寿命预测[J].福州大学学报（自然科学版），2017（4）：547-552，558.

[5]瞿伟廉，王雪亮.基于DOL强度衰减模型的古建筑木桁架的剩余寿命预测[J].华中科技大学学报（城市科学版），2008（3）：1-4，9.