古建木结构修复加固前景展望

马江陵

文章从概念、实践、技术等几个方面梳理了国内外有关古木建筑结构木材修复技术加固的最新应用实践与技术，并对其应用前景进行了充分展望。在概念上，应满足我国建筑艺术遗产文化价值观与保护的基本需要，并充分考虑中国各种建筑历史文化和艺术美学的共同特点。在建筑工艺技术系统管理方面，应通过整合多个学科的各种现代工程技术手段，建立系统、严密的建筑工艺管理系统，在技术上，应在不断继承和创新我国传统工艺技术的基础上，积极引进新技术材料、新工艺技术，弥补传统工艺的不足。

中国的建筑形成主要是由于独特的历史地理、气候、文化等自然因素而使木结构建筑作为古代中国建筑结构体系的主流。中国木结构古代建筑历史悠久，种类繁多，体系完整，在当今世界古代建筑中独树一帜，代表着中国丰富的古代物质文明和新的精神文明，具有极高的建筑历史、技术和科学艺术欣赏价值。然而，木材大多是以天然生物材料加工制成的，在自然环境和其他人为因素的长期相互作用下，容易产生木材变形、开裂、腐烂等物理缺陷，影响古代建筑和木结构的一切，造成建筑价值信息的损失。因此，需要对这些古建筑进行不断的保护修缮和人工加固。中国对于古木结构进行保护、修复和人工加固的保护科学技术研究工作起步较晚，经过几十年的不断发展，尽管保护技术水平已经有了很大的进步，但大部分的结构保护修复工作仍以采用传统的保护修复加固方法为主，不可能完全符合国际相关的加固保护技术原则进行延伸。因此迫切需要对于古木结构的保护修复以及加固保护技术工作进行系统性的梳理，并对其保护技术发展现状和目前存在的主要问题难点进行分析，提出了生产保护的概念和技术。

修复加固技术的现状

中国传统木结构建筑技术主要以维护、维修、更新作为主要内容，根据维修项目的规模特点可分为：日常定期维修、重点维修、局部修复、原址重建等。在重点维修加固中，按维修等级可分为整体框架和木结构的维修加固，木结构加固维修是古建筑最基本、最常见的形式。本文综述了常见的裂纹、腐烂、垂直弯曲、滚榫等损伤，以及常用的传统修复加固技术和现代相关技术。

木材是一种生物材料，在适当的温度和湿度下，害虫会迅速繁殖，导致部件腐烂。木柱的劣化是由于其长期暴露在湿气中，通常发生在柱的根部，传统的处理方法主要有挑补、包扎和支墩。当腐烂轻微时，可将其清除，腐烂部分柱体应按照原始工艺要求用干燥后的木材完全进行修复;当腐烂面积不超过柱周长的1/2且底部深度不超过大于腐烂柱底部直径的1/5时，可考虑使用柱式包装法或插入法。包装即通过剔除不良处理腐烂柱的部位，根据剔凿柱的长度、深度和柱面的弧度，制备覆层材料;固定柱体内壁腐烂时，当固定柱体高度直径大于固定柱体高度的1/4，深度直徑大于固定柱体内壁直径的1/2时，可使用采墩板焊接头的方法切断柱体腐烂的部分，更换新材料，在接头处通过新旧材料的榫卯连接;当柱体衰减高度超过柱体高度的1/3或柱体断裂无法连接时，需要更换或增加旧的辅助柱体。

梁、桁架等构件、柱的维修加固方法类似，当腐烂部分较小时，残余部分符合检查计算，需要时卡在应力之间，可用填充、包装方法处理;当腐烂截面较大，上下深度大于构件高度的1/3，小于3/5，且剩余截面承载力不能满足使用要求时，可在零件上添加新材料，采用板夹，钢板支撑等方式填充强心;如果腐烂深度超过3/5，需要更换部件端部或整体。

裂缝主要含义指的不仅是由于整体加工木材在干燥加工过程时其中的加工柱体切向外部运动角度收缩率所导致造成的，它可能大于加工柱体的内径向或外部角度整体加工木材柱身切向运动收缩率，或者说它大于内部径向整体加工木材柱身切向运动收缩率;而且是当整体木材长期干燥过程受制于某种外力时，其中在整体上的力学性能就必然会发生退化，也就有可能甚至会因而直接产生一些柱体裂纹。对于防水裂缝加工柱体上的防水裂缝，传统的多层防水裂缝修补是腻子裂缝加工方法，主要还是可以采用防水埋入式多层防水裂缝修补腻子裂缝加工方法。如果整个裂缝加工柱体上的宽度直径大于m/w≤3mm，可用多层防水修补腻子对其进行防水擦缝;但是当加工柱体裂缝直径一定为3mm30mltl且不一定需要大于整个加工柱体总裂缝直径的1/3时，也应在裂缝处使用旧铁箍;当立柱深度大于立柱直径的1/3或因倾斜和扭转而产生裂缝时，需要在位置矫正后由框架修复，插入木条，并用铁箍固定;当裂纹受到影响可能出现裂纹或斜裂纹时，应进行强度检查，根据情况加固或更换。

梁等横向构件的应力与柱构件的应力不同承受弯曲和剪切作用。对于这种裂纹类型的框架构件，当内部裂纹较轻时，可以直接用裂纹铁箍进行加固，当裂纹较宽时，应同时考虑加铁箍。当建筑构件内部裂缝时间较长时，如坏腐不是很严重，需要在构件裂缝较长处内部浇注一层环保过氧酸酯树脂，然后用铁箍将纸箱固定。当建筑构件的内部裂缝受力宽度超过工程规定受力限值时，应验收计算建筑结构内部构件的裂缝承载力，符合规定受力宽度要求的，仍允许可选择采用裂缝预埋法，不可能符合规定受力宽度要求的，采用加固法。

修复加固技术的展望

对古代建筑文化遗产进行营缮修复和保护加固的主要目的是为了保护古代建筑的历史艺术文化价值，也是一项严谨的科学研究保护工作，需要严格遵循严谨科学的遗产保护工艺原则及工艺操作流程。中国古代建筑保护传统的砖木结构遗产保护工艺技术标准体系在保护理念、工艺、技术以及内容等各个方面都非常迫切需要持续改进和不断创新。

目前，古建筑木结构修缮修复加固以“修补”观念为主，与我国现代建筑木结构中被维修修缮加固的传统观念不尽一致，实践也不健全和完善。未来的传统观念改革应该首先从传统遗产文化价值的维护保存出发，同时也要考虑中国的古建筑具有文化、复古、结构等基本特点，发展以更能满足文化遗产利益保护的实际需要，适应这一历史土壤下的文化遗产利益保护的新理念。我们应遵循现代遗产保护理念，提高遗产保护与恢复研究的严谨性和行为规范性，遵循真实性和完整性原则，在腐烂、裂纹等损坏的修复和加固中，要合理且最大限度地更换材料部件;遵循最小干预原则，仅当材料可能未保留或组件无法满足应力要求时，将作替换。遵循可逆性和可识别性原则，注意可逆性的工艺措施，使新的材料具有一定的可识别性。为了尊重中国传统美学，木材结构的特点和连续性打破了传统的做法，注重建筑形式的完整性、设计性和风格性，如有必要对建筑进行表面修整，在构件的完整性方面有重要意义或对建筑结构的安全性有内在要求酌情更新。在更换材料构件时，它们应具有可识别性，以确保建筑的整体和谐统一，并基于材料的可识别性。

传统的修复加固主要依靠工匠的经验判断，现代新型建筑维修维护加固工程技术尚未完全形成完整的保护体系。由于我国古建筑的主体木结构损伤多样，损伤发生机理复杂，为了做到科学正确地修复其在建筑结构本体上的损伤，必须通过综合多门学科，开展充分的科学研究和准备修复工作，才能尽快制定正确的损伤修复保护策略、技术解决方案和保护工程管理系统。在现代国家进行木结构损伤修复的技术保护管理过程中，应根据我国木结构修复损伤的不同特点，结合三维图像扫描、建筑地理信息数据建模等先进保护工程技术，正视文化遗产权的保护，积极探索构建“中国历史和建筑文化数据分析、建筑绘图和三维扫描建筑信息建模数据分析平台、建筑性能和使用价值标准评估、建筑维修和维护加固技术设计”等，通过古代历史背景调查和古代遗址发掘考古收集历史时期演变、结构特征等历史背景调查资料，了解我国建筑木质结构件的始建年代。

通过三维图像激发和荧光成像技术，结合我国传统三维测绘处理方法，建立从原木结构构件整体到建筑构件的三维深度精细化测绘模型。通过利用红外线产生热辐射图像、三维光学应力和微波成像技术及其他相关科学实验技术探索，调查木结构或建筑构件内部材料损坏性质、损伤处理情况，全面准确掌握建筑构件材料损伤处理特征。在此基础上还可建立“建筑信息模型”，对各种建筑材料结构、构件性能进行基本性能和损伤价值类别评估。构建不同的性能损伤信息模型，如构件腐烂、裂缝等，有限元模型分析和构建虚拟构件修复模型加固，以用于评估构件修复前后的性能安全性和所有者的性能，基于建筑材料创建构件的基本性质和性能损傷类别信息，基于不同时变构件累积后的损伤信息模型即可构建不同损伤类别，对不同构件的性能可靠性类别进行性能评估价值估算。基于建筑构件性能历史性的文化保护分析和现场情况调查数据，根据物质遗产文化保护评估理论和相关法律，建立构件价值观的评估理论模型及其类型。通过构件性能和使用价值观的评估，为构件维修和加固工程设计工作提供可靠的技术理论依据。

中国古代传统建筑与土木结构加固修复技术和加固传统技术的不断演变和发展，根植于中国独特的古代建筑艺术文化设计理念和建筑结构特征。特别注重“以新求全”的建筑理念，流程技术传统结构维修加固技术改造现代建筑结构修复加固维修技术、构件加固维修与结构加固技术、传统结构加固技术维修和传统技术改造现代结构加固技术维修，要注重实践经验价值判断，技术改造内容以运用传统建筑材料和现代工艺技术为主。这一加固技术改造体系有效维护保持了我国传统古代建筑作品展览技术发展史，并成为世界建筑文化遗产“真实性”技术内容的一部分，但这种传统的木材修复技术在不能完全满足现代建筑遗产保护的同时，现代维修加固技术不能很好弥补传统技术体系的不足。

未来基于建筑遗产保护理念，基于多学科合作，采用新技术和材料继承传统技能，与现有技术相比，技术体系正在积极改进和完善。在保护观念上，应从保护符合我国现代建筑遗产修复保护的基本原则高度出发，尊重中国强化传统建筑文化保护观念、美学和现代建筑艺术特色，提高建筑遗产修复保护与建筑修复的“研究性和严谨性”，保护现代建筑文化遗产的核心价值观和信息。在建筑工作保护流程上，要充分结合现代建筑结构文化、测绘、构力学、计算机科学等多门学科，充分利用各种现代科学技术手段，建立一套系统严密的遗产防护建筑工作技术流程管理体系，通过系统科学的技术评估结果分析，制定合理的建筑维修保护加固措施方案。在保护技术管理内容上，要不断继承和发展传统保护技术的基础上，积极探索采用新技术材料、新工艺技术，弥补弱化传统保护技术，不断更新和建立完善特色的木结构遗产保护工程技术管理体系。通过保护观念技术改进、工作保护流程技术改进、材料保护技术创新，以更好地维护保存东方古建筑的原始主体形态、结构和所用材料，形成符合现代建筑遗产修复保护的实际需要。

作者单位：中国石油大学