江津奎星阁保护性修缮中科技手段的应用分析

张亮

（重庆市江津区文物管理所，重庆 402260）

古建筑是中华优秀文化遗产的重要载体。我国古建筑以木结构为主，随着木构架建造技术的不断发展，自宋代李诫著《营造法式》以来，中国传统木结构建筑已成为世界三大建筑体系之一①。木材存在易受腐蚀、易受虫蛀等弊端，在物理及化学长期作用、昆虫和微生物侵害及人为破坏下，木结构易出现霉变、腐朽、虫蛀、节点松动等病害，亟待通过预防性保护提升其性能以期“延年益寿”②。传统古建筑木结构修缮主要根据工匠个人经验，通过目测、敲击、辩声等来判断构件残损程度，从而确定维修范围，其检测结果往往不够准确。例如泾县吊栋阁在修缮过程中通过测绘拍照分析了古建筑破坏原因，并在此基础上确定了后续修缮方法③；黄荣凤等根据目测、皮罗钉径向检测评估木材材质状况④。同时，在修缮过程中，为确保达到“修旧如旧”的目标，贴换木构件应与原材料保持一致，但古建筑修建年代久远，往往找不到合适替换木构件和合理的施工工艺。贺欢通过含水率、木材强度测试对比对腐朽构件进行替换⑤。修缮完工后主要以纠偏是否到位、病害构件是否完全替换等为依据对修缮效果进行局部评价，高延安等通过环境激励测试对修缮后飞云楼的整体状态、抗震性能进行了分析评价⑥。为遵循文物保护最少干预、可识别性及可逆性原则，应尽量减少人工检测、修复发生的误判情况，避免人为“保护式破坏”。张艳霞等采用应力波与阻抗仪对木构件进行检测，得到了结构的腐朽与残损情况⑦；在河南少林寺初祖庵大殿阑额残损修复中，利用超声波无损探伤仪进行检测与分析，得到了构件残损点位置⑧。

科技手段在古建筑木结构修缮中得到了越来越多的应用，但从修缮前、修缮中及修缮后的全过程应用科技手段的案例不多。鉴于此，本文以江津奎星阁保护性修缮为背景，修缮前，在传统方法基础上，通过增加超声波仪、贯入度测量仪等缩小了维修范围，借助显微镜、电镜、X荧光分析等手段，测取木材含水率、成分分析、含盐量等指标，科学开展新老材料的比对评估，提升施工质量控制水平；使用加速度传感器、应力波等手段开展后期检测评估工作，对修缮后结构整体状态进行评估，确保修缮效果。通过科技手段全过程、全方位引入，为类似古建筑的保护性维修提供了参考。

1 江津奎星阁维修范围的准确判定

江津奎星阁（图1）始建于乾隆四十二年（1777），为重庆地区仅存的清代奎星阁建筑，通高为23.8m。该阁在清代营造法式的基础上，在斗拱、彩绘等方面融入了当地文化特征，极具地方特色，对研究重庆地区明清建筑具有重要意义，2009年被评为重庆市文物保护单位。奎星阁一直存在屋面局部漏雨，部分梁、檩和椽糟朽，虫害，歪闪与压裂变形，油漆、彩绘大量起甲、脱落等问题。经现场人工勘察发现二层西侧外檐柱墩接失效，发生侧移，造成三层梁架整体向外倾斜7cm，致使龙头挑受力结构变化而断裂；部分承重构件有明显下挠倾向，开裂变形，木屋架有劈裂折断，架端节点腐朽、锈蚀严重，部分柱梁构件敲击有空鼓声音，疑存在中空现象。为进一步明确维修范围，在现场引入超声波、应力波等无损检测手段。

图1 奎星阁立面图

超声波检测：超声波是一种频率高于20000Hz的声波，具有方向性好、反射能力强、易于获得较集中的声能等优势⑨。超声波检测是在不损坏检测对象的前提下，利用被检测材料与缺陷的声学性能存在差异的特点，使用相应超声波检测设备与器材，通过超声波在传播过程中的反射、折射、衍射情况和传播时间、能量变化，对检测对象内部、表面进行测试，并对结果进行分析和评价，检测原理如图2，某木柱检测情况如图3。

图2 超声波检测原理

图3 超声波检测情况

应力波损伤检测：健康的树木能够进行良好均匀的声波传导，而腐烂的内部会出现空洞，致使声音传播不均匀，应力波检测仪利用声波在健康树木中的传播速度远高于在有空洞的树木中的传播速度，布置多个传感器，通过发射的声波到达各传感器的时间差，推算出空洞的位置，并通过成像算法映射得到腐烂的位置示意图像，其检测原理如图4所示。对奎星阁边缘6根通柱进行损伤检测，分别在1～2夹层、2～3夹层进行测试。限于篇幅，仅列出其中一根通柱监测结果，检测结果如图5，图中绿色代表该区域完好，红色代表该区域存在腐朽，蓝色代表该区域存在空洞。从图可知该构件有大面积空洞腐朽，存在严重缺陷。通过超声波、应力波无损检测，新发现部分木柱空鼓、糟朽引起强度减弱以及角挑断裂等情况。因此，在原人工检查的基础上增加了二层龙头角挑更换，与此相连的3层外檐柱的墩接处重新加固处理。同时，对发现有糟朽、开裂和内部中空的木构件用挖补楔塞、环氧树脂灌浆加固的方式予以维修加强。

图4 应力波损伤检测原理示意图

图5 应力波损伤检测结果（左图1～2夹层，右图3～4夹层）

2 替换构件材质检测

为科学地对新旧建筑木材进行比对评估，全面了解奎星阁原有木结构现状，为后续替换或原状保护修缮工程施工工艺的选择提供科学依据，分别使用显微镜、电镜、X光对木材含水率、成分、含盐量等进行分析，帮助选取与原木材质相近的木材进行替换。

木材含水率检测：木材的含水率高低会影响木材的强度与后期彩绘的涂装等。当含水率高，涂装后的木制品还可与外界进行水分交换时，木材中的水分与空气中的水分会互相流动直到达到平衡，这时的木材含水率称为平衡含水率，可以理解为木材的含水率与空气中的含水率达到平衡状态。当木材含水率低于平衡含水率，会从空气中吸水，木材会发生膨胀；木材含水率高于平衡含水率，会失去水分发生收缩，造成木制品因收缩而翘曲变形、开裂。因此，为了避免木质结构破坏，其含水率必须控制在平衡含水率下。

需要注意的是，因地理位置的差异，我国各地气候不尽相同，重庆地区木材平衡含水率为16%～18%⑩，本次测试中原木构件含水率检测数据如图6所示。由图6可知奎星阁原木材实测含水率略偏高于重庆平衡含水率，不利于后期彩绘涂装修缮过程的进行，且长期含水率偏高，可能会造成木材腐变损坏。根据重庆地区木材平衡含水率值大小，选取适合的木材对原木材进行替换修缮，选取木材的含水率如图7所示。由图7可知相比于原木材，修缮所用木材含水率大多位于18%以下，与重庆平衡含水率更为接近，更易于进行后续彩绘涂装等工作，且可避免后续失水过多导致木构件翘曲变形。

图6 原木材含水率测试

图7 修缮木材含水率测试

离子浓度检测：木结构包含的离子浓度的高低会影响其保存时间的长短，离子浓度过高不利于木制文物的长期保存⑪，故可根据对新旧木材离子浓度的检测推测旧木材的腐朽程度及完成新木材的选择。分别对现场新旧木材取样进行离子浓度测试，测试仪器如图8所示，测试结果列于表1。由表1可知新杉木相较于老杉木离子浓度较低，可用于对老杉木构件的有效替换，延长古建筑木结构的使用寿命。

图8 离子浓度检测仪

表1 离子浓度检测结果

3 动力特性测试

为了解修缮后结构整体性能，对奎星阁进行环境激励下动力特性测试。为尽可能多地记录结构的振动信息，在每一通柱柱脚处布置水平测点，测点方向沿边长方向布置，每层共布置6个传感器。传感器在平面内的布置如图9所示。使用频域分解法对二层明层至盔顶层各层1～4号柱柱脚位置处测点数据进行分析，得到功率谱密度-频率曲线如图10～图12所示。由图10～图12可知在各层的功率谱密度函数曲线中，除盔顶层识别频率存在细微的差异外，通过峰值点拾取识别所得到的频率基本一致，表明识别结果的准确性。其中，在各层功率谱密度曲线中，随着频率阶数增加，对应的功率谱密度峰值总体上呈降低趋势，表明结构的振型参与系数随模态阶数增加而减小。取各层功率谱密度曲线上相应于各自频率的峰值，采用半功率带宽法⑫计算并平均得到结构的各界阻尼比列于表2。为便于对比，给出《古建筑防工业振动技术规范》中古建筑木结构自振频率的经验计算公式⑬：

图9 传感器平面布置示意图

图10 二层明层功率谱密度曲线

图11 三层明层功率谱密度曲线

图12 盔顶层功率谱密度曲线

表2 动力特性参数

式中：fj表示结构的第j阶固有频率；H表示结构的计算总高度，其取值为台基顶至顶层檐柱顶的高度；λj表示结构第j阶固有频率计算系数；φ表示结构的质量刚度参数，两重檐以上楼阁取为60。根据奎星阁结构参数，估算出其第一阶自振频率为1.248Hz。

实测获得结构的基频为1.5Hz，与动力特性预估值1.248Hz之间的相对误差为16.8%，实测频率大于预估频率，这一方面是因为在理论计算时，将奎星阁完全视为木质结构，而事实上靠近地面的两层檐柱为石柱，其刚度大于对应截面木柱；另一方面，在此前的结构修缮过程中，为了增加结构连接强度，结构节点处使用了钢板进行加固，这进一步增加了结构刚度，从而使得实测频率高于理论估算频率。

4 结语

针对传统目测、敲击等检测手段不够准确的缺陷，本文将科技手段引入奎星阁古木结构修缮前、中、后全周期过程中。结果表明，科技手段能够达到科学判定木构件内部残损、有效控制施工过程质量和合理评估修缮效果的目标，可为类似古建筑保护性修缮提供借鉴。所得结论如下：①修缮前，通过超声波仪、应力波无损检测仪等对奎星阁构件进行损伤检测，高效确定了待修缮构件位置及损伤程度，缩小了维修范围，为后续修缮工作奠定基础。②修缮中，通过离子浓度检测仪、含水率检测仪等对木材含水率、含盐量进行检测，将新老材料进行对比，选取了与重庆地区平衡含水率更为接近、离子浓度更低的构件，有效控制了施工过程质量，完成了木构件修缮替换。③修缮后，通过动力特性测试结果实现奎星阁整体性能评估。结果显示，木塔各阶阻尼比位于0.010～0.044，处于正常范围内，表明结构在外界激励下拥有良好的耗能作用，整体抗震性能良好。

注释

①徐龙.《中国古建筑文化集锦》：中国建筑中的艺术美学[J].建筑学报，2022（1）：125.

②袁霄，陈勇平，郭文静.古建筑木结构多发残损的特征及防控分析[J].木材科学与技术，2021，35（5）：54-59.

③倪艳，唐根丽，张泽培，等.木结构古建筑的保护及修缮方法研究：以泾县吊栋阁为例[J].价值工程，2019，38（23）：238-240.

④黄荣凤，伍艳梅，李华，等.古建筑旧木材腐朽状况皮罗钉检测结果的定量分析[J].林业科学，2010，46（10）：114-118.

⑤贺欢.我国文物建筑保护修复方法与技术研究[D].重庆：重庆大学，2013.

⑥高延安，杨庆山，王娟，等.环境激励下古建筑飞云楼动力性能分析[J].振动与冲击，2015，34（22）：144-148，182.

⑦⑬张艳霞，王彦，张国军，等.应力波和阻抗仪技术在古建筑木结构检测中的应用[J].工程抗震与加固改造，2019，41（1）：145-151，157.

⑧刘义凡，李哲瑞，张晓兰，等.超声波无损检测技术在古建筑检测中的应用：以少林寺初祖庵大殿阑额为例[J].工业建筑，2021，51（5）：37-43.

⑨于帅帅.木构古建筑缺陷检测方法发展现状及其展望[J].林业机械与木工设备，2016，44（11）：4-5，13.

⑩顾炼百.木材干燥：第3讲：木材的平衡含水率及其应用[J].林产工业，2002（4）：43-46.

⑪秦术杰，杨娜，曹宝珠，等.故宫同道堂木结构的残损分析及保护建议[J].土木与环境工程学报（中英文），2022，44（2）：119-128.

⑫Baisheng Wu.A correction of the half-power bandwidth method for estimating damping[J].Archive of Applied Mechanics，2015，85（2）：315-320.