木材是人類建筑史上應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)的建筑材料之一，已有數(shù)千年的使用歷史，木結(jié)構(gòu)是單純或主要由木材承受荷載的結(jié)構(gòu)，在中國(guó)現(xiàn)存的古建筑中，木結(jié)構(gòu)占有相當(dāng)大的比例。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，北京現(xiàn)有國(guó)保、市保、區(qū)保等文物建筑1700余處，其中木結(jié)構(gòu)建筑有1200余處，約占71%。然而木材作為木結(jié)構(gòu)建筑最主要的組成部分，由于其生物材料特性，容易發(fā)生開裂、蟲蛀和腐朽等缺陷[1-2]，尤其在屋頂漏雨、空氣潮濕時(shí)，腐朽發(fā)生率更高、速度更快[3]；同時(shí)木構(gòu)件在長(zhǎng)期局部受壓情況下也會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件變形或節(jié)點(diǎn)破壞等問題[4-6]，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致構(gòu)件斷裂，這些都成為結(jié)構(gòu)隱患。長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐證明，古建筑的修繕大都緣起于木結(jié)構(gòu)的損壞[7-8]，而木結(jié)構(gòu)的損壞又多是由于木材本身的損壞造成的。因此，為保護(hù)這些古建筑，保存歷史文化信息，除做好現(xiàn)有的古建筑木結(jié)構(gòu)日常保護(hù)和修復(fù)加固工作外[9-11]，開展相應(yīng)的勘察統(tǒng)計(jì)與研究工作同樣不可或缺[12-13]。鑒于此，筆者基于北京、浙江、江蘇等地木結(jié)構(gòu)古建筑勘察情況，總結(jié)古建筑木結(jié)構(gòu)最容易殘損的位置和主要?dú)垞p類型，分析殘損產(chǎn)生的原因，并提出避免殘損發(fā)生的措施，為更有效地保護(hù)木結(jié)構(gòu)古建筑提供技術(shù)支撐。
1. 古建筑木結(jié)構(gòu)殘損勘察技術(shù)
古建筑木結(jié)構(gòu)勘察技術(shù)是指以外部損傷檢查、內(nèi)部損傷探測(cè)、病蟲害檢測(cè)、木材強(qiáng)度檢測(cè)和木材取樣分析為基礎(chǔ)的木構(gòu)件現(xiàn)狀評(píng)估，以及結(jié)合結(jié)構(gòu)布局調(diào)查和建模的木結(jié)構(gòu)建筑整體安全狀況評(píng)價(jià)，并根據(jù)殘損點(diǎn)分析，提出構(gòu)件針對(duì)性保護(hù)以及預(yù)防性保護(hù)措施的技術(shù)，如圖1所示。其中，殘損勘察技術(shù)包括外部損傷檢查、內(nèi)部損傷探測(cè)、病蟲害檢測(cè)和取樣分析等多方面，構(gòu)件開裂、腐朽、變形、蟲蛀等均為殘損。
圖1 古建筑木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)勘察技術(shù)
2. 古建筑木結(jié)構(gòu)殘損結(jié)果與分析
筆者前期對(duì)北京、浙江、江蘇等多地木結(jié)構(gòu)古建筑的勘察結(jié)果表明，木結(jié)構(gòu)古建筑的木構(gòu)件或多或少地存在一定程度的殘損，其中占比最高的為構(gòu)件開裂，該類型殘損在所有殘損中的占比大于50%；其次為構(gòu)件腐朽，占比雖低，但危害較大；此外，構(gòu)件的變形和蟲蛀也偶有出現(xiàn)。本文以前期多處古建筑木結(jié)構(gòu)的勘察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)多發(fā)殘損進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)和分析。
2.1 大多數(shù)的構(gòu)件開裂并不影響結(jié)構(gòu)安全
古建筑木結(jié)構(gòu)最常見的殘損為干縮裂縫，幾乎所有木結(jié)構(gòu)建筑的柱、梁、檁、枋等構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)一定程度的開裂，如圖2所示。一般的開裂不會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全，其表征分析可通過探針刺探深度、尺量長(zhǎng)寬進(jìn)行判定。
圖2 木構(gòu)件的開裂
木材開裂與其含水率及木材本身的生物質(zhì)材料特性有關(guān)，尤其是木材使用前如果未干燥至當(dāng)?shù)氐钠胶夂?，或者干燥方法不?dāng)使得木材內(nèi)外存在一定的含水率梯度，使用后隨著時(shí)間推移水分散失，木材將產(chǎn)生收縮開裂。一般來說，檁的開裂多從端頭邊緣位置開始；梁和枋經(jīng)過了機(jī)械加工，在加工過程中應(yīng)力得以釋放，從而在一定程度上可降低開裂發(fā)生的概率。在原材料相同情況下，所加工的木構(gòu)件越小，木材應(yīng)力釋放得越多，內(nèi)外含水率梯度更容易均衡，開裂概率及程度越低。
從古建筑用木材開裂的樹種統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）來看，常用木材樹種中容易產(chǎn)生開裂的有落葉松等，這是因?yàn)槁淙~松等木材的弦徑干縮比較大（弦徑干縮比＞2.0），更容易產(chǎn)生干縮變形。同理，云杉等木材的弦徑干縮比較小，因此相對(duì)于落葉松等木材不容易產(chǎn)生干縮變形[14-15]。此外，早晚材差異、密度等因素也會(huì)在一定程度上影響木材的開裂。
表1 古建筑木結(jié)構(gòu)常用樹種的分布及干縮性
2.2 大跨度的梁和枋是否存在斷裂跡象應(yīng)被關(guān)注
古建筑木梁和枋承受的荷載方向以豎向?yàn)橹?，?dāng)梁、枋界面尺寸較小或隨著時(shí)間的推移在長(zhǎng)期荷載作用下，木梁、枋在豎向可能會(huì)產(chǎn)生過大變形，進(jìn)而發(fā)生斷裂，如圖3所示。因此，對(duì)于大跨度梁、枋構(gòu)件，若發(fā)現(xiàn)變形時(shí)，應(yīng)測(cè)定其豎向撓度，并檢測(cè)其受力點(diǎn)是否有斷裂跡象。
圖3 木構(gòu)件的豎向變形及斷裂
2.3 埋墻柱為腐朽殘損多發(fā)區(qū)域
古建筑木結(jié)構(gòu)的腐朽大多發(fā)生在埋墻柱（包括半露明柱和墻內(nèi)暗柱），以北京某古建筑群木柱的勘察統(tǒng)計(jì)結(jié)果為例，中度以上腐朽的木柱中，埋墻柱占比超過了62.29%；重度腐朽的木柱中，埋墻柱占比超過了75.00%。這充分說明，埋墻柱是木結(jié)構(gòu)古建筑中容易發(fā)生腐朽的木構(gòu)件，應(yīng)作為檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。對(duì)于此類位置木構(gòu)件，因裸露空間較少難以進(jìn)行木柱內(nèi)部整體掃描；對(duì)具有一定裸露空間的，可以使用阻抗儀等刺入式探測(cè)手段，利用有限的裸露空間通過發(fā)散探測(cè)分析木材腐朽體量，如圖4所示。
圖4 埋墻柱及探測(cè)方法
不具備檢測(cè)操作條件的埋墻柱，可嘗試采取排氣孔等開口探針刺探，必須要破開墻體進(jìn)行勘察。木材腐朽是因?yàn)槟静谋旧淼纳镔|(zhì)材料特性，隨著使用時(shí)間的推移不可避免會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)的下降，其次木材是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)高分子組成的，這種材料是一些木腐菌和昆蟲的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在合適的溫、濕度條件下危害生物便會(huì)加速繁殖，使木材發(fā)生腐朽，造成木結(jié)構(gòu)損毀。一般來說，木構(gòu)件易發(fā)生腐朽的位置多為潮濕和通風(fēng)不良的區(qū)域，比如埋墻柱和隱蔽的漏雨區(qū)域，這是因?yàn)閴w中立柱或漏雨區(qū)域構(gòu)件長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，形成了危害生物的繁殖條件。
2.4 檁構(gòu)件隱蔽處易產(chǎn)生不易察覺的腐朽
檁構(gòu)件隱蔽處指的是檁條與椽子望板交接處，大多數(shù)檁構(gòu)件處于建筑高處，往往因位置關(guān)系不易于被勘察。檁構(gòu)件隱蔽處產(chǎn)生腐朽是瓦面或者該位置結(jié)構(gòu)松動(dòng)等原因，導(dǎo)致雨水從屋頂滲入后首先進(jìn)入椽子望板，然后接觸到脊檁、金檁或正心檁等構(gòu)件，長(zhǎng)期交替的潮濕致使殘損。如圖5所示，腐朽的檁條上有漏雨痕跡。
圖5 木構(gòu)件的腐朽
判定檁構(gòu)件隱蔽處是否存在腐朽：1）認(rèn)真刺探每一根檁的隱蔽部位，確定其表面是否存在腐朽；2）觀察是否存在雨水痕跡，當(dāng)某處構(gòu)件上存在雨水痕跡，該處區(qū)域內(nèi)的構(gòu)件均應(yīng)詳細(xì)刺探，以確定是否存在腐朽和其他殘損。
2.5 木材蟲害大多表現(xiàn)為陳舊性蛀孔
木材蟲害是木結(jié)構(gòu)古建筑的一大安全隱患，一般在木結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況勘查中很難發(fā)現(xiàn)活蟲，而是由它們?cè)斐傻哪静奈：?，常見的形式為陳舊性蛀孔及殘留蛀屑，如圖6所示。陳舊性蛀孔是指原有蟲蛀，現(xiàn)在已沒有活蟲危害，這種情況在古建筑木結(jié)構(gòu)中比較多見。蛀孔、蛀屑的存在往往為木材腐朽菌的滋生創(chuàng)造了良好條件，因此，木構(gòu)件的腐朽和蟲蛀多是伴生的。
圖6 木構(gòu)件蛀孔及蛀屑
從分類學(xué)角度來說，危害古建筑木結(jié)構(gòu)的昆蟲主要分為：蛀木甲蟲（包括天牛、粉蠹、長(zhǎng)蠹、竊蠹等）、白蟻和木蜂。若現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)活蟲，進(jìn)行蟲體鑒定分析，并針對(duì)性防治即可。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)勘察未發(fā)現(xiàn)活蟲，但具有明顯危害狀的構(gòu)件，可以根據(jù)蟲孔、蟲道、蛀屑以及整體危害狀的表現(xiàn)形式進(jìn)行鑒定，如圖7所示。一般來說，小蟲孔多為粉蠹類等蠹蟲危害所致，數(shù)量不多時(shí)，對(duì)木材使用影響不大。鉆蛀大蟲孔的蛀蟲有天牛和木蜂，木蜂鉆蛀直徑可達(dá)1cm以上，兩者的區(qū)分除蟲孔和整體危害狀外，對(duì)蟲道和殘留蛀屑進(jìn)行顯微觀察和殘?bào)w提取，可以更好地鑒別。白蟻是既不同于天牛和木蜂，也不同于蠹蟲的另一類重要害蟲，白蟻蛀入木材內(nèi)部，喜好蛀食木材較柔軟的部分，故木材被害成溝狀、深縫狀，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)木材僅殘存片狀或條狀。長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，木材遭受害蟲蛀蝕已嚴(yán)重?fù)p壞的，即使反復(fù)查勘也很難發(fā)現(xiàn)活蟲。因此，木構(gòu)件的危害狀及現(xiàn)場(chǎng)木屑，成為鑒定害蟲種類的重要依據(jù)。
圖7 木構(gòu)件危害狀
木材害蟲多是在建筑初建或修繕時(shí)，由于原木加工處理不當(dāng)而被帶入建筑中的，因使用木材未嚴(yán)格干燥且未進(jìn)行防蟲處理，害蟲得以生長(zhǎng)和繁殖。此外，古建筑室內(nèi)布置隔斷或布局改造時(shí)木質(zhì)裝飾材料使用不當(dāng)，也可能帶入木材害蟲，這種情況亦不少見。有些蟲害的發(fā)生也與建筑周圍環(huán)境相關(guān)，如建筑物周圍存在樹木花草茂密的地方更容易發(fā)生木蜂危害，白蟻多發(fā)地區(qū)易出現(xiàn)白蟻危害。
除常見害蟲蛀蝕外，部分木構(gòu)件上存在蝙蝠糞便、鳥類糞便等，如圖8所示。這些殘留不會(huì)嚴(yán)重影響木結(jié)構(gòu)的安全，但會(huì)產(chǎn)生一定的表層腐朽。此外，部分木構(gòu)件的連接區(qū)域也曾發(fā)現(xiàn)泥蜂巢，泥蜂不鉆蛀木頭，對(duì)木構(gòu)件無危害。
圖8 蝙蝠及泥蜂危害
3. 建 議
1）古建筑內(nèi)使用任何木質(zhì)材料均應(yīng)進(jìn)行科學(xué)合理的干燥。
木材的干燥既可以減少木材開裂的發(fā)生，又可以滅殺可能潛藏在木材中的部分木材害蟲。木構(gòu)件的修繕、更換以及木質(zhì)裝修材料使用前，均應(yīng)進(jìn)行科學(xué)合理的干燥，使其達(dá)到使用地區(qū)的平衡含水率。從材料源頭上保證木結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)殘損隱患，是非常重要的一環(huán)。
2）古建筑上層構(gòu)件部分區(qū)域設(shè)置溫濕度監(jiān)控。
在材料質(zhì)量符合要求情況下，保證良好使用環(huán)境也尤為重要。對(duì)于非立柱構(gòu)件而言，最重要的是確保屋面沒有雨水滲入，當(dāng)難以避免雨水滲入時(shí)，應(yīng)做好重點(diǎn)區(qū)域溫濕度的監(jiān)控，以確保及時(shí)察覺和處理隱患。監(jiān)控木構(gòu)件所處環(huán)境的相對(duì)濕度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)引起環(huán)境濕度變化的雨水滲入點(diǎn)，對(duì)保護(hù)古建筑木結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。
3）古建筑木柱的處理將是研究的重點(diǎn)。
古建筑木柱的安全始終是建筑安全重中之重。對(duì)于露明柱可以采取柱礎(chǔ)隔離其與地面的接觸，而對(duì)于埋墻柱而言，不可避免地需要接觸到墻體，在通風(fēng)不良和潮濕的條件下，如何從材料、工藝等方式入手，防止或延緩埋墻柱腐朽的發(fā)生，將是以后研究的重點(diǎn)。
4）古建筑木結(jié)構(gòu)的蟲害防治應(yīng)該防重于治。
古建筑木結(jié)構(gòu)的蟲害防治除主動(dòng)防御外，還應(yīng)結(jié)合區(qū)域特征進(jìn)行預(yù)防保護(hù)，如出現(xiàn)天牛危害建筑應(yīng)定期在木料表面進(jìn)行藥劑處理，避免天牛等成蟲產(chǎn)卵，建筑物周圍存在樹木花草茂密的地方應(yīng)警惕木蜂危害，而白蟻多發(fā)區(qū)域可以設(shè)置防護(hù)層或誘殺坑進(jìn)行預(yù)防或預(yù)警。
5）古建筑木構(gòu)件應(yīng)逐步建立健康檔案。
隨著時(shí)間的推移，古建筑木構(gòu)件由于生物質(zhì)材料特性均會(huì)產(chǎn)生一定的殘損，對(duì)所有木構(gòu)件尤其是存在一定殘損的木構(gòu)件，進(jìn)行殘損信息數(shù)字化，同時(shí)對(duì)該構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的樹種鑒定和木材強(qiáng)度測(cè)定，以此構(gòu)建古建筑木構(gòu)件殘損及相關(guān)材質(zhì)信息的數(shù)據(jù)檔案，從而為科學(xué)研究和修繕設(shè)計(jì)提供快速的個(gè)體查詢和信息提取渠道。這也是保護(hù)木結(jié)構(gòu)古建筑及保存歷史信息的有效方式。
參考文獻(xiàn)（略）
文章摘自：袁霄 陳勇平 郭文靜《古建筑木結(jié)構(gòu)多發(fā)殘損的特征及防控分析》木材科學(xué)與技術(shù)第35卷第5期2021年9月
北京大學(xué)古建筑營(yíng)造設(shè)計(jì)文化研修班-12月開課
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