现代土木工程技术在古建筑保护中的应用.doc

现代土木工程技术在古建筑保护中的应用（中国矿业大学力学与建筑学院 韩林峰）摘要：古建筑反映了国家历史的辉煌，表现了过去中国的文化艺术和科学技术的伟大成就。保护古建筑的意义主要表现在以下五个方面。1古建筑是历史文化的载体2。古建筑是启发爱国热情和民族的实物3.古建筑是究历史的实物例证4.古建筑是发展旅游业的重要物质基础,5古建筑是新建筑设计和新艺术创作的重要借鉴古建筑是一座城市的记忆，是城市历史的见证者，它承载着这座城市的文化积淀一旦损毁，文物本体及其承载的历史,文化信息都将不复存在。历史长河，时至今日，这些古建筑大多老态龙钟、满目疮痍，有的沦为民居，有的成为文保单位，有的摇摇欲坠，有的遭到拆迁毁坏关键字： 土木工程 古建筑 保护1 我国古代建筑技术 在数千年的历史进程中，我国各族劳动人民和建筑匠师建造了无数的建筑物，许多古代建筑遗存至今，具有优秀的技术传统和独特的艺术风格，其推动了中国建筑的发展，为现代建筑工业的发展积累了宝贵经验，是我国古代科学技术成就的一个重要组成部分。1-1 中国古建筑的木结构体系 中国古建筑，其最大的特点就是采用的木结构体系。木结构建筑是用木料做成房屋的构架，先从地面上立起木柱，在柱子上架设横向的梁枋，再在这些梁枋上架设屋顶。所有房屋顶部的重量都由梁枋传到柱子，经过柱子传到地面。木结构建筑的营造与现今框架结构的建筑建造相似，木结构的墙壁不作承重墙使用，而是用柱子来承受屋顶重量，无论用土、砖、石或者其他材料筑成，都只起到隔断的作用而不承受房屋的重量。木结构建筑的优点：首先能防御地震。柱子直接联通横梁，中间以榫卯的形式软性连接，富有韧性，地震时不易发生断裂。年联合国教科文组织派专家考察申报世界遗产的云南丽江，结果丽江却发生了地震，而专家们惊奇的发现丽江不少新建的大楼倒塌，道路受损，但老城区的破坏却没有想象中的严重，有些老房子的墙壁倒塌了，但建筑构架依然挺立，保持着原来的姿态。有几座破坏古城风貌，还没被拆除的新楼反而倒塌了。一场地震震倒了筋混凝土的新大楼，却没有震倒老房屋，中国古代的木结构体系的坚固可见一斑。然后，木材从采伐到施工都比较便利。砍伐树木自然要比开山采石、制窑烧砖要简便得多，用木材做柱子、梁枋比起用砖石做立柱，用拱做顶的方法也要便利得多，木雕刻装饰也要比砖石更加便捷。1-2 中国古建筑的屋顶 中国古代木结构建筑基本造型是：台基为底，立柱上承托梁，梁上承托斗拱，斗拱上承屋顶。屋顶是中国古代建筑所具有的最显著的特征。因为采用了木结构体系，用木料所构成的屋顶部分在房屋总体上也就显得相应的大些，房屋平面的面积越大，屋顶也就愈发高大。屋顶不仅覆盖面积大，而且还带有曲面，屋顶的两头四端也是高于中间，整个屋顶如同一个美丽的华盖，这也是中国建筑所特有的。中国古建筑弧顶造型的形成原因主要有：首先，中国的古文明发源与发展于雨水充沛的黄河、长江中下游，为了防止房屋被雨水浸湿，屋檐深处房屋都比较远，而从梁枋上挑出的上下两层用于支撑房顶的部件叫做“椽”，而屋檐到了四角的位置上，挑出的距离自然比水平的屋面距离要大一些，这时候就需要在椽的基础上加筑两层尺寸更大的，叫做“角梁”的构件来支撑，这时，屋檐的水平线势必会随之抬高，从而造成了两头微微翘起的局面。然后，建造上木材受到潮湿或暴晒都会造成变形、开裂，影响结构的稳定。再加上古时施工技术的局限，柱子不易造得同样长度，所以柱子上架设屋顶更不容易保持平面，因而不如就做成了曲面。因为曲面的屋面的变形相较直面的变形较不易被发觉。最后弧面的屋顶是因为便于采光和防水。古时车盖与屋顶很相像，而在封建礼制当中，对车盖的造型也有一定的约束。周礼官考工记对车盖有如下描述：“上欲尊而宇卑。上尊而宇卑，则吐水急而霤远。盖已卑，是蔽目也”。车盖的顶应当顶上比较陡，在车盖周围应该造成较缓的曲线，这样可以将雨水排得更远，也不影响乘车人的视线。将以上的描述放到屋顶上，将屋顶看做车盖的放大，弧面的设计便是将雨水顺屋檐的曲线排得更远，又能采纳更多的光线。还有人认为屋顶弧面是随着古建筑的发展而日渐形成的。中国早期房屋是用夯土筑造墙，为了防止雨水侵害土墙，房檐外会加筑一排檐廊，形成了内外两层的屋顶，后来随着砖砌的墙和台基的出现，同时也为了室内采光的需要，檐廊与房屋逐渐形成了一个整体，檐廊上的屋顶与房顶相连，在两者的交界线上发展成了曲线。因而诞生了屋顶的曲面。1-3 中国古建筑的斗拱 在中国古建筑的屋顶的构架和立柱上的梁枋之间，有一层用零碎小块木料构成的构件，按顺序排列在梁枋之上，层层上托，支撑起硕大的屋檐，这个构件被称为“斗拱”，与大屋顶一样，它也是中国古建筑上很有特点的一个部分斗拱的出现，最早可以追溯到公元前世纪的战国时期。当时的青铜器上就有关于斗拱形象的记载，到唐宋时期，斗拱的外形及制作工艺已经相当成熟。在现存最早的木结构建筑五台山唐代佛光寺大殿上可以清楚的看出当时斗拱形制的美感。唐代建筑风致独到，浑然天成，斗拱的建构也是如此。佛光寺大殿的斗拱相较于之后的宋、明、清建筑的斗拱形体较大，斗拱部分整体的高度达到了柱身长度的一半，四层相叠，层层挑出，生动的中和了屋顶和门脸的平面，富有趣味性，充分展示了斗拱在结构和造型上重要性古代工匠在制作斗拱的时候非常规范化，加上其尺寸相对较小，渐渐被当做了一种恒定房屋其他构件大小的一种尺寸单位。到了宋代的时候，中国历史上第一部关于房屋建造形制标准的营造法式颁布，正式规定了将拱的断面长度定为一“材”，房屋的所有结构，包括房屋的长宽高、立柱高低、梁枋粗细都用“材”加以规定。而“材”的大小也有等级之分，因此在规划营造的时候，工匠先依据建筑的规模和性质选择相应等级的“材”，再以此计算出所用的柱梁、枋等各个构件的大小，最后算出建筑的面宽和进深，按部就班，加快了之后建筑的施工速度，提升了工程的质量。2 中国古建筑保护所面临的问题 古建筑作为历史的遗存，是中国古代劳动人民的智慧结晶，是祖先留给我们的宝贵遗产，保护这笔遗产，和弘扬中国文化，延续历史文脉是我们这一代人的任务和执着。然而关于古建筑保护的问题，始终困扰着我们，通常，我们在古建筑保存是会受到各种因素的干扰，市政建设集团的拆除，自然界的侵蚀。 2-1 大木结构腐朽变形 大木结构腐朽变形是古建筑普遍存在的问题之一，在我国古建筑的主要结构材料便是大木，这就提醒着我们在修缮古建筑时大木的损坏程度是首先要考虑的问题之一，面对大木损坏问题，是对其加固还是变更部分，这个环节需要弄清楚，否则不但谈不上是保护，反而是在保护的旗帜下进行损坏。2-2 石件的风化在我国古建筑群中，砖石的风化现象非常常见，其中汉白玉的风化问题在国内更为普遍，近现代特别是当前，我国专家虽然很重视石件的保护和修缮，但国内人士意见不同，所采取的的措施不同，力度也不同，所以长期以来石件的保护研究工作仍然没有得到理想的研究效果。2-3 砖体的风化 在我国，砖体的风化较之石体构件砖体的风化更为突出，以为砖体的更换成本不高，所以大都采用拆旧换新的方法来解决，提出了整旧如旧的概念，但随着修缮规模和手段的不断扩大和使用，又出现了砖体酸碱保护这个问题，于是，对价值较高的文物的保护要求越来越高，形式更加不容乐观2-4 地基基础的沉降问题 当前，古建筑保护中地基基础沉降室险情加剧的一个重要表现，随着地基下沉的加大，建筑外部的墙体开始开裂变形，承重的大木架走或断裂，有的局部石柱下沉或上凸等险情，究其原因，无外乎地震灾害，大木结构腐朽变质。3 现代土木工程技术在古建筑保护的应用3-1 现代测试技术在古建筑中的保护应用 （1）运用地面透射雷达测绘教堂结构构件图像地面透射雷达 探测是一种较好的无损检测技术。这种技术应用微波频段的电磁波作为探测媒介, 常用的频率在901000MHz。通过测量和分析电磁波的传播时间、反射系数、折射率等, 可以推断出所测物体的形状和性质。由于电磁微波对非金属材料的含水量较敏感, 使用地面透射雷达容易辨别砖、石、混凝土中的缺陷和金属物体。美国工程师Woodham 运用地面透射雷达技术, 在2000 年秋季对巴尔的摩市的圣母玛利亚升天大教堂进行了结构测试和评估1 。这座具有希腊复兴风格的教堂是美国第一座天主教大教堂, 在美国建筑史和宗教史上有重要的意义。在这一工程中, 地面透射雷达(GPR) 被用来测定教堂穹顶的厚度、形成墩柱的图像以及调查主楼盖的结构, 用于测试的设备为配置了900MHz 天线的地理测量系统SIR22000。 （2）用声发射技术监测砖石建筑的裂缝开展声发射也是一种无损探测技术, 最先应用于工业钢结构, 在土木工程中主要用于测量材料的应力应变性质和强度等。声发射是物体在外界荷载作用下以应力波的方式释放其内部弹性能的现象, 采集和处理物体中的声发射信号, 可能测定其内部的开裂、错位等变化。除了用于鉴定材料内部的缺陷和损伤, 声发射技术在建筑物的动态监测方面正发挥着独特的优势。在古建筑保护方面, 意大利教授A. Carpinteri 和G. Lacidogna 运用声发射技术, 对位于里沃利(在意大利都灵的附近) 的一座砖石建筑的裂缝开展进行了监测2 。3-2 土遗址表面剥蚀加固保护 灌浆已有进200 年历史，到20 世纪20 年代后，灌浆已广泛地应用在近代土木工程中，其中一项就是用来修复和加固有历史意义的古老的但有缺陷的圬工建筑物。目前国内外在古建筑保护加固中浆液多选用化学溶液，这是因为多少年来，化学以其巨大的威力在岩土工程中塑造了许多成功的典型实例，其中就有土遗址保护工程。岩土工程引入化学原理和方法，研究和改善其结构与受力机理、探索和创造新的结构和工艺类型，以满足工程建设的需要，日益受到有关各界的重视，尤其在土遗址保护方面应用更广。 （1）化学加固。化学加固进行加固保护，必要时可做表面处理。土遗址裂隙、坍塌的裂隙灌浆、锚固加固在土遗址中裂隙很多， 对小裂隙可采用化学溶液灌浆进行处理，对有可能造成失稳、坍塌的裂隙人民用现代建筑中加固常见的方法物理加固对土遗址裂隙进行保护。 （2）水泥的使用。水泥的使用不是替换原材料，而仅仅是为了补强或加固原材料、原结构。我们在进行古建筑的修缮工程中，如果明确了这一点，许多问题都好处理。水泥虽然被称之为古建筑维修的大敌，但是由于目前的一些条件所限，有些地方还不得使用。这种新的建筑材料在现代化建筑中使用非常广泛，有许多优点，但在古建筑维修中必须慎用。如果确属必须使用，也应在“不是替换而仅仅是补强、加固”的前提下。如赵州桥内部的加固就是一例。前些年来一些非关键性的维修工程，如故宫的地面铺砖，天坛、颐和园等处，采用了以水泥砖代替的办法。其尺寸、规格、颜色都尽量与原来的相似。这是由于原来生产的好青砖没有了，因而采取的不得已办法。我认为这种临时性的、小部分的更换尚可，绝不要把故宫大部分的地面砖都换成水泥砖。最近北京故宫、天坛、颐和园等已在将原来被换成水泥仿制的砖地面，按原来的规格尺寸恢复了原状的砖地面，再现了原真。这是有条件的时候该做的事，值得提倡。其他重要的砖地面，如古塔、长城、宫殿及寺庙的墙壁等，则绝不能用水泥砖来代替。我还建议有关部门应该恢复一些高质量的青砖的生产，古人都能办到的事，我们今天也不一定不能做到。 3-3 新材料在建筑保护中的应用 （1）金属材料在古建筑保护中的应用。在钢、铁、铜、锡等金属材料本是我国加固古建筑的传统材料，在建筑的实物中经常可以看到。如用于木结构梁柱劈裂加固的铁箍，梁柱拔榫加固的铁扒锯、铁拉扯、梁头榫卯加固的铁托垫等等，效果非常显著。金属材料加固的最大优点是不改变原来材料的本质，只是作为附加的东西，也不改变原结构的性能，仅起辅助加强作用。金属材料作为加固补强最大的优点是可逆性强，如果有其他的原因需要去掉时，也比较容易拆除。现代化锻制技术的进步，更有利于所需钢铁加固部件的制做，钢材性能也比以前的铁件好得多了，因此，将金属材料用于古建维修工程加固的方法很值得重视。金属材料不仅适用于木结构的加固，而且用于砖石建筑的加固效果也是很好的。一千多年前隋代赵州桥上就用了腰铁、铁拉杆等来增强它的坚固性。在我国南方各地许多居民、祠堂、寺庙的高大砖墙上也用了丁字形的傀拉杆来拉固。在近几十年来的古建筑维修工程中，使用金属构件加固也取得了显著的效果。好在古塔的加固工程中，将破裂的塔身外壁用钢箍箍住，把钢箍嵌入塔体表层之内，而外观依然如旧。西安小雁塔就是一个很好的例子。原北京大学红楼的抢险加固工程也是一个用钢材加固的创造性设计。该楼是一座20世纪二十年代建成的砖木混合结构，在1976年的唐山大地震波及下，出现了墙裂顶塌、门窗破裂的情况。设计人员采用了水平钢桁架和槽钢、扁钢壁柱相结合的隐蔽钢制框架结构体系，使原来摇摇欲坠的结构能抗八度以上地震。这些钢结构大都嵌入了墙体之内，水平钢桁架则隐藏于楼板夹层之间，因此内部结构得到了很大的加固补强而外观如旧。环氧树脂黏结与钢铁金属构件合并使用往往能收到很好的效果。如木构梁柱的加固除了用钢箍、钢钉、暗榫等之外，再加环氧树脂黏结就更加坚固了。又如砖石建筑和岩壁加固，除了用环氧树脂配剂黏结、灌注之外，再加上钢箍、钢杆，效果会更好。 （2）碳纤维加固。碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的，又能满足不扩大原有构件尺度的维修原则，本次碳纤维加固技术主要应用于钢砼结构的柱、梁、板。加固前，首先进行基底处理，将混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位予以凿除，凿除后用环氧树脂砂浆修补平整，并对裂缝部位用高强树脂作封闭处理，外露绣浊钢筋作除锈处理。然后，用混凝土角磨机、砂纸等机具去除外表的粉刷面直至混凝土表层，并将浮浆、油污等杂质除去。构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(R10mm)。用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。浙江宁波保国寺大殿是北宋大中祥符六年（公元1013年）的建筑，距已经将近一千年了，是我国现存为数不多的早期木构建筑之一，大殿的柱子大部分已被白蚁蛀蚀。在修缮时可以采用三种办法。第一种是换水泥的。这种办法绝不能采用，因为它会大大降低古建筑的价值，（广州光孝寺大殿已是一个失败的教训了。这是上世纪50年初期的事，当时对文物保护的原则还没有很多的认识，也无法律规章制度可依）。第二种是用新木料来替换。这种办法虽然保存了木结构，但那些柱子九百多年来的经历就失去了，况且原来的那种木料也不容易找到。于是采用了第三种办法，即是用新材料、新技术的方法来解决。用环氧树脂配剂予以灌注、充填，这样即保住了九百多年的大殿主要构件，又解决了柱子的加固问题。我认为这是维修古建筑工程中的一佳例。环氧树脂配剂还可用于黏结木料，拼镶一些原来构件的残缺、糟朽部分及砖石建筑、古窟崖壁的黏结加固、灌注填充。如山西大同云冈石窟、河南龙门石窟的崖体加固、溶洞缝隙填充工程都收到了较好的效果，但使用环氧树脂配剂也必须慎重：因其一经用上就很难更改了。我们主张在用新材料、新技术时，必须先做试验，局部进行不能大面铺开。4 结束语 综上所述，我国古建筑的保护离不开土木工程，要想做好古建筑的保护工作，必须从土木工程入手，努力发展土木，并且加强土木工程技术在古建筑的应用。【1】梁思成 中国建筑史 中国建筑工业出版社2005【2】