古建筑木構件缺陷檢測方法發展現狀

廖春暉，張厚江，黎冬青，孫燕良

(北京林業大學工學院，北京100083)

我國是四大文明古國之一，大量的木結構古代建筑是中國歷史文化的傳承。同時，作為國家重要的文物和珍貴的歷史文化遺產，古建筑受到國家的重點保護。我國的古代建筑多為木結構或者內部使用大量木材的建筑，被世界各國譽為三大建筑體系之一和唯一以木結構為主的建筑體系。而木材的缺點在于它是一種生物材料，由各種纖維素、半纖維素和木質素等有機物組成，長期使用的過程中，有害生物容易迅速繁殖，是木材發生腐朽蟲蛀，其物理力學性能降低，最終造成木結構的損毀［1］。

木材無損檢測是一種新興的、綜合性的木材非破壞性檢測技術，可在不破壞木材及木質復合材料本身形狀、原有結構和動力狀態以及最終用途的前提下，對木材的缺陷和腐朽情況以及基本物理力學性質進行測定［2］，因而在古建筑木結構缺陷檢測方面具有重要的現實意義。相比傳統的檢測方法，無損檢測方法能夠在不破壞檢測對象原有特性的前提下進行檢測，并且能夠連續的在短時間內獲得檢測結果，這也是無損檢測方法最大的特點。

1 傳統檢測方法

1.1 目測法［3］

目測法是最古老也是最簡單的無損檢測方法，這種無損檢測方法至今仍在使用，對于判斷和驗證無損檢測結果有很大的幫助。利用這種方法對一些如破裂碎片、機械破壞、后期腐朽和嚴重的蟲蛀等情況進行觀察判斷，根據檢測結果來確定檢測對象是否存在缺陷。

1.2 其他微損檢測法

一些微小損壞的檢測方法經常與目測法和辨別聲音結合著應用:

(1)通過辨別錘子敲擊檢測對象時發出的聲音判斷木構件或原木是否存在空洞、裂紋、腐朽等缺陷。

(2)除去部分待檢測部位的樹皮，檢查其木材表面的硬度大小，根據檢測結果對該樹木的腐朽程度進行初步判斷［3－4］。

(3)利用生長錐獲取木心來檢測其腐朽深度，很多類似的微損檢測法也可以為目測法提供信息幫助。

現階段針對我國木結構古建筑的缺陷檢測，大多采用目測法或敲擊辨聲法來判斷木結構中的空洞、裂紋、腐朽等缺陷。這些方法的檢測結果有時不夠準確，過于依賴檢測人員的經驗。

2 近年新發展的檢測方法

2.1 應力波檢測方法

先將連接在顯示儀上的兩個鋼釘 (傳感器)垂直釘入木材或木質構件中 (相隔一段距離)，利用錘子輕輕撞擊其中一個鋼釘以獲得木結構內部的應力波，根據檢測到應力波的傳播時間計算其傳播速度，判斷木結構內部是否存在缺陷［5］。由于木構件的交叉連接點會對應力波產生阻滯從而使結果不準確，所以該技術在古建筑木結構的缺陷檢測中尚難應用。

2.2 皮羅釘檢測方法

皮羅釘檢測法是一種檢測木質材料表面腐朽狀況的工具，在國內已經得到廣泛的應用。其測定原理是利用之前設置好的能量把一根鋼針打入被測木材中，由于木材存在腐朽狀況，因而其表面木質會有軟化現象，而且程度不一。根據鋼釘進入木材的深度判斷被測木材表面硬度的下降程度，從而檢測和評估木材材質表面的腐朽狀況，結果也比較可靠，但是這種檢測方法只能對木材表面的腐朽情況進行判斷。在對木結構古建筑勘察檢測時，通常會與其他檢測方法綜合應用［6］。黃榮鳳、伍艷梅等人［7］利用皮羅釘檢測法故宮武英殿前殿維修時替換下來的柱、五架梁、單雙步梁爪柱等局部腐朽的舊木構件進行試驗。實驗結果顯示隨著木材腐朽程度的加深，木材密度降低，徑向、弦向打入深度顯著加大，各腐朽等級間差異極顯著。

2.3 超聲波檢測方法

用超聲波對古建筑作缺陷檢測的方法與用聲應力波基本相同。其測定原理與應力波檢測儀相似，不同點在于應力波檢測法是利用敲擊鋼釘產生機械波，而超聲波檢測法是依靠其探測頭自己產生的超聲波來進行檢測。根據不同的 (傳播時間、速度、頻率、能量峰值)超聲波參數，檢測木結構便面的缺陷和結構腐朽等。Tiitta等［8］采用貝葉斯(Bayes)理論，K－近鄰方法 (K-Nearest Neighbor)和神經網絡方法 (Neural Network)三種方法分別對超聲波檢測腐朽進行研究，并收集了腐朽材檢測中波速、衰減、波型、頻率四種信號，對采樣單一信號和多信號進行對比，結果發現上述三種方法都能較好地檢測腐朽情況。中國林業科學院研究所［9］已經應用過超聲波檢測法對大鐘寺博物館某鐘架結構進行實驗，檢測此鐘架是否存在空洞、腐朽、裂縫等缺陷，并與目測勘探結果對比，檢測結果比較準確。

2.4 微鉆阻力檢測方法

微鉆阻力儀的測定原理是將一根長約45 cm的鉆頭，在通電情況下勻速加力打入木結構內部，另一端，與鉆頭連接的電池組會自動打印出記錄紙，記錄鉆頭進入木材內部的阻抗曲線 (一般是兩條)，其中阻力大小和被測木材的密度直接相關。根據得到的記錄結果判斷木材內部具體位置的木材密度、缺陷等情況，為判斷木結構內部是否存在空洞、裂紋、腐朽等缺陷提供可靠的科學依據。微鉆阻力儀是一種近似無損的檢測設備，在對古建筑木結構進行缺陷檢測時，在盡可能小的程度破壞古建筑的情況下快速獲得被測木結構內部的缺陷狀況。賀軍勝等人利用德國RINN TECH公司最新生產的木材阻抗圖波儀Resistograph 3450-P/S對北京故宮咸若館的金柱、檐柱、山柱和中柱等進行勘測，然后根據木材阻力數據繪制出咸若館木結構在不同高度上的腐朽狀況簡圖，并進一步得出其結構的腐朽現狀［10］。黃榮鳳、王曉歡［11］等人用微鉆阻力儀對故宮武英殿維修時替換下來的局部舊木構件進行了相關實驗。用目測法將試件劃分為未腐朽及4個腐朽等級，共5個等級，測定了試件的氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度，并對抗彎強度試件進行了阻力儀檢測，結果表明，隨著腐朽程度的加深，木材密度、抗彎強度、順紋抗壓強度及阻力儀檢測值均顯著降低，5個腐朽等級間差異顯著。與此同時，國外學者在他們發表的研究報告中也提到阻抗儀對腐朽、空洞及裂紋等缺陷較高的診斷能力和檢測可靠性［12－13］。

2.5 應力波斷層成像法

應力波斷層掃描儀主要由傳感器和計算系統組成。該儀器原主要用于樹木內部缺陷的檢測，引進后用于古建筑木結構材質狀況的勘查。其工作原理:通過敲擊安裝在被檢測木構件上的傳感器，使之產生應力波，根據應力波的傳播速度，經計算機處理，直接顯示木構件內部缺陷的圖像，用以判定木材內部質量［14］。應力波斷層掃描儀是針對樹木設計的，由于樹木與古建筑木結構的含水率不同，此技術還不能完美的應用在古建筑木構件缺陷檢測當中。李華、劉秀英［14］等人以楠木立柱為實驗對象，發現應力波斷層儀能清晰的檢測出立柱的缺陷圖形，與立柱實際缺陷形狀、位置相吻合。

在斷層成像儀器的使用當中發現［15］，當樹木心材的主要缺陷是腐朽時儀器往往會低估其缺陷程度，但是當樹干中存在裂縫時，儀器會高估其腐朽的程度。這是斷層成像儀器目前存在的缺陷，而這一缺陷在古建筑木結構缺陷檢測時可能也會造成檢測結果不真實的情況，這是檢測人員當前急需解決的一個重要問題。

3 結束語

在古建筑木結構缺陷檢測中，先進的無 (微)損檢測技術已經逐漸取代傳統的定性目測法和簡單敲擊法成為我國主要采用的技術手段。應力波檢測、超聲波檢測、微鉆阻力檢測，三維斷層成像等技術在缺陷檢測中都較為常用，不過每種技術都存在一定的缺陷，這需要在今后的檢測當中采用多種方法聯合檢測，提高檢測結果的精度和準確度，讓無損檢測技術在古建筑缺陷檢測中得到更好的應用。

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［7］黃榮鳳，伍艷梅，李 華，等.古建筑舊木材腐朽狀況皮羅釘檢測結果的定量分析［J］.林業科學.2010，46(10):114 －118.

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［10］賀軍勝，李 華，劉秀英.木材無損檢測技術在建筑木結構上水平的應用研究［J］.中國木材，2009，1:28 －30.

［11］黃榮鳳，王曉歡，李 華等.古建筑木材內部腐朽狀況阻力儀檢測結果的定量分析［J］.北京林業大學學報，2007，29(6):167－171.

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［15］Xiping Wang，Jan Wiedenbeck，Shanqing Liang.Acoustic tomography for decay detection in black cherry trees［J］.Wood and Fiber Science，2009，41(2):127 －137.