西什庫教堂皇亭整體提升技術應用

【摘要】近年來，隨著世界各國對文物古建筑保護及修復意識的不斷提高，各地相繼開展了著名建筑的評估、保護及修復工作。目前，國內外對于古建筑物的保護及修建都堅持以原真性為基本原則，并且最大限度的避免對傳統建筑物的毀壞。這些鉛筆字跡記錄成為研究歷史變遷的重要文字依據，也成為研究記錄內容中的人物與機構的重要確切憑證。古代建筑反映了中國的文化藝術與科學技術的偉大成就，它是文化精神的載體，是歷史記憶的符號。文物古建筑具有不可再生的特性，對其進行保護顯得尤為迫切和重要，一旦遭到破壞，就再難以恢復和持續，是不可再生的珍貴文物。有效的保護及修復文物古建筑，同時加以實現及推廣，對于提高文物古建筑的研究與社會價值有著極為關鍵的重要作用，保護和傳承先人留存的歷史文化遺產是我們義不容辭的責任，更是我們古建筑施工人員的責任。本文對于文物古建筑的修復及施工方法做出了一系列的說明，對其保護工作的實施提出有效建議，以供其他文物古建筑保護工作人員參考。

【關鍵詞】文物古建筑；教堂皇亭；柱頂石下沉；整體提升

1、緒論

西什庫教堂是北京市最大的教堂，也是現存建筑最古老的教堂，是北京市西城區重要的宗教活動場所。至今仍承擔著實際的宗教用途，每周有大量的教民在此集會。教堂歷經上百年風雨歷程，是中國近代史的見證，更是義和團庚子事變的發生地，在這種環境下保護的如此完好更加難能可貴。此次修繕的皇亭除建筑尺度完美符合清工部做法，是清官式建筑的又一例證外，西式的涉及圣經及天主教內容的彩畫更是珍貴，是同類彩畫中僅存的實例，有較高研究價值。

皇亭現已有多處破損，地面沉降嚴重，首先應先提升皇亭柱頂石標高。由于文物監督站、設計要求不讓揭瓦卸荷，需帶荷頂升，采用對皇亭整體進行抬升。《西什庫教堂皇亭整體提升技術應用》難易程度遠遠大于傳統的“打牮撥正”。傳統的“打牮撥正”正是在木基層（望板）以上的荷載（瓦面、泥灰背、脊等）去掉情況進行，此《西什庫教堂皇亭整體提升技術應用》的實施采用帶著荷載整體提升、歸安，解決皇亭柱礎下沉，達到有效保護文物的目的，并對今后修繕文物工程的大木柱礎傾斜下沉供參考資料和起到指導作用。

2、項目簡介

皇亭共東、西兩座，單側皇亭臺明面積為57.76平米，兩側共計151.52平米，亭高9.305米。為重檐歇山黃琉璃瓦屋面，面寬進深均為5.76米，內各置石碑一座。

2016年9月22日，我公司技術人員對東西皇亭柱頂石標高進行復測，東亭最大沉降為49mm，西亭最大沉降為25mm。本工程采用8個20噸千斤頂整體頂升的方法，東亭頂升8cm，西亭頂升5cm，每次頂升行程不超過3mm。

3、修繕原則

1）遵照《中華人民共和國文物保護法》第十四條之規定核定為文物保護單位的古建筑在進行修繕、保養、遷移的時候必須遵守不改變文物原狀的原則。

2）遵循文物建筑維修、四保存的原則，即：保存原形制、原結構、原材料、原工藝。

3）保證古建文物安全為主的原則。

4）施工遵守的原則及方針：保護文物 繼承傳統 循法守規 營造精品。

5）遵守《中華人民共和國文物保護法》的規定，遵照《中國文物古跡保護準則》的相關原則。

6）真實完整地保存該區建筑物的歷史原貌和建筑特征，嚴格遵循設計意圖、遵循使用傳統材料和傳統工藝施工。

4、頂升基本思路

1）皇亭原結構受力特點分析：重檐上部結構荷載通過童柱傳遞到四角抹角梁上（抹角梁以上為上部結構，抹角梁以下為下部結構），荷載通過抹角梁傳遞到明間大額枋上，再通過額枋最終傳遞到結構木柱上。以下為皇亭原結構受力示意圖，箭線表示傳力方向。

2）頂升思路設計：按原結構受力路徑反向加荷，采用柱網（槽鋼）整體圈箍抬升。經計算單個亭子重量、支撐架體自重70噸，設計選配8臺不小于20噸千斤頂，每角兩柱之間布置，能承受荷載160噸。以下為皇亭頂升受力示意圖，箭線表示傳力方向。

3）頂升詳細設計：緊貼木柱子兩側分別采用4根100mm*100mm木方（黃花松），明間上頂大額枋、次間上頂大額枋下穿插枋（替代原柱子受力），100mm*100mm木方坐落在22#槽鋼（水平方向柱子內外側布置2道，距地面600mm），在槽鋼中間布置千斤頂（次間穿插枋下面各設一臺20噸千斤頂），千斤頂下鋪設20mm厚鋼板，千斤頂與槽鋼接觸面放置22#工字鋼。結構荷載通過豎向100mm*100mm木方傳遞到水平槽鋼上，再通過水平槽鋼傳遞到千斤頂上。為了防止千斤頂回油，亭子下降，在千斤頂兩側以及兩柱之間隨著頂升增加馬蓮垛（硬木楔）。為了防止個別柱子與柱頂石面懸空難以歸安，在豎向木方上側放置200mm（長）*100mm（寬）*50mm（厚）抄手楔，方便歸安時使用。

4）為了保證受力架體的穩定性，在穿插枋下500mm處水平方向設置18#槽鋼（柱子內外側2道），確保亭子頂升時整體穩定性。所有槽鋼內外側采用20M高強螺栓緊固抱柱，節點處適當配合焊接，槽鋼上側采用抱箍抱住木柱子，或在槽鋼與柱子之間增加硬膠皮，增加柱子與槽鋼的摩擦力。為了增加豎向受力木方的穩定性，在上下水平槽鋼中間增加兩道拉桿（50mm*100mm木方），用于固定豎向受力木方，采用4寸釘子固定。

5）為了保證大木構架整體安全性，在柱與柱、梁枋與柱等榫卯連接部位，用繩索、鐵箍、扒鋸子等方法，增加輔助鏈接，下檐大額枋與抹角梁扒鋸子鏈接，抹角梁與童柱采用扒鋸子鏈接，童柱與小額枋采用扒鋸子鏈接，童柱與上重檐大額枋鏈接。為了增加上部結構的穩定性，在抹角梁及以上共三處水平方向增加拉結（材料為50*100mm木方）。

6）為了保證受力結構的穩定性，在豎向受力木方對角采用鋼管或木方進行拉結。

5、難點分析

1）提升皇亭的柱頂石標高，按照以往的修繕經驗，無論是“打牮撥正”還是“偷梁換柱”均需要卸除屋面荷載，拆除瓦面、泥背、灰背、脊等，有效減輕部分屋面荷載，保障施工安全。由于文物監督站、設計要求不讓揭瓦卸荷，需帶荷頂升，采用對皇亭整體進行抬升，皇亭整體抬升歸安后，再按圖紙施工拆瓦檐頭，檢修檐口木構件。經計算單個亭子瓦面、泥背、灰背重量及架體自重70噸，大大增加了頂升難度，存在一定的安全隱患，并對屋面及大木結構有一定影響。為了保證皇亭提升工程的安全性，分析結構的受力形式，采用槽鋼配合千斤頂的方法進行頂升，并加大頂升系數，嚴格控制頂升高度，以每次3mm為限。

2）皇亭歸安：考慮皇亭本身已沉降多年，榫卯受力構件逐漸形成一種新的穩定結構，很難同步歸安，亭子歸安時會出現三種情況，第一種情況部分低點柱子先接觸柱頂石面；第二種情況當部分柱底與柱頂石面出現虛點時，采用松動螺栓，并采用震、撬、拉、壓等方式輔助歸安；第三種情況當出現個別柱子與柱頂石面懸空難以歸安時，為了解決此種情況，可向外移動豎向木方上側放置200mm（長）*100mm（寬）*50mm（厚）抄手楔， 兩側抄手楔交替緩慢拉動，直到柱子落實到柱頂石上。

6、頂升施工方法

施工準備→千斤頂選用→千斤頂整體抬升布置→整體抬升→柱頂石檢修→歸安→頂升設施拆除→ 屋面瓦檢修

6.1施工準備

1）遵照文物保護法規定的“不改變文物原狀”的原則，在本次修復工程前，對現存兩座碑亭上面的油飾彩畫，首先做測量、拍照、記錄備案，并同時對現存舊彩畫做認真的拓、描取樣工作。

2）對皇亭內文物進行成品保護，尤其是石碑及漢白玉欄桿等。

3）頂升施工開始前，地仗應基本清除完畢，能直接觀察架體聯接構造，運用整體抬升的施工方法，使構件準確歸位，保證架體安全。頂升前，打開木構架的脹眼，防止榫卯折斷、開裂。

4）施工前，繪制柱網圖，統一編號，用測量儀器對柱頂石標高進行復測，記錄原始數據。在皇亭四角設置龍門樁，標注50線，柱身貼好標尺，拉好十字線。根據測量數據，確定好±0.00基準點，保證修復后的所有柱頂石標高均控制在（0—5）mm之內，不得出現負值。

5）材料及工具準備：提升工具采用8個千斤頂將大木架打起（單個不小于20噸），在柱頂石下襯墊鋼墊，使柱頂石頂部達到同一標高。應提前備足尺寸適宜的優質鋼板，并做好防腐處理。千斤頂、鋼板必須具備相關檢驗合格證明。

6）認真學習有關的施工及安全標準規范，根據擬定的施工方案，分別做好技術交底和安全交底。制定以崗位責任制為核心的各項管理制度，管理制度的制定都要針對項目的具體情況和施工現場的實際需要，做到嚴密、細致、行之有效，便于操作，避免空洞的口號。對施工所需的各種儀器、計量器具進行認真的檢查，是否經過檢測及標定，是否符合要求，需檢測的應到有關部門予以檢測。

7）開工前全面組織施工人員進行質量、安全生產和文明施工方面的教育。消除各種隱患，杜絕發生安全事故。進入施工現場后做好場地清理，安排好施工道路，為施工做好必要準備工作。檢查施工現場用電是否符合《施工現場臨時用電規范》。現場設置消火栓，消除各類消防隱患。

6.2千斤頂的選用

1）方法一：頂升設備由8臺液壓千斤頂組成，由一臺油泵機控制。8臺液壓千斤頂使用1臺油泵控制，從而保證8臺千斤頂同步頂起所有架體，用同時控制油表壓力和頂升位移的方法（即所謂“雙控法”）對整個頂升過程進行控制。就千斤頂組的整體頂升能力，千斤頂頂升荷載不小于自重的兩倍以上時，千斤頂行程一致，提升時系統的壓強值應滿足要求。

2）方法二：頂升設備選用8臺手動千斤頂，安排8人操作千斤頂，8名輔助人員，頂升過程由專人指揮，專人觀測頂升高度并嚴格控制。保證千斤頂壓桿行程一致，提升時系統的壓強值應滿足要求。

方法一適用于多臺大型工程頂升，方法二適用于相對較小的項目，皇亭規模、頂升高度相對較小，因此最好選用方法二進行選配千斤頂。

6.3千斤頂整體抬升布置

1）為保證能順利進行起落，經過計算決定使用標定好的20噸位千斤頂共8臺。首先在千斤頂下放置特制2cm厚的鋼板，上置標定好的千斤頂。柱礎之間為攔土，鋼板放置在攔土之上，經計算能滿足千斤頂承受荷載。

2）在柱子（內外側）上下安裝兩排槽鋼，槽鋼內外側采用20M高強螺栓緊固抱柱，下排為 22#槽鋼（距地面600mm），為主要受力構件，在槽鋼中間布置千斤頂（次間穿插枋下面各設一臺20噸千斤頂），千斤頂下鋪設20mm厚鋼板，千斤頂與槽鋼接觸面采用22#工字鋼。達到結構荷載通過豎向100mm*100mm木方傳遞到水平槽鋼上，再通過水平槽鋼傳遞到千斤頂上，千斤頂的承受的荷載最終傳遞到攔土上。

3）為了保證架體的穩定性，在穿插枋下500mm處水平方向設置18#槽鋼（柱子內外側），槽鋼內外側采用20M高強螺栓緊固抱柱，確保亭子頂升時整體穩定性。

4）在木柱子兩側分別安裝4個100mm*100mm木方（黃花松），明間上頂大額枋、次間上頂額枋下穿插枋（替代原柱子受力），100mm*100mm木方坐落在22#槽鋼（水平方向，距地面600mm）。

5）以保證千斤頂垂直作用于工字鋼梁底支點，同時保證千斤頂中心線與承重架中心線接近在同一條中心軸上，將工字鋼與橫向槽鋼進行焊接連接。

6）為了防止千斤頂回油，亭子下降，在千斤頂兩側以及兩柱之間放置馬連垛并隨著頂升增加馬連垛（硬木楔）高度。

7）為了增加上部結構的穩定性，抹角梁以上為上部結構，將童柱和坐斗與抹角梁采用扒鋸子連接，抹角梁與檁采用扒鋸子連接，并將抹角梁以上水平方向采用50*100mm木方進行拉結。

8）為了增加柱子與槽鋼的摩擦力，在槽鋼與柱子之間增加硬膠皮。

9）在柱與柱、梁枋與柱等榫卯連接部位，增加了輔助鏈接，抹角梁一下為下部結構，為了保證下部結構的穩定性，下檐大額枋與抹角梁采用扒鋸子連接，大額枋與柱子采用扒鋸子連接，穿插枋與柱子采用扒鋸子連接，從而保證了大木構架整體安全性。

6.4整體抬升

1）本工程設有8個千斤頂，安排8名施壓人員、8名輔助人員（補充墊板、木楔填充）全部就位，根據填充高度及時填充適宜的墊板，防止千斤頂工作狀態失穩。另外設置測量人員、觀察員6名，負責現場結構的測量、結構架體的檢查、外圍的安保人員，為確保施工安全，禁止一切與本工程無關的人員進入。

2）頂升期間，嚴格控制頂升速率，以1mm/分鐘為限，嚴禁超限施壓。每提升3mm為一個提級，以千斤頂、墊板、木楔為多重支撐，確保架體不回落。穩荷20min，檢查人員、測量人員進行結構檢查，確認架體、屋面安全后，方可進行第二級加荷，直至達到設計頂升高度，對千斤頂及支撐體系鎖緊，使之穩定。

3）預頂升（以架體頂起3mm為準）

預頂升主要目的為消除頂升系統可能出現的問題，同時消除頂升過程中可能出現的非彈性變形。預頂升以千斤頂頂至設計荷載為控制荷載，要確保在頂升中梁體同步被頂起，并應持荷20min以上卸載。卸載后應認真檢查系統的各自控制系統及表觀現象，檢查重點有：所有千斤頂有無異常現象、架體有無異常現場等。 卸載后同時還應認真檢查千斤頂上下鋼板有無變形現象，必要時可調整鋼板的厚度以滿足頂升要求；認真檢查千斤頂放置位置下的結構物有無區別于頂升前的現象，如存在，應認真查出原因后方可正式頂升，嚴禁情況未明時繼續進行頂升。卸載后還應立即組織溝通會議，把出現的問題及時協調處理，明確對于組織機構、信息傳遞及反饋等過程控制中有無需再次強調及改進等。所有各項均核對無誤后可再次頂升一個量程，即3mm，頂升到位后應及時加上輔助支撐（千斤頂兩側放置硬雜木）。

4）頂升

頂升過程中，不需要歸安的柱子，在柱子與柱頂石之間應放置抄手楔。需要歸安的柱子，直接將柱子頂起。

5）頂升至設計位置

經現場再次確認千斤頂無移位等現象后可統一繼續頂升工作。根據不同墩號頂升工作需要不同頂升循環才能頂升至設計高度，應嚴格控制過程中的換頂作業等工序。為了增加頂升安全儲備控制在有效之內，應注意頂升過程中千斤頂不可頂升至最大的行程高度，應不超過千斤頂的最大有效高度的50%，如頂升高度不夠，可在千斤頂下增加鋼板。

頂升至設計高度位置過程中，頂升過程應嚴格按照規定分級加載控制程序執行。

6）抬升柱頂石

沿亭子面寬方向兩側挖50mm寬工作面，向外側開挖100mm作業面，向亭內方向挖作業面600mm寬；將柱頂石下皮灰漿、渣土清理干凈，順時針四角采用撬棍墊100mm*100mm鋼板，內側留灌漿槽口，外側留排氣孔。

6.5檢修柱頂石（灰漿澆灌）

檢修柱頂石，基層按要求進行處理，按設計要求放置鋼板（鋼板需做防腐處理），四角固定鋼板，將灰漿灌滿密實養護，將柱頂石按設計要求放在指定位置調整各個支座高度達到設計標高，并保持一致。方可進行歸安。

6.6亭子歸安

歸安程序與頂升程序相反，應嚴格執行其程序。支點承載以后應注意位移數據，各墩減速是否一致，位移變化是否一致，相差過大時應找出原因處理后重新歸安。歸安前應保證柱頂石下灰漿強度達到設計要求。亭子歸安時出現三種情況，

第一種情況部分低點柱子先接觸柱頂石面；第二種情況當部分柱底與柱頂石面出現虛點時，采用松動螺栓，并采用震、撬、拉、壓等方式輔助歸安；

第三種情況當出現個別柱子與柱頂石面懸空難以歸安時，為了解決此種情況，可向外移動豎向木方上側放置200mm（長）*100mm（寬）*50mm（厚）抄手楔， 兩側抄手楔交替緩慢拉動，直到柱子落實到柱頂石上。

歸安時要檢查柱頂石、柱子水平位置保持原狀。

6.7提升設施的安全拆移

提升設施的拆移應注意安全、有序，采用與頂升時相同的保障措施進行監控，同時應注意成品保護和拆除時的施工安全。

7、皇亭重量計算

7.1屋面荷載計算

（1）瓦面89.89㎡ ，317kg/㎡，共28.5噸。

（2）正脊3.4m，321kg/m，共1.1噸。

（3）垂脊2.6m*4個，209kg/m，共2.18噸。

（4）戧脊3m*8個，173kg/m，共4.2噸。

（5）圍脊4.2m*4個，210kg/m，共3.6噸。

（6）正吻2個，774kg，共1.6噸。

（7）垂獸4個，256kg，共1噸。

（8）戧獸8個，143kg，共1.2噸。

（9）木材12m3，共7.2噸。

（10）槽鋼及木方自重約6噸.

重量共56.58噸。

參考文獻：

[1]古建筑屋面荷載編匯（上）（下）劉大可 著.北京市古代建筑設計研究所的施工圖紙.工程測量規范GB50026-2007.

[2]古建筑木結構維護與加固技術規范（GB50165-92）.

[3]古建筑修建工程施工及驗收規范（JGJ159-2008）.

[4]《木結構工程施工質量驗收規范》GB50206-2012.

[5]《古建筑修建工程質量檢驗評定標準（北方地區）》CJJ39-91.

[6]建筑防腐蝕工程施工規范（GB50212-2014）.

[7]建筑機械使用安全技術規范（JGJ33-2012）.

結語：

通過這次文物古建皇亭整體提升的理論與實踐成功結合，不僅解決了皇亭柱頂石沉降的問題，達到有效保護文物的目的，并且對未來文物古建修繕將起到寶貴的參考價值，甚至該技術在未來修繕古建文物能夠再次得到應用。