淺析故宮的維修技術與展望

【摘要】故宮又名紫禁城.因其歷史悠久，文化底蘊豐厚，規模宏大而聞名于世。近年來故宮的修繕中使用的各種維修技術值得我們去深入研究。本文從木材的材料性能出發，介紹了故宮存在的損傷問題，分析了傳統修復技術的優缺點，并對木結構修復新技術進行了介紹與展望。

【關鍵詞】故宮；木結構；修復技術

故宮是中國古代的皇宮，于15世紀初建成，現保存完好，是我們中華民族標志性的文化遺產。明代京城建設期間，故宮實為建設重點，規模宏大，建筑奇偉。在歷史上，故宮曾相繼被火焚毀，延至正統四年，才重新修復。后三起三落，至天啟七年，為明季最后一次大修。故宮在明清五百年間歷經戰亂、自然侵蝕、火災焚毀，隨時間推移，故宮木結構出現了諸多問題而多次翻修，但基本格局依舊保持創始時期的風格，屹立至今。

故宮的主體結構是木結構，木材自身有一定的局限性，尤其在長時間環境、荷載作用下會產生相應破壞。故宮用木量巨大，由此產生的木材殘損、腐蝕、蟲蛀問題也十分嚴重。作為歷史意義重大的建筑典范，故宮的修復顯得尤為重要，近年來隨著社會各界對文化認識的加深，對故宮修繕技術的探索也不斷向前。

1、木材特性

1.1易受外界環境的侵蝕

外部自然環境的侵蝕、蟲類、蟻類的蛀蝕等不利因素都會影響木結構的性能。木材對環境較為敏感，根據所處環境的不同會產生一系列物理化學變化，使木結構性能衰減甚至破壞。由于一年四季空氣的含水量不同，木材會隨著周圍空氣濕度的變化而失水干縮或吸水濕脹，發展裂縫；木材中存在微生物，其代謝過程中發生生物酶反應，木材中的有機纖維會參與其中反應，例如木質素、纖維素和半纖維素會被生物酶降解，長鏈有機高分子聚合度變小，強度下降；建筑背光處的構件由于所處環境陰暗潮濕，會滋生真菌使木材發生糟朽，使構件載面有效承載面積減小而承載力降低，最終導致結構構件破壞；白蟻和土蜂對木結構危害極大，它們會蛀蝕構件，嚴重影響建筑的壽命與安全。

1.2木材、木結構的限制

木材在外荷載的長期作用下強度衰減較為嚴重，外荷載越大，構件壽命越短。根據相關規范，在荷載作用約30年左右后，木材的各項強度都會下降50%左右，彈性模量也有顯著降低，截面剛度下降，構件的撓度，尤其是梁的撓度增大，對此應及時采取支撐加固措施，否則隨著撓度的發展，構件會折斷，甚至造成結構整體的失穩。木結構建筑的梁柱節點連接方式多種多樣，故宮多采用榫卯連接，在風荷載、地震荷載等橫向荷載的循環加載下，木結構橫向變形不斷往復，榫卯節點容易破壞，危險性極大。

2、故宮木結構損傷情況及修復措施

故宮中的木結構存在如下問題：

2.1開裂嚴重

對于木材構件上產生的干縮裂縫，當裂縫深度處于一定范圍內時，可采用如下方法進行修補：當裂縫不超過3毫米時，可使用石膏填滿縫隙并抹平構件表面當裂縫寬度在3到30毫米之間時，可加工出一與裂縫形狀相近的木條，將其填入裂縫，注膠抹平；裂縫超過30毫米時，在填補木條后，還應在施工區域加設鐵箍約束。

若裂縫深度過大，則應計算其剩余承載力，若剩余承載力足夠，修補方式可按原方法進行，若不足，則應按增添支撐或架設加固構件，如：增設立柱或在破損處埋設鋼支撐構件，若裂縫開展及其嚴重無法修補，要將整體構件換新。

2.2木材糟朽

故宮建筑的木框架底部支撐，柱腳和各個梁柱節點是糟朽現象經常發生的地方。對于局部糟朽，可僅剔除糟朽部分，用木屑膠水的混合材料進行填補，若強度不夠則增設鐵箍加固。若糟朽嚴重，則應整體替換后加固。

2.3構件撓度過大

主要采用下承式拉桿法和支頂加固法，他們通過在撓度過大的梁下架設拉桿或對梁架進行支頂，形成一組合梁結構，應力得到重新分布，原構件內力被支撐構件所分擔，薄弱環節處的彎矩減小，撓度也得到了相應降低。

2.4梁柱節點的破壞

破壞不嚴重的位置可用木板或鋼板進行加固，U型板材由于截面剛度高也經常被用于加固中。

2.5柱子傾斜

為了加強結構抗震能力，故宮木結構柱底一般浮擱于柱頂石上，加之梁柱節點間的榫卯連接容易松動，側移無法被有效限制，柱子則會傾斜，影響結構穩定性。

修復一般在對柱體進行扶正校準后增設膠合板抗震墻、增設鋼鐵構框架、增設扶壁柱等，來提高建筑整體的剛度，使柱體之間相互聯系，減少柱子傾斜的情況發生。

3、傳統維修技術的特點

《古建筑木結構維護與加固技術規范》對古建筑的修復工作提出：古建筑的修復與加固，必須遵守不改變文物原狀的原則，修繕過程中，應保存原始建筑所選木種、結構形式以及施工技術等。在遵循這一前提的原則下，傳統維修技術仍舊是木結構文物建筑保護的主要手段。這些技術有著悠久的歷史，是經歷時間考證的有效修復方式，能夠有效地保護古建筑的外觀，沿襲其風格，保留其歲月感與風骨。堅持保護、傳承傳統技術，符合當代文物保護理念核心價值觀。

然而在對傳統技術給予肯定的同時，也應不斷改善傳統加固法的一系列不足之處。例如使用鐵箍加固時，加設的鐵箍都需嵌入木材構件內，使之與木材外表面齊平，這樣才能保證刷上油漆后不改變其原貌。但若使用鐵箍，之前必須進行防銹處理，而且防腐蝕藥劑容易在進行抗腐蝕處理時對木結構造成二次損傷，此外還會大大增加施工周期。

木結構耐腐蝕性差，容易被害蟲蛀蝕，因此防腐防蟲害處理的步驟必不可少。防腐處理通常使用的是有一定毒性的防腐防蟲藥劑，通過對構件進行滲透擴散、噴涂或壓注噴灑處理達到防腐目的。這些防蟲藥劑有著不同程度的毒性，有毒物質在空氣中擴散，長此以往會對游客以及工作人員造成健康方面的影響。

增設拉桿、支頂、增設膠合板抗震墻、鋼鐵構框架、扶壁柱等加固措施時也改變了建筑原貌，不利于歷史文化的傳承。

3.1故宮修復新技術的應用

隨著近代材料科技的發展，力學性能優異的新材料使用范圍也越來越廣，加固將不僅僅被木材、鋼材、螺栓等常見形式所約束。

纖維增強材料就是一種新型材料，常使用的主要包括碳纖維材料、玻璃纖維材料和玄武巖纖維材料等。以上幾種纖維材料中，碳纖維材料力學性能最優，不僅材質輕，其抗拉強度還能達到鋼材的數十倍。將其制成碳纖維布，貼附在破損木結構外表面幫助構件承擔拉力，可有效減小木構件的負擔。施工工藝也不繁瑣：對待加固的木構件進行表面處理：涂抹基底樹脂，將碳纖維布完整地貼在木構件表面，使之與構件緊密貼合，最后進行彩飾與防護涂裝即可。

結合計算機使用的一些先進技術和設備也被廣泛的應用于木結構的修復中。三維應力波斷層描技術：固定在在構件表面的應力波發射器發出應力波，經過構件后，該機械波由于遇到裂縫等缺陷而導致波形的改變，通過接收器處理該信號后，可繪制成圖譜，繼而從圖譜中分析出構件缺陷的數量和種類；而與阻力檢測技術相結合使用則能夠解決三位應力波斷層掃描技術一次只能掃描一個平面的局限，大大加快掃描進程，尤其對于故宮這類大規模建筑群，能夠幫助人們快速發現缺陷并及時修復。

對于不易觸及位置的構件可采用三維激光掃描技術，可在方便的位置進行掃描，獲取大量高精度三維坐標信息，它不受光環境影響，利用激光良好的精度和穩定性進行大范圍掃描，掃描到的圖形信息經計算機處理后轉換成三維數據，并可以自動生成數據庫。

3.2新技術的優點與展望

纖維增強材料加工制成的纖維布以其強度大、自重輕、方便施工等優點，適合黏貼于待加固的構造復雜的木結構構件表面。纖維布相比于常用的鐵箍，不僅抗拉強度是其數十倍，而且施工過程中使用的粘結劑（環氧樹脂）和纖維布自身耐腐蝕性能都很優異，因此木結構的防腐處理環節可以被省略。由此可見，纖維增強材料完全可以替代傳統加固中的鐵箍。

目前，纖維增強材料加固技術在歐美的木結構加固中應用較為廣泛，但在故宮的修復工程以及中國大多古代木結構修復工程中都基本沒有使用，其原因一方面是相應的施工技術的不成熟，另一方面是出于碳纖維材料高昂的造價：每千克碳纖維造價接近90元，而如果將此修復技術應用于規模如此恢弘的故宮中，勢必需要大量投入制造，成本不容小覷。對此，碳纖維制造工藝的改進和降低生產成本則顯得尤為重要，希望新材料在未來能夠被廣泛的被應用到中國古建筑的修復中去。

三維應力波斷層掃描技術協同阻力檢測技術掃描待監測部位，無需取樣，不破壞原結構，高效快捷。與之相近的還有數十種木材無損檢測檢測技術，同樣在不用剖開構件、破壞截面的前提下，對木材內部的裂縫、糟朽、殘缺等損傷進行勘測。

傳統測繪技術需要架設多部全站儀進行逐點測量，效率較低，而三維激光掃描技術可通過掃描的方式快速將整體結構信息集成到一起構成三維模型，精確紀錄古建筑全部細節信息，省時省力。在計算機中可從各個角度觀測該模型，直觀了解構件表面的損傷程度和標高，以便及時修補和為日后的沉降、構件位移等參數比對提供參考。同時，對于破損嚴重的古建筑，可在此三維模型的基礎上進行虛擬重建，最大程度上還原建筑原始樣貌。

從社會角度來說，不僅僅是故宮，還有許多其他亟待維修的古代木結構建筑，若將這些先進技術推廣到所有木結構的監測和修復中去，勢必能夠及時發現現存的一些結構損傷，避免不必要的破壞發生；對于已損結構，新材料、新補強技術因其所具有的良好力學性能及耐久性能，也是未來古建筑修復的大勢所趨。