古建筑木結構安全性檢測內容及方法探討

(陜西工業職業技術學院， 陜西 咸陽 712000)

引言：古建筑是中華文明的瑰寶，對其的保護已經上升到了國家層面上。中國的古建筑大多是木質結構，在長期使用的過程中，所受到的物理作用、化學作用、昆蟲和微生物侵害，以及人為破壞，建筑木結構的力學性能會有很大的降低，木質結構內部很容易出現霉變、腐朽等情況，長期使用，已經嚴重影響了建筑的安全。使用現代的手段，可以對古建筑進行安全檢測，尤其對古建筑的木結構進行缺陷等檢測，從而針對性地加強對古建筑的保養。

1 古建筑木結構現有監測方法

當前的古建筑木結構檢測方法，可以分為兩種:一類的主要目標是檢測木結構內部的缺陷和損傷，這類檢測通常都是無損檢測或微傷檢測，針對古建筑的木結構特點發展而來。這類方法的原理，是基于物理和化學理論，對木材的含水量、殘余彈性模量、表面硬度進行測定。另一類是基于木結構的尺寸、外觀、結構動力特性進行檢測的方法，比如三維技術。這類檢測方法能夠從整體上反映木結構的性能指標，并通過數據分析木結構不同位置的損傷程度。

1.1 應力波法

應力波無損監測在過去的幾十年有著很快的發展，對木材缺陷監測以及力學性質的定量測量取得了良好的效果。基本原理是敲擊木材的一端，使其內部產生應力波，通過計時裝置測量應力波在木材內部的傳播時間，最后計算波速，來推斷木材的性能，如腐朽、缺陷和彈性模量等等。應力波無損檢測技術包括橫向應力波技術和縱向應力波技術。其中，橫向應力波技術對木材內部的缺陷進行檢測，縱向應力波技術負責測量木材的彈性模量。

1.2 阻抗儀監測法

木材阻力儀主要由電動和保護裝置、微機系統和蓄電池組成。在對木材進行測量時，用一根1.5mm的探針，在電動機的驅動下，勻速插入木材內部，因為電動機的電壓恒定，因此電流就能反應木材電阻的大小，因為電阻與木材的密度有關系，所以通過電流大小，可以間接地反映木材的電阻。

1.3 三維掃描技術

相比于上述兩種測量方法，三維掃描技術是一種全新的測量手段，也可以叫做高清晰掃描測量。用這種測量方法，可以對物體進行全方位、無接觸的全景幾何數據采集。三維機關掃描技術具有快速、實時、動態、主動、數字化等優點，在對古建筑進行測試時，不僅對建筑本體不會造成損害，還能進行遠程測繪。目前，已經在故宮、頤和園等古建筑群檢測中大量使用，對這些建筑進行幾何信息采集和機構變形監測。

1.4 動力特性測試法

動力測試法測試的是建筑的機構的動力特性參數，對動力特性參數變化進行對比，來衡量建筑的改變，結合信號處理技術，可以對結構的損傷位置和損傷程度進行判定，彌補了傳統無損檢測法局限于木材缺陷檢測的不足。這種檢測方法可以分成兩類：一類是人工激勵，通過使用激振器進行激勵，或力錘激勵、重物激勵等方式，通常在小型檢測或實驗室中使用比較多；第二類是環境激勵，通過自然脈動、地面脈動等不同激勵源，對建筑進行無損檢測。

1.5 試驗法

2 古建筑木結構安全鑒定法

古建筑木結構安全的鑒定主要是通過結合結構現場的監測數據、缺陷情況，計算結構承載力，最后對建筑的力學性能進行綜合評估。鑒定階段的主要問題，是如何評估結構的承載力，并對結構部件、節點進行計算，目前國內在這方面已經取得了不少成果。但是，因為檢測的復雜性，我國還尚未形成統一的檢測方法和標準。

2.1 有限元法

有限元法是求解數學物理問題的重要方法，在對古建筑進行結構分析時，有限元數值模擬已經成為了一種重要的方法和工具。該方法首先對古建筑結構進行數學建模，然后對其力學結構進行分析，從而為結構安全分析提供較為準確的力學結果，并且能夠反映出建筑的變形和內部特征。但是這種方法，對古建筑殘損情況的估計不足。

2.2 簡化計算法

這種方法基于結構靜、動力學的基本理論，建立簡化的古建筑數學模型，進行靜力學和動力學計算，來評價古建筑的安全性能。對于木結構的古建筑而言，其受力最復雜的部位就是各個構件的榫卯節點，簡化計算法因為數學模型和榫卯連接、半剛性連接方式的力學原理有很大不同，所以計算結果往往與實際結果不同。

2.3 層次分析法和灰色模糊分析法

建筑物的安全評估，主要以鑒定為主、定量分析為輔的方法，這些標準主要基于層次分析法。通過對木結構進行安全評估，對構件、構造殘損點的殘損程度確定，以及評估構造的安全等級，最后鑒定單元或建筑物的安全性等級。灰色模糊分析法也是采用層次分析法進行層次劃分，不同的是，灰色分析法在對安全性進行評估時，會考慮一些無法獲取的信息，基于灰色理論和模糊數學，從而形成灰色分析法。

3 古建筑結構現有的檢測標準

我國目前的古建筑鑒定技術標準并不完善，相關的法律主要是《古建筑木結構維護與加固技術規范》，規范僅僅在第四章出現了可靠性和抗震鑒定內容，對殘損點僅僅做了定性規定，缺少定量規定，檢測鑒定人員在實際的測量中難以把握。近年來對古建筑的保護意識增強，業界學者也開展了相關監測鑒定結果的標準制定工作。中國工程建設標準化協會在2014年編制：《古建筑木結構檢測技術標準》、《古建筑木結構抗震鑒定標準》、《古建筑木結構安全性評價標準》，這三項協會標準，當前尚未形成征求意見稿。在古建筑技術測試方面，發布了《古建筑防工業震動技術規范》、《古建筑木構件內部腐朽與彈性模量應力波無損檢測》，但是在其他方面沒有形成相關標準。

當前的檢測標準，無論是技術標準還是安全標準，都不能滿足對古建筑進行木結構安全鑒定的需要，仍然需要學者和技術人員進行深入研究，并制定相關的標準。

結束語：我國古建筑的檢測鑒定雖然已經有了很大的發展，但在很多方面仍然存在不足并且不成熟，方法上也存在著局限性，需要更深入的研究。古建筑相比于現代建筑有著很大的獨特性，是現代建筑無法代替的，對古建筑的檢測和鑒定，必須要符合古建筑的特點，不能把現代建筑的檢測標準和方法在古代建筑中生搬硬套，并且要盡可能不傷害古建筑。進行測試的技術人，在進行古建筑木結構檢測時，也要對各種不同方式的利弊熟知，從而保證在古建筑不會受到損傷的前提下，實現對古建筑的全面檢測。對古建筑進行有效的安全評估，保護我國的文化古跡。

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