寧波保國寺大殿宋柱現狀監測的無損與微損檢測技術研究

陳琳 Chen Lin

符映紅 Fu Yinghong

居發玲 Ju Faling

戴仕炳 Dai Shibing

1 引言

寧波保國寺是第一批全國重點文物保護單位，現存大殿為北宋祥符六年（1013）重建，距今已有一千余年的歷史（圖1）。大殿的木結構因其生物質材料的特點，一般建成數十年后部分構件就會出現腐朽、蟲蛀的現象。對于歷經千年滄桑的保國寺大殿，為了消除隱患，延長建筑壽命，需要對其“實行連續監測，記錄、整理、分析監測數據，作為采取進一步保護措施的依據”，“監測包括人員的定期巡視、觀察和儀器記錄等多種方式”，監測檢查記錄包括“對可能發生變形、開裂、位移和損壞部位的儀器監測記錄和日常觀察記錄”。[1]“日常維護和監測數據都應作為建筑歷史資料的一部分妥善保存。”[2]木結構的無損與微損檢測技術因其記錄準確、科學，且不改變或僅最小程度改變文物本體原狀的優點，成為日常監測保國寺大殿木構性能和安全性的理想手段。

國際上，對木結構的監測可追溯到20世紀80年代后期的美國，初期主要用于評估橋梁的結構安全。過去的十年里，在歐洲的一些木結構發生坍塌之后，越來越多的人開始關注對木結構（包括新建筑木結構）的監測。在2006年德國巴特賴興哈爾（Bad Reichenhall）的溜冰場倒塌之后，對木結構的結構監測工作受到了更多的重視[3]。阿爾貝托 · 卡瓦利（Alberto Cavalli）、馬爾科 · 托尼（Marco Togni）[4]認為通過仔細定期的監測體系，可以避免出現木結構由于各種原因發生的坍塌[5]。揚尼斯 · 齊西斯（Ioannis Zisis）對北美低層木結構住宅進行了全面監測，包括對天氣、壓力、負荷的監測，研究了風載荷對木構結構性能的影響[6]。藤井義久（Y. Fujii）、藤原裕子（Y. Fujiwara）、木川理花（R. Kigawa）等采用非破壞性的方法，包括聲發射（AE）監測、代謝氣體監測、微米和毫米級電磁波監測等，對日本傳統木構的材料生物降解以及結構的物理和力學性能進行監測[7]。為監測新建筑而采用的一些方法，可以擴展應用到歷史建筑的木結構中[4]。通過監測環境濕度來估算木構的含水率，監測環境溫度和木質材料含水率來預測真菌的活性，從而對木材的腐朽過程進行監測[8,9]。利用小型傳感器，可以監測或干擾生物（如白蟻）的活動[4]。目前，為了監測木材的腐朽過程，有研究團隊開發了一些預測木材降解速度的模型，但尚限于短時間的測試，且僅適用于小尺寸的標本[8,10]。直到今天，對歷史建筑木結構的監測標準仍然較低，只需做到記錄溫度與濕度的變化和重復現場檢查，甚或二者僅取其一。通過定期進行無損與微損檢測的方法來評估歷史建筑木結構狀態、材質情況和新的劣化程度，是現在用于木結構歷史建筑材質監測的探索性方法。

圖1 寧波保國寺大殿（圖片來源：湯眾攝影）

圖2 保國寺大殿宋柱分布及編號（圖片來源：寧波市保國寺古建筑博物館）

國內對中國第一木塔——山西應縣木塔的監測工作開始于20世紀70年代。1975—2004年，太原理工大學、北京建筑工程學院、太原市測繪研究院先后對應縣木塔進行了變形等方面的結構監測[11]。2000年，中國文化遺產研究院與中國林業科學院木材工業研究所完成對應縣木塔的材質分析工作。2007年，中國文化遺產研究院負責組織研究并完成應縣木塔監測系統方案設計，包括變形連續監測、結構動力特性監測、地震與地面脈動監測，以及環境監測等內容[12]。2007年，寧波保國寺古建筑博物館與同濟大學建筑與城市規劃學院合作，開始構建保國寺大殿（圖1）文物建筑的保護監測系統，主要采用物聯網技術實現對環境和結構的監測[13,14]。2003—2008年，中國林業科學研究院先后兩次對保國寺大殿材質情況進行勘察分析。2010—2011年，東南大學對保國寺大殿進行了詳細測繪以及材質分析工作[15]。

目前，國內外對歷史建筑木結構的監測，大多是聚焦在對環境以及結構方面的監測。而對木構建筑本體的監測，因不同于前兩者可以借助于物聯網技術采集到實時數據，而需要定期應用無損、微損檢測方法采集數據來評估木結構的材質現狀，加之此類檢測方法在國內使用并不廣泛，而國外對木構本體材質的監測主要針對新建筑，所以采用無損與微損檢測方法對歷史建筑木結構本體材質監測的研究并不多見。

在保國寺大殿中，木柱是其最重要的豎向受力構件，而大殿內部有16根柱子屬于宋柱①文中“宋柱”區別于清代添加的外圍木柱，指的是基本體現保國寺大殿北宋初建時建筑形制的柱子，不排除其中有部分木柱為后世按原形制更替的可能性。（圖2）。其中7根木柱由較小木料鑲拼而成，截面呈八瓣瓜棱狀，是現存最早的木構瓜棱柱實例。這種獨特的柱身形式是保國寺大殿的重要特征所在，也為監測工作帶來了新的特點和難度。

保國寺大殿木柱的現狀監測應用了微波檢測技術，對引起木材材質腐朽、蟲蛀的重要影響因素——水分傳輸路徑進行分析，以了解木柱內部含水的來源。同時，還采用了超聲波、木材阻抗檢測技術，對木柱內部材質腐朽、空洞程度進行檢測分析。此次保國寺大殿宋代木柱的儀器監測記錄，為采取進一步保護措施提供了依據。

2 寧波保國寺大殿宋柱無損與微損檢測技術選擇

木結構的無損與微損檢測技術有含水率無損檢測技術、微波檢測技術、超聲波檢測技術、木材阻抗檢測技術、皮螺釘（Pilodyn）檢測技術、聲應力波檢測技術

和電子錘應力波檢測技術等。另外還有以及其他木結構無損、微損檢測技術。各種檢測技術的原理、檢測內容及優缺點如表1所示。

所有的檢測方法各有優缺點。為了實現對保國寺大殿宋代木柱的有效監測，對其進行更好的跟蹤與維護，檢測人員以檢測技術的可靠性、穩定性、便捷性、數據易解和費用低等為原則，選擇微波檢測技術、超聲波檢測技術、木材阻抗檢測技術三種無損或微損檢測技術對宋柱進行測試。

2.1 寧波保國寺大殿宋柱微波檢測技術

微波穿過物體后強度會減弱，發生功率的衰減和幅值、相位及頻率等相關參數的變化，通過檢測這些變化的數據可間接測得物料的含水率[17]。微波檢測速度快、精度高、測量范圍大，且受外界環境影響小[18]，可以用其檢測木柱內部水分來源。

寧波保國寺大殿16根宋柱中有7根為拼合柱的構造形式，包括外圍八塊木料用銷子連接，圍繞中心木柱形成的八瓣包鑲柱（圖3a），以及四根木柱合在一起，外加四塊木料，形成外圍八道瓜棱的四木合柱（圖3b）。

由于拼合柱獨特的構造特點，柱身內部必然存在縫隙與空洞。柱內木材與空氣會因此構成微小環境，其含水率必然與整木柱有區別。這里的含水率更準確地說可以稱為“木材濕度”，即木材與空氣共同形成的微小環境的濕度。檢測人員采用德國MOIST 210手持式微波檢測儀對大殿宋代木柱3 cm、7 cm、11 cm三個不同深度部位的濕度進行檢測。

表1 木結構無損與微損檢測技術

2.2 寧波保國寺大殿宋柱超聲波檢測技術

超聲波檢測技術的原理是根據超聲波波速在木材中的變化來檢測木材病害[5]。超聲波檢測儀器體積小，便于攜帶，對木構內部腐朽空洞檢測速度快，適合進行現場勘察測試。檢測人員采用瑞士Proceq超聲波測試儀分別對木柱B4、C1、C4、D1、D2、D3、D4距離柱礎高度40 cm，80 cm，120 cm，160 cm、200 cm的部位進行檢測。本次檢測采用24 kHz頻率傳感器直接測量法（圖4），在木柱表面與傳感器之間涂抹耦合劑以便貼合緊密（在檢測之后需盡快清除木柱上殘留的耦合劑，以免對柱面造成損害）。每個測量點檢測兩次并記錄波速，最后選取平均值作為該位置的波速。

2.3 寧波保國寺大殿宋柱木材阻抗檢測技術

木材阻抗儀根據鉆針進針過程中所遇阻力的曲線，可以具體判斷被測木材內部的材質狀況[7]，檢測結果準確、可靠，檢測范圍寬[8]。檢測人員采用德國微鉆阻力儀（IML-RESI PD600）對病害等級最嚴重的Ⅲ級木柱①對每根柱子逐瓣進行檢測，木柱內部空洞的瓣數≤25%瓣數的定為Ⅰ級，木柱內部空洞的瓣數≤50%瓣數的定為Ⅱ級，木柱內部空洞的瓣數＞50%瓣數的定為Ⅲ級進行內部腐朽空洞的重點測試，具體測試柱號及測試高度見表2。

對于直徑小于60 cm的木柱，采用穿透式檢測方法，由于拼合柱內部在圓周方向均勻分布縫隙，所以檢測時須確保每個瓜棱都至少被檢測一次（圖5a）；對于直徑大于儀器檢測范圍（60 cm）的木柱，采用兩側對穿的方式進行測試，盡量保證相對的兩個檢測方向在同一條直線上（圖5b）。

現場檢測后，采用PD-Tools Pro.軟件對測試結果進行阻抗曲線整理，結果如圖6。結合木材密度、年輪等相關木材學知識，對阻抗曲線進行分析，將阻抗曲線合成在木柱橫斷面上，并用AutoCAD軟件繪制各測試高度不同程度的腐朽空洞截面圖（圖7）。圖中藍色部分代表空洞，紅色部分代表嚴重腐朽，黃色部分代表輕微腐朽，最后得出八瓣包鑲柱、四木合柱、整木柱三類木柱的內部腐朽空洞的檢測結果。

3 寧波保國寺大殿宋柱無損與微損檢測結果

3.1 微波檢測結果

從圖8我們可以看出，對于任何一根木柱，都存在以下規律：同一高度，測試深度為3 cm的濕度最大，7 cm次之，11 cm最小。對于木柱而言，水分傳遞路徑主要分為三個：從空氣中吸收水分；自上而下進入木柱的水分，主要包括屋面漏雨或生物（如蝙蝠）排泄物中的水分；石柱礎的冷凝水沿著柱底木纖維傳遞到木材內部（圖9）。如果是從后兩種路徑傳遞的水分，木柱同一高度部位不同深度的濕度差別不會十分明顯。由此判斷，保國寺大殿宋柱的水分傳遞路徑主要是第一種，即從周圍環境吸收水分向木柱內部傳遞。

3.2 超聲波檢測結果

圖4 超聲波檢測木材方法示意圖（圖片來源：同圖3）4a. 健康木材超聲波傳播路徑4b. 表示空洞和裂隙的木材超聲波傳播路徑

圖5 木材阻抗檢測方法（圖片來源：同圖3）5a. 穿透式檢測方法5b. 對穿式檢測方法

表2 木柱腐朽空洞檢測表

圖6 阻抗曲線整理（圖片來源：陳琳繪制）

圖7 B3距離柱礎50cm高度腐朽空洞截面圖（圖片來源：同圖6）

圖8 微波檢測結果（圖片來源：同圖6）8a. 八瓣包鑲柱微波檢測圖8b. 四木合柱微波檢測圖

表3 木柱現場超聲波波速檢測結果（m/s）

圖9 木柱水分傳遞路徑示意圖（圖片來源：陳琳繪制）

圖10 木柱腐朽空洞截面圖（圖片來源：同圖10）圖中a表示柱A1距離柱礎50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；b表示柱A2距離柱礎50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；c表示柱B1距離柱礎20 cm、50 cm高度木腐朽空洞示意圖；d表示柱B2距離柱礎20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；e表示柱B3距離柱礎50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；f表示柱C2距離柱礎20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；g表示柱C3距離柱礎20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖；h表示柱C4距離柱礎20 cm、50 cm、80 cm高度木腐朽空洞示意圖

從表3中可以看出，木柱D3和D4的波速較大，明顯區別于其他受檢木柱。一般來說，波速較高的材料內部相對密實，強度相對較高。現有資料顯示D4為更換過的新木柱，根據不同高度的波速情況來看，木柱D3的波速與D4十分接近，均在1 600—1 800 m/s之間，所以可以推測D3也是更換過的新木柱。由于波在空氣中的傳播速度為340 m/s，低于在木材中的傳播速度，所以超聲波在穿過帶有空隙的木材時波速會明顯降低。據此可初步判定，波速相對新木柱較小的其余受檢木柱年代久遠且內部拼接已出現開裂。

3.3 木材阻抗檢測結果

檢測結果顯示，木柱A1所檢測部位腐朽嚴重，木柱C2、C3所檢測部位腐朽程度一般，木柱B1、B3所檢測部位腐朽程度輕微，木柱A2所檢測部位腐朽空洞程度良好，木柱B2所檢測部位隨著木柱高度增加腐朽空洞程度由嚴重、輕微向良好過渡。而木柱C4由于內部存在20世紀70年代加固使用的環氧樹脂，腐朽空洞情況不詳（圖10）。根據《古建筑木結構維護與加固技術規范GB 50165-92》[30]6.9.1條規定，木材內部因蟲蛀或腐朽形成中空時，若表面層完好厚度不小于50 mm，可采用不飽和聚酯樹脂進行灌注加固。鑒于環氧樹脂易老化的缺點，我們可以盡量避免單純采用其進行加固，而是先用相同或相近樹種的木材進行填充后，再在縫隙中澆灌環氧樹脂進行粘結和加固。

4 結論與可靠性分析

木結構無損與微損檢測是對木結構建筑本體材質現狀進行勘察測量的技術手段，借助其對既存病害進行評估分析，可為建筑本體現狀監測及決定是否進行干預提供有效依據。檢測團隊基于檢測技術的可靠性、穩定性、便捷性、數據易解讀、費用低等原則，選擇了木結構無損與微損檢測技術中的微波、超聲波、木材阻抗等檢測方法，對寧波保國寺大殿宋柱進行了現場勘查記錄，有效評估了木柱內部腐朽及蟲蛀情況，并對木柱水分傳遞途徑進行了分析。有關成果已經有部分闡述并公開發表，主要內容是對宋柱保存現狀進行的初步研究[31]。本文則側重于對所采用的三種無損或微損技術的可靠性進行研究，分析結論如下：

（1）微波檢測是一種完全無損檢測技術，在完全不損傷木材的前提下，可以測試木柱內部不同深度的含水率，從而可以分析出木柱的水分傳輸路徑，為下一步采取有效措施預防木柱含水率過高提供數據支持。由于保國寺大殿木柱多為瓜棱柱，每瓣瓜棱弧度較大，而微波檢測儀探頭接觸端為平直面，直徑為5.5 cm，與柱面無法完全貼合，因此，經檢測得到的含水率存在誤差，不能采納為含水率的絕對數值。但可采用對木柱不同深度檢測結果進行分組對比來分析木柱的水分來源路徑。

（2）超聲波同樣是一種完全無損檢測技術，也可以在完全不損傷木材的前提下初步確定木構內部情況，為下一步進行精細檢測提供參考。特別是超聲波檢測具有檢測快速、儀器輕便、適合現場檢測的優點，但對處于開放式或半開放式環境的木構建筑進行測試時，需要考慮到木材含水率、不同材種等因素對超聲波波速的影響。在測試時要控制變量，力求檢測結果有較高準確度。超聲波檢測過程需要借助耦合劑這種中介媒質，排除探頭和被測物體之間的空氣，減小探頭與接觸面之間的聲阻抗差，提高檢測結果的準確度，但同時要考慮耦合劑作為一種水溶性高分子材料檢測后殘留在木柱表面，對其涂料的顏色統一性可能造成的影響。

（3）木材阻抗檢測技術可以精細確定木構內部腐朽空洞情況，彌補傳統檢測只能靠人工經驗定性分析的不足，可以做到對木構內部腐朽空洞情況半定量化的科學評估。但木材阻抗儀費用較高、儀器較重，檢測結果需要具有木材知識的專業人員進行分析。對于保國寺瓜棱柱，因其柱徑較大，需采用對穿式的檢測方法進行檢測，對穿打入的方向需要多次校準，力求檢測在同一條直線上。木材阻抗檢測為微損檢測方法，檢測時需要鉆直徑為3 mm的孔，從保護建筑本體的角度，不宜多次重復實施。

綜上所述，本項現狀監測針對保國寺大殿宋柱處于半開放空間、柱徑較大、木柱構造較為特殊等特點，綜合運用上述三種檢測方法，實踐結果證明是適用的。三種方法各有其優勢和難點，所得數據有一定的可靠性和分析價值，可作為保國寺大殿宋柱維護和監測的歷史資料。本項監測的操作方法與經驗可供其他木結構建筑遺產監測工作參考。

（本項目得到了上海同濟大學建筑與城市規劃學院歷史建筑保護實驗中心（高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室的一部分）、寧波市保國寺古建筑博物館、上海保文建筑咨詢有限公司的支持，在此表示感謝。）