淺析古建筑磚石結構壽命預估及保護

郭慶龍 趙慶雙

(聊城大學 季羨林學院,山東 聊城252059)

古磚石結構建筑是我國古建筑文化遺產的重要組成部分,我國的許多古建筑物例如石塔、拱橋、院墻等古建筑物,均是由磚石結構砌筑而成。對于如何預測古建筑的壽命,國內外學者們經過長期的探索和實踐,在理論方法方面取得了豐碩的成果。從國內外大量文獻來看,對于古建筑壽命預估主要集中在對于木構古建筑的預測,但是關于磚石結構的剩余壽命預測是少之又少,古建筑磚石結構的研究主要集中在保護與加固等方面,現有的壽命預測方法以動態預測方法為主[1]。

1 光岳樓結構特點

光岳樓結構上由樓基和4 層主樓組成,其總高度33 米,臺高9米,樓高24 米,底座邊長35.16 米,占地1232 平方米。主要構造是具有傳統形式的木質結構,四面由飛檐斗拱組成,外側設有圍廊。樓基由磚石砌筑而成,四個方向設有半圓拱門,高臺中心是交叉的十字形拱。光岳樓的建筑形式不僅保存了宋元時期的建筑風格,又與和它同時建造的明初古建筑有較多相似之處。結構上承襲了唐宋時期的傳統建筑的建造規則,它是由宋元時期向明清時期過渡的代表性建筑,是我國現存的明代時期的最古老最高的一座樓宇[2]。

2 古建筑磚石結構殘破現狀分析——以光岳樓為例

光岳樓歷經滄桑,雖然歷年以來均有修繕,但是仍有磚石砌筑的部位年久失修,自然因素以及人為因素導致損壞嚴重,造成了嚴重的安全隱患。通過對光岳樓實地調研,整理得光岳樓典型的殘破現狀見表1。

表1 磚石部位典型殘破現狀

2.1 院墻的殘破現狀主要表現為墻體表面出現風化酥堿與裂縫鼓起現象,光岳樓部分墻體后經過使用石灰砂漿抹面維護,由于風化、濕度等自然因素的影響導致石灰砂漿仍出現鼓起開裂現象,嚴重部位甚至出現了石灰砂漿脫落的現象。

2.2 院內卡子墻經維護后保存較完好,但在卡子墻頂部出現裂縫,由于雨水作用,特別是酸雨,裸露在外面的墻體受腐蝕,并且雨后卡子墻所處環境潮濕,水汽通過裂縫進入卡子墻內部,對磚石材料造成了一定的腐蝕,導致墻頂部出現了不同程度的墻體剝落現象,嚴重影響墻體承載能力。

2.3 位于木構柱下方的支撐結構的柱頂石出現嚴重開裂,部分柱頂石裂縫寬度為5mm,并且由于柱頂石外側無保護層,磚石裸露在外面,由于年代久遠且未能及時修繕。加上人為因素的損傷破壞,使得柱頂石出現多處裂縫,甚至部分出現石塊脫落的現象。

2.4 光岳樓室內墻體損壞較輕處出現灰縫脫落,風化酥堿現象,主要原因是在于磚石墻體自身材料性能的缺陷,經歲月的洗刷都會出現損壞。嚴重部位的墻體出現墻體通縫,已經無法保證其墻體的使用功能,雖經后期人工的修護,目前仍能繼續使用。殘破現象如圖1 所示。

3 磚石結構壽命預測方法

3.1 磚石結構壽命預測的主要方法- 動態預測法。磚石結構的剩余壽命預估應該和壽命終結標準以及磚石結構構件的損傷速度相關聯。對于磚石構件,測定其損傷速度是進行壽命預估的關鍵一步,但是損傷速度的預估方法必須考慮時間因素的影響。

在文獻[1]中主要介紹磚石結構的動態預測法,對于預測構件的損傷速度原理做出了說明,在某一時間T時,對磚石構件進行壽命的單一因素的狀態檢測,結果記為η1,再經過時間t 后,再使用與前一檢測方法檢測該因素的狀態,記為η2,則得出該因素的損傷速度為:

式中:η1:單一因素狀態下壽命檢測結果；η2:經過時間t 后該因素狀態下的壽命檢測結果；VS:該因素狀態下的損傷速度。

再根據目前對壽命終結的標準,記為ηγ,因此,得到磚石結構的剩余壽命。

式中:ηγ:壽命終結標準結果；Y:磚石結果剩余壽命。

3.2 古建筑的其他壽命預估方法。

3.2.1 人工智能算法。近幾年,隨著人工智能的興起,人工智能已經應用到許多研究中。王井利[3]在研究中結合人工蜂群的算法的全局尋優能力以及Elman 神經網絡的非線性擬合能力,建立了對古建筑的壽命預估的模型。在此研究中,根據某歷史古建筑的構建作為測試數據,對該古建筑物的實際檢測,建筑物的各個構件都有不同程度的損壞。然后經過測試計算得到古建筑物的剩余壽命。張廣斌[4]則以徽派古建筑為研究對象,在研究中針對基本的Elman 神經網絡存在著訓練速度慢,容易陷入局部極小值的特點,對基本的Elman 神經網絡進行了改進,優化了學習速度,并且改進后的神經網絡能在全局范圍內尋找最優解,此方法最后結果表明能夠準確地擬合訓練值并且能夠進行有效的預估,能夠得到較好的應用。

3.2.2 非線性偏最小二乘法。在對古建筑壽命預估時,會存在觀測數據缺失的情況,并且影響古建筑的因素繁多,主要有自然原因下的物理因素、化學因素,并且自然原因影響古建筑的過程錯綜復雜,自然原因下的因素間也可能存在非線性相關。基于這幾種原因,路楊[5]給出一種基于數據缺失估計的PLSS 古建筑壽命預估的方法,以解決更加完整的抽取觀測數據的觀測信息,并且將其方法應用在古建筑壽命預估中。文獻中指出其預測過程:首先,將現有的觀測數據缺失部分經過算法完成缺失的觀測數據,再經過樣條轉換將非線性問題轉換為擬線性問題,最后將研究通過仿真與實驗分析得出的結果證明其方法的有效性,可以應用在古建筑壽命預估的研究中。

3.2.3 改進的BP 神經網絡。科學的進行預估古建筑的壽命,通過建立BP 神經網絡模型具有一定的可行性,但是標準的BP 神經網絡模型具有訓練速度慢,全局能力低的問題。路楊[6]在文獻中對標準的BP 神經網絡進行了改進,并且將此方法應用到古建筑的壽命預估中。通過對神經網絡模型的設計,確定神經網絡的參數以及訓練神經網絡,得出BP 神經網絡的方法,最后通過仿真實驗證明此方法對古建筑的壽命預估是行之有效的,并且改進后的模型誤差小、精度大,相比于傳統的神經網絡可以更有效地應用在古建筑的壽命預估中。

4 古建筑磚石結構的保護措施

4.1 磚石結構加固技術。由于地震作用的影響,古建筑物都會出現不同程度的損壞,導致墻體開裂以及剝落的現象。對于出現剝落的墻體可以進行補砌,使用水泥砂漿進行填充或者采用鋼筋網加水泥砂漿維護,在磚石結構物表面進行整體加固,保證磚石墻體的安全性能。對于后期修繕的磚石墻體出現損壞可以進行墻體的加厚,提高提結構的強度和剛度。此外,如古城墻上的城樓或者鼓樓均存在高臺基,高臺基是我國古建筑文化遺產的重要組成部分,加強高臺基的抗震可以減少地震作用對古建筑的影響與損壞。

4.2 構件替換。古建筑物易受物理因素如環境溫度、濕度以及日照強度的影響所發生損壞,還有一些生物因素如菌類、苔蘚等微生物附著在墻體或者地面表面,對其產生腐蝕或者破壞。這些因素在長期作用下,會使古建筑物某些易損構件產生不可逆轉的損壞,對這種已損壞并且不可修復的古建筑磚石結構的構件進行替換,在替換過程中應遵循不改變原狀的原則,合理選擇替換的材料,達到對古建筑物修繕的目的。

4.3 基礎托換技術。為了解決由于地基承載力不足導致古建筑出現的傾覆問題以及新建建筑物對舊建筑物的影響,運用基礎托換技術[7]進行古建筑基礎的加固。對于古建筑的基礎已經出現裂縫和基礎底面積不足,導致古建筑的地基承載力不足或者變形過大時,可采取對古建筑進行基礎加寬達到滿足原基礎的底面積地基承載力的要求。

4.4 數字化保護技術[8]。隨著近年來計算機技術的發展,國內外許多科研人員致力于對古建筑數字化技術的研究。該技術摒棄了傳統技術手段狹隘的問題,也不需要使用儀器進行測繪發現損壞部位。通過數字化進行模擬,完善古建筑物的整體三維坐標信息,在數字化模型上展現出損傷的構件,然后再通過三維建模軟件對原有古建筑按照原比例進行模型重建,得出原有構件的部位以及材料性能,為后期進行修繕提供了可靠的依據。該技術也使得現代數字化技術與傳統文化的有機結合,既保證了對古建筑物的修繕,又能遵循保持古建筑原狀的修繕原則。

5 結論

磚石結構作為古建筑結構中不可或缺的部分,是人類歷史文明中的重要組成部分。現存的古建筑磚石結構經歷了歲月變遷、歷史變更,均出現了不同程度的損傷破壞,通過對光岳樓殘破現狀的研究分析發現,由于磚石結構自重大,材料易受自然因素與人為因素的影響,出現墻體風化酥堿、脫落等問題。因此,通過對古建筑磚石結構損傷監測的研究,總結出結構剩余壽命預估準確合理的方法,以達到對古建筑磚石結構防護的意義。