古建筑木結構的壽命預估

李燦 趙慶雙 倪廣慶 劉新玉

摘要：木結構具有良好的抗震、環保等性能，美國、加拿大和日本等國家都有很多木結構住宅。中國的歷史文化悠久，許多恢宏的殿堂、古塔等木結構建筑保留至今，充分體現出我國勞動人民的智慧。但是有些古建筑在經歷了千百年的地震、風霜雨雪等外界作用后，有些木構件會發生腐蝕，建筑的承載能力和耐久性能大大下降，甚至遭到破壞。因此對古木建筑的剩余壽命進行判斷預估，對木結構的修繕和維護具有重要意義。

關鍵詞：古建筑；木結構；壽命預估；修繕

木結構建筑是我國傳統的建筑形式，經歷了漫長的發展過程，是中華民族優秀傳統文化的體現。但是由于受外界環境的影響以及一些人為作用，有些木結構建筑承載能力和耐久性能大大降低，最終毀壞。為了將這些歷史文化瑰寶傳承下去，我國也對一些建筑進行了修繕保護。傳統的修繕工作一般是在結構發生破壞后才進行的，修繕后不免引起損傷的繼續發展，難以恢復原有的狀態。如果通過定期巡檢、監測與評估來了解古木結構的情況，在突發情況以及災害發生前就給予判斷與預測，將會大大減少災害與病變所引起的損失。本文旨在通過對目前已有的壽命預估方法進行系統的比較分析，找出不同方法之間的異同，對我國古木建筑結構的維護和修繕工作提出一些合理化建議。

一、木結構壽命的影響因素

木材的主要成分是纖維素和木質素等，若木材長期處在潮濕的環境中，會滋生大量的真菌、蟲蟻，從而導致木材腐朽。腐蝕、蟲蛀都會不同程度地引起木構件截面積減小，承載能力降低，結構性能嚴重退化。調查顯示，在美國由于木材腐蝕造成的損失巨大，每年超過52億美元[1]；澳大利亞的木結構住宅由于構件腐蝕引起建筑結構抗力衰退，也曾導致許多木結構住宅發生抗風破壞。

在長期荷載作用下，隨著時間的增長及木材本身材料的降解，其拉伸、壓縮、彎曲及剪切等性能降低，導致木材開裂，或者使木構件的跨中產生過大的撓度，經過長期發展，容易導致木梁彎曲失效。此外，火災、洪水、暴雨等災害對木結構也有很大的影響。

人為作用不可忽視。近年來，旅游業蓬勃發展，有一些古木建筑也因歷史悠久、保存完整而吸引了大量的游客前來觀賞。但是巨大的人流量也給這些古建筑帶來了沉重的負擔，游客在木構件上亂寫亂刻的現象時有發生，破壞了外面的保護層，加速了木構件的破壞。經營者追求利益卻不注意控制客流量，古木建筑缺少應有的保護。

二、壽命預估方法

王雪亮[3]根據此腐朽深度經驗公式，并假定在任意服役年腐朽深度服從正態分布，建立了腐朽深度的隨變模型和抗彎強度退化模型，得到了多種隨機變量和確定性函數的關系。姜邵飛[4]也在腐朽深度經驗公式的基礎上提出考慮結構在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下，采用Gerhards/Weibull模型預測結構的承載能力和變形值的置信區間與極限壽命，通過對兩者的計算結果作出科學合理的判斷。

（二）長期荷載對古建筑木結構的影響

木材在長期荷載的作用下強度會降低，這種現象叫作持續荷載效應。瞿偉廉[5]在Gerhards損傷積累模型的基礎上推導了恒載長期作用下木材殘余強度的衰減模型。

三、古木建筑維護修繕建議

（一）建立更加完善的政策法規

歐洲、亞洲的一些國家在古建筑保護方面的措施比較完善，它們有著共同的特點，根據時代發展和形式變化，不斷調整古建筑保護的政策和法律法規，而且調整的方向趨于更加嚴格的管控。相關法律的不斷調整和細化，可以避免文化景觀、歷史建筑成為商業謀利的工具，不僅有利于傳承歷史文化，還可以大大降低火災等意外隱患。相比較國外已經形成的整套歷史建筑法律保護體系，國內對此缺乏系統而全面的研究，我們可以借鑒發達國家的經驗，進一步完善或重新修訂相關政策法規。

（二）從不同技術角度修繕加固

1.整體加固

對于建筑物外閃較為嚴重，大構件完好，只需替換小構件的情況，需要對整體梁架進行支頂，復位已發生扭轉傾斜的構件，同時對破壞嚴重的構件進行修補或替換。在古建筑木結構位移較小、變形不大的情況下，不用拆卸木架，直接進行整體加固。對于木構架腐朽嚴重、發生嚴重斷裂、產生過大撓度的情況，則需要進行落架大修。

2.局部修繕

古木建筑屋脊、飛檐等處都會用生動的彩繪油畫裝飾，這些裝飾在環境氣候因素、自身老化以及人為破壞等因素的影響下，會褪色、變色、龜裂、脫落，可以根據不同程度的破損進行修復。傳統木結構的裝修經歷若干年后，造成裝修構件的脫榫、松動、損壞等，要根據不同時期的裝修裝飾風格進行修繕維護。

四、結語

古木建筑融合了各種傳統藝術，特別是在繪畫、雕刻、工藝美術等造型方面，創造出很多豐富多彩的藝術形象，側面反映了古代人類社會的政治、經濟、文化和藝術。剩余壽命在木結構古建筑的結構評估中起著非常重要的作用，開展對木結構古建筑剩余壽命的預測，可以有效地修繕維護這些文化遺產。

基金項目

2016年山東省教學改革研究面上項目（項目編號：Z2016M044）；2019年度聊城大學科研基金立項（項目編號：318011901）；聊城大學大學生創新創業訓練校級一般項目（項目編號：cxcy2020y217）。

作者簡介

李燦，1999年生，女，漢族，山東臨沂人，本科，研究方向為古建筑防護。

參考文獻

[1]楊忠，江澤慧，費本華，等.SIMCA法判別分析木材生物腐朽的研究[J].光譜學與光譜分析，2007（4）：686-690.

[2]李瑜，瞿偉廉，李百浩.古建筑木構件基于累積損傷的剩余壽命評估[J].武漢理工大學學報，2008（8）：173-177.

[3]王雪亮，郭君慧，王小麗，等.基于可靠度理論的腐朽木梁剩余壽命評估[J].武漢理工大學學報，2015，37（7）：74-77.

[4]姜紹飛，唐偉杰，李猛，等.考慮長期腐蝕影響的古建木結構極限壽命預測[J].福州大學學報（自然科學版），2017（4）：547-552，558.

[5]瞿偉廉，王雪亮.基于DOL強度衰減模型的古建筑木桁架的剩余壽命預測[J].華中科技大學學報（城市科學版），2008（3）：1-4，9.