江津奎星閣保護性修繕中科技手段的應用分析

張亮

（重慶市江津區文物管理所，重慶 402260）

古建筑是中華優秀文化遺產的重要載體。我國古建筑以木結構為主，隨著木構架建造技術的不斷發展，自宋代李誡著《營造法式》以來，中國傳統木結構建筑已成為世界三大建筑體系之一①。木材存在易受腐蝕、易受蟲蛀等弊端，在物理及化學長期作用、昆蟲和微生物侵害及人為破壞下，木結構易出現霉變、腐朽、蟲蛀、節點松動等病害，亟待通過預防性保護提升其性能以期“延年益壽”②。傳統古建筑木結構修繕主要根據工匠個人經驗，通過目測、敲擊、辯聲等來判斷構件殘損程度，從而確定維修范圍，其檢測結果往往不夠準確。例如涇縣吊棟閣在修繕過程中通過測繪拍照分析了古建筑破壞原因，并在此基礎上確定了后續修繕方法③；黃榮鳳等根據目測、皮羅釘徑向檢測評估木材材質狀況④。同時，在修繕過程中，為確保達到“修舊如舊”的目標，貼換木構件應與原材料保持一致，但古建筑修建年代久遠，往往找不到合適替換木構件和合理的施工工藝。賀歡通過含水率、木材強度測試對比對腐朽構件進行替換⑤。修繕完工后主要以糾偏是否到位、病害構件是否完全替換等為依據對修繕效果進行局部評價，高延安等通過環境激勵測試對修繕后飛云樓的整體狀態、抗震性能進行了分析評價⑥。為遵循文物保護最少干預、可識別性及可逆性原則，應盡量減少人工檢測、修復發生的誤判情況，避免人為“保護式破壞”。張艷霞等采用應力波與阻抗儀對木構件進行檢測，得到了結構的腐朽與殘損情況⑦；在河南少林寺初祖庵大殿闌額殘損修復中，利用超聲波無損探傷儀進行檢測與分析，得到了構件殘損點位置⑧。

科技手段在古建筑木結構修繕中得到了越來越多的應用，但從修繕前、修繕中及修繕后的全過程應用科技手段的案例不多。鑒于此，本文以江津奎星閣保護性修繕為背景，修繕前，在傳統方法基礎上，通過增加超聲波儀、貫入度測量儀等縮小了維修范圍，借助顯微鏡、電鏡、X熒光分析等手段，測取木材含水率、成分分析、含鹽量等指標，科學開展新老材料的比對評估，提升施工質量控制水平；使用加速度傳感器、應力波等手段開展后期檢測評估工作，對修繕后結構整體狀態進行評估，確保修繕效果。通過科技手段全過程、全方位引入，為類似古建筑的保護性維修提供了參考。

1 江津奎星閣維修范圍的準確判定

江津奎星閣（圖1）始建于乾隆四十二年（1777），為重慶地區僅存的清代奎星閣建筑，通高為23.8m。該閣在清代營造法式的基礎上，在斗拱、彩繪等方面融入了當地文化特征，極具地方特色，對研究重慶地區明清建筑具有重要意義，2009年被評為重慶市文物保護單位。奎星閣一直存在屋面局部漏雨，部分梁、檁和椽糟朽，蟲害，歪閃與壓裂變形，油漆、彩繪大量起甲、脫落等問題。經現場人工勘察發現二層西側外檐柱墩接失效，發生側移，造成三層梁架整體向外傾斜7cm，致使龍頭挑受力結構變化而斷裂；部分承重構件有明顯下撓傾向，開裂變形，木屋架有劈裂折斷，架端節點腐朽、銹蝕嚴重，部分柱梁構件敲擊有空鼓聲音，疑存在中空現象。為進一步明確維修范圍，在現場引入超聲波、應力波等無損檢測手段。

圖1 奎星閣立面圖

超聲波檢測：超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波，具有方向性好、反射能力強、易于獲得較集中的聲能等優勢⑨。超聲波檢測是在不損壞檢測對象的前提下，利用被檢測材料與缺陷的聲學性能存在差異的特點，使用相應超聲波檢測設備與器材，通過超聲波在傳播過程中的反射、折射、衍射情況和傳播時間、能量變化，對檢測對象內部、表面進行測試，并對結果進行分析和評價，檢測原理如圖2，某木柱檢測情況如圖3。

圖2 超聲波檢測原理

圖3 超聲波檢測情況

應力波損傷檢測：健康的樹木能夠進行良好均勻的聲波傳導，而腐爛的內部會出現空洞，致使聲音傳播不均勻，應力波檢測儀利用聲波在健康樹木中的傳播速度遠高于在有空洞的樹木中的傳播速度，布置多個傳感器，通過發射的聲波到達各傳感器的時間差，推算出空洞的位置，并通過成像算法映射得到腐爛的位置示意圖像，其檢測原理如圖4所示。對奎星閣邊緣6根通柱進行損傷檢測，分別在1～2夾層、2～3夾層進行測試。限于篇幅，僅列出其中一根通柱監測結果，檢測結果如圖5，圖中綠色代表該區域完好，紅色代表該區域存在腐朽，藍色代表該區域存在空洞。從圖可知該構件有大面積空洞腐朽，存在嚴重缺陷。通過超聲波、應力波無損檢測，新發現部分木柱空鼓、糟朽引起強度減弱以及角挑斷裂等情況。因此，在原人工檢查的基礎上增加了二層龍頭角挑更換，與此相連的3層外檐柱的墩接處重新加固處理。同時，對發現有糟朽、開裂和內部中空的木構件用挖補楔塞、環氧樹脂灌漿加固的方式予以維修加強。

圖4 應力波損傷檢測原理示意圖

圖5 應力波損傷檢測結果（左圖1～2夾層，右圖3～4夾層）

2 替換構件材質檢測

為科學地對新舊建筑木材進行比對評估，全面了解奎星閣原有木結構現狀，為后續替換或原狀保護修繕工程施工工藝的選擇提供科學依據，分別使用顯微鏡、電鏡、X光對木材含水率、成分、含鹽量等進行分析，幫助選取與原木材質相近的木材進行替換。

木材含水率檢測：木材的含水率高低會影響木材的強度與后期彩繪的涂裝等。當含水率高，涂裝后的木制品還可與外界進行水分交換時，木材中的水分與空氣中的水分會互相流動直到達到平衡，這時的木材含水率稱為平衡含水率，可以理解為木材的含水率與空氣中的含水率達到平衡狀態。當木材含水率低于平衡含水率，會從空氣中吸水，木材會發生膨脹；木材含水率高于平衡含水率，會失去水分發生收縮，造成木制品因收縮而翹曲變形、開裂。因此，為了避免木質結構破壞，其含水率必須控制在平衡含水率下。

需要注意的是，因地理位置的差異，我國各地氣候不盡相同，重慶地區木材平衡含水率為16%～18%⑩，本次測試中原木構件含水率檢測數據如圖6所示。由圖6可知奎星閣原木材實測含水率略偏高于重慶平衡含水率，不利于后期彩繪涂裝修繕過程的進行，且長期含水率偏高，可能會造成木材腐變損壞。根據重慶地區木材平衡含水率值大小，選取適合的木材對原木材進行替換修繕，選取木材的含水率如圖7所示。由圖7可知相比于原木材，修繕所用木材含水率大多位于18%以下，與重慶平衡含水率更為接近，更易于進行后續彩繪涂裝等工作，且可避免后續失水過多導致木構件翹曲變形。

圖6 原木材含水率測試

圖7 修繕木材含水率測試

離子濃度檢測：木結構包含的離子濃度的高低會影響其保存時間的長短，離子濃度過高不利于木制文物的長期保存?，故可根據對新舊木材離子濃度的檢測推測舊木材的腐朽程度及完成新木材的選擇。分別對現場新舊木材取樣進行離子濃度測試，測試儀器如圖8所示，測試結果列于表1。由表1可知新杉木相較于老杉木離子濃度較低，可用于對老杉木構件的有效替換，延長古建筑木結構的使用壽命。

圖8 離子濃度檢測儀

表1 離子濃度檢測結果

3 動力特性測試

為了解修繕后結構整體性能，對奎星閣進行環境激勵下動力特性測試。為盡可能多地記錄結構的振動信息，在每一通柱柱腳處布置水平測點，測點方向沿邊長方向布置，每層共布置6個傳感器。傳感器在平面內的布置如圖9所示。使用頻域分解法對二層明層至盔頂層各層1～4號柱柱腳位置處測點數據進行分析，得到功率譜密度-頻率曲線如圖10～圖12所示。由圖10～圖12可知在各層的功率譜密度函數曲線中，除盔頂層識別頻率存在細微的差異外，通過峰值點拾取識別所得到的頻率基本一致，表明識別結果的準確性。其中，在各層功率譜密度曲線中，隨著頻率階數增加，對應的功率譜密度峰值總體上呈降低趨勢，表明結構的振型參與系數隨模態階數增加而減小。取各層功率譜密度曲線上相應于各自頻率的峰值，采用半功率帶寬法?計算并平均得到結構的各界阻尼比列于表2。為便于對比，給出《古建筑防工業振動技術規范》中古建筑木結構自振頻率的經驗計算公式?：

圖9 傳感器平面布置示意圖

圖10 二層明層功率譜密度曲線

圖11 三層明層功率譜密度曲線

圖12 盔頂層功率譜密度曲線

表2 動力特性參數

式中：fj表示結構的第j階固有頻率；H表示結構的計算總高度，其取值為臺基頂至頂層檐柱頂的高度；λj表示結構第j階固有頻率計算系數；φ表示結構的質量剛度參數，兩重檐以上樓閣取為60。根據奎星閣結構參數，估算出其第一階自振頻率為1.248Hz。

實測獲得結構的基頻為1.5Hz，與動力特性預估值1.248Hz之間的相對誤差為16.8%，實測頻率大于預估頻率，這一方面是因為在理論計算時，將奎星閣完全視為木質結構，而事實上靠近地面的兩層檐柱為石柱，其剛度大于對應截面木柱；另一方面，在此前的結構修繕過程中，為了增加結構連接強度，結構節點處使用了鋼板進行加固，這進一步增加了結構剛度，從而使得實測頻率高于理論估算頻率。

4 結語

針對傳統目測、敲擊等檢測手段不夠準確的缺陷，本文將科技手段引入奎星閣古木結構修繕前、中、后全周期過程中。結果表明，科技手段能夠達到科學判定木構件內部殘損、有效控制施工過程質量和合理評估修繕效果的目標，可為類似古建筑保護性修繕提供借鑒。所得結論如下：①修繕前，通過超聲波儀、應力波無損檢測儀等對奎星閣構件進行損傷檢測，高效確定了待修繕構件位置及損傷程度，縮小了維修范圍，為后續修繕工作奠定基礎。②修繕中，通過離子濃度檢測儀、含水率檢測儀等對木材含水率、含鹽量進行檢測，將新老材料進行對比，選取了與重慶地區平衡含水率更為接近、離子濃度更低的構件，有效控制了施工過程質量，完成了木構件修繕替換。③修繕后，通過動力特性測試結果實現奎星閣整體性能評估。結果顯示，木塔各階阻尼比位于0.010～0.044，處于正常范圍內，表明結構在外界激勵下擁有良好的耗能作用，整體抗震性能良好。

注釋

①徐龍.《中國古建筑文化集錦》：中國建筑中的藝術美學[J].建筑學報，2022（1）：125.

②袁霄，陳勇平，郭文靜.古建筑木結構多發殘損的特征及防控分析[J].木材科學與技術，2021，35（5）：54-59.

③倪艷，唐根麗，張澤培，等.木結構古建筑的保護及修繕方法研究：以涇縣吊棟閣為例[J].價值工程，2019，38（23）：238-240.

④黃榮鳳，伍艷梅，李華，等.古建筑舊木材腐朽狀況皮羅釘檢測結果的定量分析[J].林業科學，2010，46（10）：114-118.

⑤賀歡.我國文物建筑保護修復方法與技術研究[D].重慶：重慶大學，2013.

⑥高延安，楊慶山，王娟，等.環境激勵下古建筑飛云樓動力性能分析[J].振動與沖擊，2015，34（22）：144-148，182.

⑦?張艷霞，王彥，張國軍，等.應力波和阻抗儀技術在古建筑木結構檢測中的應用[J].工程抗震與加固改造，2019，41（1）：145-151，157.

⑧劉義凡，李哲瑞，張曉蘭，等.超聲波無損檢測技術在古建筑檢測中的應用：以少林寺初祖庵大殿闌額為例[J].工業建筑，2021，51（5）：37-43.

⑨于帥帥.木構古建筑缺陷檢測方法發展現狀及其展望[J].林業機械與木工設備，2016，44（11）：4-5，13.

⑩顧煉百.木材干燥：第3講：木材的平衡含水率及其應用[J].林產工業，2002（4）：43-46.

?秦術杰，楊娜，曹寶珠，等.故宮同道堂木結構的殘損分析及保護建議[J].土木與環境工程學報（中英文），2022，44（2）：119-128.

?Baisheng Wu.A correction of the half-power bandwidth method for estimating damping[J].Archive of Applied Mechanics，2015，85（2）：315-320.