故宮同道堂木結構的殘損分析及保護建議

秦術杰，楊娜，曹寶珠，董金爽

(1. 海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228；2. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

明清官式木構是中國古建筑發展和演變的集大成者和典型代表[1]，具有極高的文化、歷史和科學價值。然而，在各種自然和人為因素的長期作用下，歷經數百年的古建筑存在不同類型和程度的殘損現象，降低了結構的受力性能，進而威脅結構的安全性。因此，明確古建木構的殘損和分布特征，是準確進行結構狀態評估并采取合理修繕措施的重要前提和基礎。

筆者以北京故宮博物院內具有典型明清官式古建木結構特征的同道堂為研究對象，對不同高度的結構層進行現場殘損勘查，分析各種殘損類型的特征、影響、數量和分布規律，并歸納結構殘損成因，以期為明清官式古建筑在殘損現狀下的受力性能、安全評估和修繕加固工作提供參考和依據。

1 勘查概況

1.1 勘查對象

同道堂始建于明永樂十八年(1420年)，位于北京故宮博物院西北角的咸福宮內，如圖1所示。同道堂面闊5間，東西向縱長21.16 m，南北向橫寬7.82 m，柱高3.64 m，屋脊高度8.18 m。屋頂為歇山頂形式，頂覆黃琉璃瓦，立柱浮擱于礎石之上，梁柱節點采用榫卯連接。檐下為單昂三踩斗栱，梁枋飾以龍鳳和璽彩畫，前檐明間安槅扇門、簾架，左右兩次間為檻墻、支摘窗，后檐墻不開窗。整個結構為典型明清官式建筑做法結構。

圖1 同道堂

對同道堂進行大修的最新記錄時間為1929年，距今已近百年。在各種環境和荷載等因素的長期作用下，結構出現了不同類型和程度的殘損，降低了結構的安全性能，目前該結構已暫停對游客開放。

勘查主要針對同道堂的木構架，從下往上對各部位的殘損進行排查和記錄，分析和歸納其殘損特征、影響和成因，并統計各種殘損類型的數量、比例和分布情況。

1.2 結構分層與編號

同道堂為抬梁式結構，各構件通過榫卯、斗栱和柱腳等節點相互連接，結構平面呈對稱布置，其木結構體系按空間高度和傳力路徑可分為3個結構層：柱框層、斗栱層和梁架層，各結構層自下而上逐層搭建，落架成屋，如圖2(a)所示。

為便于各部件殘損的指定說明，對各結構層的構件采用如下的編號命名規律。

1)柱框層：各立柱從西往東依次記為1，2，…，南、北排柱分別記為A和B，如圖2(b)所示。

圖2 同道堂結構分層和立柱編號Fig.2 Structural layers and column numbers of Tongdao

2)斗栱層：位于立柱正上方的斗栱按立柱編號，如A1柱正上方的斗栱命名為“斗栱A1”；與其臨近的下一個斗栱命名為“斗栱A1-A2(2)”，表示從A1到A2數的第2個斗栱，依次類推，直到“斗栱A2”。

3)梁架層：東西縱向的檁三件命名由3部分組成，如“A1-2上”，“上”指構件名稱“上金檁”，“1-2”指構件處在1-2開間，“A”指構件在該開間的位置靠近A排柱；南北橫向的梁命名由構件名稱和兩端立柱編號組成，如“A1-B1五”指位于A1柱和B1柱之間的五架梁。

2 典型殘損類型的特征及分布

2.1 柱框層殘損

在結構的傳力體系中，柱框層起到將梁架層和斗栱層的荷載傳遞給臺基的作用。立柱為整體結構受力的最關鍵構件，尺寸通常較大，其截面應力遠低于木材的順紋抗壓強度，但在長期復雜的服役歷史中，柱框層會出現一定的殘損。經檢測，同道堂立柱所用樹種為潤楠(Machilussp.)。

2.1.1 殘損類型及特征 1)柱腳糟朽 特征和成因：柱腳木質粉化嚴重，有效承載面積被削弱，最嚴重的情況為剩余承載面積不足50%，如圖3(a)所示。柱腳浮擱于礎石上，易受雨水浸泡而糟爛，或在蟲蛀侵蝕下致使木質分解粉化。影響：柱腳糟朽使最外層木材喪失強度，進而使有效承載面積減小，不僅降低立柱的豎向承壓能力，還降低了柱腳節點的轉動剛度和抗傾覆彎矩[11]。

2)柱身糟朽和開裂 特征和成因：柱身糟朽常見于夾在墻內的立柱，如圖3(b)所示；柱身開裂多沿順紋方向，嚴重時甚至貫通立柱，如圖3(c)所示。對于墻內的立柱，其通風性差，在潮濕環境下易遭受木腐菌或蟲蟻的侵蝕而致柱身糟朽；木材弦向和徑向干縮系數差異較大[12]，在溫濕度的長期交替變化下，柱身開裂。影響：柱身糟朽會削弱木柱的有效承載面積，而順紋裂縫一般不會顯著降低其承壓能力[13]。然而，裂縫的形成和擴展會使立柱內部的木纖維暴露于空氣中而加速其老化，甚至引起或加劇墻內木柱的糟朽，致使木柱的材料強度和承壓能力降低[14]。

3)柱頭破損 特征和成因：柱頭有直徑為3～5 mm的孔洞，主要分布在南側立柱上，如圖3(d)所示。經考證，孔洞為采用微損傷檢測手段或鉆釘施工中留下的。影響：該孔洞使構件內部的木材暴露在空氣中，會加速木質的老化，應盡量避免采用阻力儀和鉆釘等帶損傷的檢測手段，而改用三維應力波掃描儀等無損檢測方法。

圖3 柱框層殘損Fig.3 Damage of column frame

2.1.2 殘損數量及分布 表1為柱框層的殘損類型、編號和數量，其中柱腳糟朽3處，柱身開裂1處，而柱頭破損5處。圖4為各種殘損類型的分布情況，柱腳糟朽均發生在夾在墻內的立柱中。需要注意的是，由于北側、東側和西側的墻體遮擋，部分構件無法觀測。

表1 柱框層的殘損統計Table 1 Statistics of damage of column frame layer

圖4 柱框層的殘損分布Fig.4 Distribution of damage of column frame

2.2 斗栱層殘損

斗栱層是由方形的斗和弓形的栱或翹通過疊壓咬合的方式形成的復雜節點群，起到將屋架荷載均勻地傳遞給柱框層的作用，是結構抗震耗能的關鍵部位[7-9]。現場勘查發現，斗栱層殘損狀況最為嚴重，且殘損類型最為繁雜。

2.2.1 殘損類型及特征 1)構件分離和松動 特征和成因：多為三才升(小斗)和里拽瓜栱或里拽枋之間的分離和松動，如圖5(a)所示。由于豎向荷載主要集中在大斗正上方，在荷載的長期作用下，栱將發生翹起變形，使小斗與栱發生分離。影響：分離和松動導致構件之間無壓力作用，這意味著小斗已失去其承壓和傳力功能，進而降低了斗栱在豎向的承壓剛度和承載力。對其他宮殿進行勘查發現，此類殘損較為普遍。

2)構件裂紋和劈裂 特征和成因：構件表面常見龜裂狀的細短裂紋，如圖5(b)所示；部分構件出現嚴重的劈裂現象，如圖5(c)所示。龜裂狀裂紋主要由環境的溫濕度交替變化引起，構件劈裂則是因局部修繕時打入鐵釘造成的。影響：龜裂狀裂紋對木材橫紋抗壓強度影響不大，構件劈裂是因處理方式粗糙造成的，打入鐵釘是為將大斗和梁枋等龍骨構件連接起來，以實現斗栱層受力時拉拽龍骨，但這樣會破壞原有構件的完整性，并非符合規范[15]的做法。

3)翹缺失 特征和成因：翹缺失如圖5(d)如所示。在重屋蓋的長期作用下，翹會發生順紋方向的劈裂，劈裂部位易掉落而致翹缺失；現場發現部分翹缺失的斷面較整齊，也可能是局部維修中為替換大斗而將翹劈砍掉的結果，這是一種粗暴的處理方式。影響：翹缺失導致其失去原來位置的承壓功能，降低斗栱在豎向荷載下的剛度和承載力。

4)不協調的新材替換舊材 特征和成因：由于部分構件缺失或殘損嚴重，采用新木材替換舊木材進行維修，但現場勘查發現，新材和舊材并非同一樹種，而且新材構件只保持了原有形狀，但修復后的小斗和栱間沒有暗銷，部件之間沒有緊密疊壓而是存在分離，這種不協調的現象如圖5(e)所示。根據《古建筑木結構維護與加固技術規范標準》(GB/T 50165—2020)[15]的規定：更換構件應與原有構件屬同一樹種，可見部分的紋理、色澤應與原有構件相似；不得因維修而損害原有構件；修繕斗栱時，應將小斗與栱間的暗銷補齊。出現此類殘損的主要原因是沒有遵照相關規范開展維修工作，或缺乏對斗栱受力特征的充分認知。影響：這種不協調的新材替換舊材，只是外觀形狀得到了恢復，但新材和舊材的部件沒有疊壓在一起，且部件間沒有暗銷，斗栱的受力功能并沒有得到修復。

5)斗栱整體傾斜 特征和成因：東側的一整排斗栱發生整體歪斜，如圖5(f)所示。可能是因為在偶然較大的水平地震作用下，上部木枋發生較大位移，進而帶動整排斗栱發生傾斜。影響：在重屋蓋的作用下，斗栱整體傾斜使結構承受較大的附加彎矩，而在長期的豎向荷載作用下，其傾斜程度隨時間增大，進而降低結構的穩定性能，增加結構發生失穩破壞的風險。

6)小斗殘損 特征和成因：小斗殘損形式較多，包括小斗缺失，見圖5(g)；小斗斗耳處在順紋方向上的通長裂縫，見圖5(h)；小斗歪閃，見圖5(i)；小斗暗銷缺失，見圖5(j)。斗耳順紋裂縫應該是由豎向荷載作用下因泊松效應引起的拉裂，或因木材橫紋抗剪強度較低，斗耳在偶然水平推力下發生劈裂；小斗歪閃可能是由于里拽枋傾斜帶動的結果；暗銷缺失則可能因為其尺寸較小，發生剪切破壞或木材干縮及材性退化所致。影響：小斗缺失或歪閃會降低斗栱的承壓剛度和極限承載力，而斗耳的順紋貫通裂縫和暗銷缺失對小斗承壓無影響，但會降低其水平抗剪能力。

7)大斗殘損 特征和成因：大斗殘損形式主要包括斗耳劈裂和底座被鑿削兩種，如圖5(k)～圖5(m)所示。經現場勘查判定，此兩種殘損均為不當的局部修繕所致。影響：大斗是斗栱承壓的最關鍵部位[16]，斗耳劈裂和底座被鑿削會降低斗栱的抗側和抗壓能力。

2.2.2 殘損數量及分布 表2為斗栱層的殘損類型及對應的數量和比例，圖6為各類殘損數量的排序直方圖，其中，不協調的新材替換舊材(60處)、構件分離和松動(53處)、構件裂紋和劈裂(50處)的數量最多，分別占斗栱總數的73%、65%和61%。圖7為各種殘損類型的分布和位置情況，可以看出斗栱層殘損主要出現在結構屋架的內部，而南側外部斗栱基本完好。

圖6 斗栱層殘損數量排序Fig.6 Ranking of damage number of Dougong

表2 斗栱層的殘損統計Table 2 Statistics of damage of Dougong layer

圖7 斗栱層殘損分布Fig.7 Distribution of damage of Dougong

2.3 梁架層殘損

在明清官式古建木結構中，梁架層面闊方向的檁、墊板和枋合稱為“檁三件”[1]，作為一個整體協同受力，而進深方向根據高度不同分有天花梁、七架梁、五架梁和三架梁等。經檢測，同道堂梁架所用樹種為潤楠(Machilussp.)和楨楠(Phoebesp.)。

2.3.1 殘損類型及特征 1)枋和檁的開裂 特征和成因：枋和檁的裂紋大多沿順紋方向擴展，并主要出現在構件中性軸的附近，如圖8(a)、(b)所示。由于木材的順紋抗剪強度較低，通過半剛性連接木梁的解析模型[17]可知，中性軸附近為剪應力最大的區域，側面裂紋易發生于此。在溫濕度交替變化較大的環境中，木材的干縮開裂特性也會造成此類殘損。影響：枋和檁的順紋開裂會降低其抗彎承載力[13]，同時，也會引起或加劇內部木質的老化。

2)墊板和枋或檁相分離 特征和成因：墊板和枋或檁相分離，如圖8(c)所示。主要是因為檁、墊板和枋之間缺乏有效的粘結，三者的下撓變形不協調引起的。影響：現場勘查發現，墊板和檁的分離程度通常比墊板和枋的分離程度要大，檁三件分離后將無法作為一個整體協同受力，其變形和承載力降低。

3)墊板局部破損 墊板角部容易出現木材破損現象，如圖8(d)所示。墊板尺寸相對較小，其角部木材受到檁或屋架的擠壓，容易發生因泊松效應引起的橫紋拉裂。

4)蟲蛀、糟朽 由于官式建筑保存條件較好，蟲蛀和糟朽的程度和面積較小，多限于表層，如圖8(e)所示。此類殘損現象一經發現應立即進行清除。

5)榫卯節點拔榫 特征和成因：榫卯節點拔榫現象如圖8(f)所示。榫卯節點處的構件端部截面被削弱。當受到水平荷載或木材發生干縮時，連接構件的接觸面發生分離而造成拔榫現象。影響：拔榫會使榫頭與卯口接觸面積減小，進而降低榫卯節點的承載力。當拔榫量過大時，節點在外荷載作用下容易脫榫，導致梁柱構件連接失效。

6)梁開裂 七架梁、五架梁和三架梁的開裂主要為側面的順紋裂縫，而天花梁的裂縫則集中在頂面，分別如圖8(g)～(j)所示。梁的開裂成因和影響與枋檁相同，不再贅述。

圖8 梁架層的殘損

2.3.2 殘損數量及分布 表3為梁架層的殘損類型、編號和數量，圖9為各類殘損數量的排序直方圖，可以看出，構件開裂的殘損數量最多。圖10為檁三件中各種殘損類型的分布情況，可以看出蟲蛀和糟朽主要分布在梁架層的東北側，說明此處的環境可能比較潮濕；墊板與檁分離現象集中在南側和北側的下金檁三件，也應與結構受力特征相關。

表3 梁架層的殘損統計Table 3 Statistics of damage of beam frame layer

續表3

圖9 梁架層殘損數量排序Fig.9 Ranking of damage number of beam frame

圖10 梁架層殘損分布Fig.10 Distribution of damage of beam frame

3 結構殘損的成因歸納

3.1 木材缺陷和材性退化

作為一種天然的生物材料，木材常伴有髓心、木節和裂紋等初始缺陷。髓心木的力學性能指標極低，木節會造成應力集中和裂紋擴展，而裂縫會降低木梁的抗彎性能[13]。

隨著時間的推移，木材中纖維素降解，水分減少而抽提物增多，木纖維間組織構造日趨稀松，宏觀上表現為材料脆性和硬度增大，彈性模量和強度降低[18]，進而導致結構的剛度和承載力下降，構件撓曲和承壓變形增大。表4為應縣木塔、北岳廟、揚州古屋和景清門的古舊木材力學性能退化情況[19-21]。不同樹種的木材性能退化程度不同，如景清門的楊木順紋抗拉強度、抗彎強度和彈性模量的退化率較其他樹種大；而相同樹種的木材，由于服役年限和環境的差異，其力學性能也存在差異，如北岳廟和揚州古屋的云杉材性退化程度不同。

表4 古木材力學性能退化Table 4 Degradation in mechanical properties of old timber

3.2 生物侵蝕和自然環境變化

生物侵蝕主要包括木腐菌和蟲蟻的入侵，這是威脅木結構耐久性的重要因素。木腐菌會由外而內逐步侵蝕木材，分解其纖維素和木質素等有機物組分，使其失去原木特征。古木構件腐朽層厚度隨時間變化的發展規律為[14]

δ=0.5δ0(1+t/T0)a

(1)

式中：δ0為當前的腐朽層厚度；T0為已服役的時間；t為木構件預期的服役壽命；δ為第t年時的腐朽層厚度；a為腐朽層厚度發展速度的指數參數。

蟲蟻攻擊可分為兩個階段：1)初始期，即木結構搭建完成至蟲蟻突破構件保護層所需要的時間；2)發展期，即蟲蟻開始攻擊木構件至其完全失效所需時間。蟲蛀殘損通常采用面積率進行表征[22]。

D(t)=A(t)ter/A0

(2)

式中：A(t)ter和A0分別為蟲蛀面積和構件的初始面積。

自然環境的變化包括溫度、濕度、雨水和陽光等變化。溫濕度的周期性變化會引發木材的脹縮，而木材在弦向和徑向膨脹率的較大差異會導致其產生干縮開裂，開裂后的木材暴露在空氣中會進一步發生碳化和氧化現象。木材在溫濕度交替變化下的相對開裂深度隨時間的變化關系為[23]

ξh=exp(E+Fekt)

(3)

式中：ξh為相對開裂深度；t為時間；E和F為與含水率相關的常數；k為與溫濕度相關的常數。

3.3 長期復雜的荷載效應

結構所受荷載包括兩部分：結構自重和外荷載。

明清官式古建木結構均具有厚重屋蓋，在屋蓋自重的長期作用下，木材發生蠕變，材料損傷累積，進而造成強度降低和變形增大。考慮木材長期荷載作用下的材料強度退化時變模型為[14]

(4)

式中：B為常數；C0為基準年t0時的強度修正因子；α(t)為第t年的損傷變量。

外荷載來源很多，包括地震、交通荷載、風荷載、雪荷載和人群荷載等。中國是一個地震多發的國家，地震作用會對古建木結構造成不同程度的損傷[7-9]，如立柱傾斜、榫卯拔榫、構架錯位和歪閃等，甚至導致結構坍塌。古建筑周邊日益增加的交通振動荷載也會對結構產生不利的累積疲勞損傷[24]。近年來，隨著旅游業的高速發展，人群荷載也成為古建筑殘損的重要影響因素。

3.4 不合理的修繕措施

由于缺乏對古建木結構的傳力機理和承載能力等受力特征和木材性能退化規律的充分認識，很多修繕和加固工作的開展主要依賴經驗。在修復過程中可能存在一些不當或錯誤措施，如鉆孔檢測、多處打釘、鑿削木構件、隨意改變結構構件間原有的連接關系等，而這些措施會導致或加劇木結構在受力狀態下的損傷。

4 古建筑的保護建議

4.1 建立結構健康監測系統

利用SSA對長期監測數據進行分解和重構，可對結構未來的響應及趨勢進行預測[26]。一方面，對比預測值和實測值的差異，可實時掌握結構的殘損變化；另一方面，預測模型還能給出結構在未來服役中的安全概率，為管理者采取干預措施提供判斷依據，實現由“搶救性和被動性保護”向“預防性和主動性保護”轉變的科學理念。

4.2 加強木材防腐防蟲的生物病害防治

木腐菌和蟲蟻的侵蝕是影響古建木結構耐久性的重要因素，生物病害問題在潮濕環境中更為嚴峻。防治措施包括：1)將木材含水率控制在25%以下，可有效抑制木腐菌的滋生[27]；2)在構件表面涂刷蠟乳濁液、胡桃醌等可降低木材的吸濕性，進而有效減緩木腐菌的侵蝕[27]；3)在立柱表面外包保護層；4)保持構件干燥通風，特別是控制密閉夾縫處的溫濕度，破壞木腐菌和蟲蟻的生存環境；5)定期對各構件進行檢查，一旦發現菌斑或蟲卵立即進行清除，防患于未然。

4.3 積極開展古建木結構的基礎研究

正確認識古建木結構的基本受力性能是開展修繕和加固工作的前提。應開展更多、更全面的針對古建木結構的基礎研究，包括節點、構件和整體結構的靜動力性能、木材材性增強劑和防腐防蟲涂料的研制、CFRP和記憶合金等新型材料[28-31]和無損掃描技術在木結構加固和檢測中的應用適應性等，形成科學、系統的分析理論和計算方法，進一步完善相關規范和標準[15]，并提出準確、合理又行之有效的修繕和加固方法。如此，才能避免因不合理的人為修繕措施而造成的古建筑殘損加劇。

5 結論

1)同道堂的木結構體系按空間高度和傳力路徑可分為柱框層、斗栱層和梁架層。柱框層殘損包括柱腳糟朽、柱身糟朽、開裂額柱頭破損；斗栱層殘損包括構件松動分離、裂紋劈裂、翹缺失、不協調的新材替換舊材、斗栱整體傾斜、小斗缺失、歪閃、斗耳順紋開裂、暗銷缺失、大斗斗耳劈裂和底座被鑿削；梁架層殘損包括檁三件開裂、分離、局部破損、蟲蛀糟朽、榫卯節點拔榫和梁開裂。其中，斗栱層的殘損類型和數量最多，殘損狀況最為嚴重。

2)古建木結構殘損成因比較復雜，但主要可歸納為：材性退化和木材缺陷、生物侵蝕和自然環境變化、長期復雜的荷載效應以及不合理的修繕措施。

3)建立古建筑木結構關鍵部位的溫度、濕度、應變和位移等信息的結構健康監測系統，加強木材防腐防蟲的生物病害防治，開展包括結構靜動力性能、木材材性增強劑、防腐防蟲涂料、CFRP和記憶合金等新型材料的研制，是古建筑保護和修繕的重要基礎和方法。