中国古建筑木结构修复加固技术分析与展望
由于独特的地理、气候、文化等因素，中国形成了以木结构为主流的古建筑体系［1］。中国木结构建筑历史悠久、类型多样、体系完整，在世界建筑中独树一帜，代表了中国辉煌的物质和精神文明，具有极高的历史、科技和艺术价值［2-3］。然而，木材作为生物材料，在长时间自然环境及人为因素作用下，易产生变形、裂缝、腐蚀［4-5］，影响建筑结构安全，造成建筑价值信息丢失。因此，需要对古代木结构建筑进行不断修复加固。
我国对于木结构保护修复加固的科学研究起步较晚，经过近几十年的发展，技术水平虽有了很大进步［6-7］，但大量保护工作仍以传统修缮方法为主，不完全符合相关保护原则［8］。亟待对木结构修复加固技术进行系统梳理，分析技术现状问题，结合遗产保护的理念和现代技术发展，进一步探究其未来发展趋势，以推动木结构修缮技术的发展完善。
一、古建筑木结构基本特点和保护原则
中国古代建筑以木构架为主，在木柱上加设梁枋，梁枋上铺设屋顶，屋顶重量经梁枋、柱子传递至地面。柱子、梁、枋等构件之间通过榫卯连接，构成富有弹性的框架结构［1］。按照构造特点，建筑构架可分为抬梁式、穿斗式和井干式，按照构件类型，建筑构件可分为大木作(柱、梁、枋、斗拱等)和小木作(门、窗、隔断、栏杆)［9-10］。建筑构架和构件主要以木材为原料，木材具有良好的抗压和抗弯能力，同时也存在徐变大、弹性模量低、易老化、易朽坏等问题，由此导致木构件的各种损坏，需要持续地加固维修。
由于古建筑是中国建筑遗产的重要组成部分，针对其木结构的修复加固也必须遵循遗产保护的原则。建筑遗产保护的核心原则是真实性、完整性［11-13］。真实性要求在修缮过程中，保护好建筑的原材料、工艺、设计和它所反映的历史、文化等相关信息。完整性要求对遗产价值、价值载体及其环境等各要素进行完整保护。由核心原则还衍生出一系列的派生原则，如最小干预、可逆性、可识别性等［11-12，14］。最小干预要求对建筑的修缮，保持在最必要部分、减少到最低限度。可逆性要求修缮所采取的任何措施都是临时的，后期需要时可以随时去除。可识别性是指为修缮所添加的任何构件和材料，都要具有可识别性。根据现代建筑遗产保护要求，这些原则是建筑遗产在保护过程中所必须遵循的，但当前中国古建筑木结构的修缮方法与上述原则并不完全相符，有待进一步完善。
二、修复加固技术现状
中国传统木构缮技术主要以养护、维修、更新为主要内容，按照维修工程的规模特点可分为：日常养护性维修、重点维修、局部复原、原址重建等［15］。在重点维修加固中，按照修缮的层次又可分为整体构架和木构件的修复加固，其中木构件的修复加固是古建筑最根本、最普遍的形式［16］。本文针对裂缝、糟朽、垂弯、拔榫滚动等常见损伤，综述其常用的传统修复加固技术及现代相关技术。
2.1糟朽的修复加固
木材是一种生物材料，由纤维素、半纤维素、木质素等有机高分子材料组成［17］。这些材料是一些昆虫和木腐菌的营养物质，在适宜的温湿环境中，危害生物会快速繁殖，造成构件糟朽。
木柱糟朽是由于柱子长期处在潮湿环境中导致，一般发生在柱根部位，传统处理方法主要有剔补、包镶和墩接法［18］。当糟朽较为轻微时，可剔除腐朽部分，按照原样用干燥木材修补完整；当糟朽面积超过柱子圆周1/2，深度不大于柱径1/5时，可使用包镶法［19-20］。即剔除糟朽部分，按剔凿长度、深度及柱子弧度，制备包镶材料。当柱脚糟朽严重，高度大于柱高1/4、深度大于柱径1/2时，可采用墩接法(见图1)。
墩接法是指截除柱子糟朽部分，换上新料，在接口处通过榫卯连接新旧材料。当柱子腐朽高度超过柱高1/3或折断不能墩接时，就需要抽换或加辅柱［21］。
梁、枋、桁等构件糟朽修复加固方法和柱子糟朽类似。当糟朽断面较小、剩余截面经过验算符合受力要求时，可采用剔补、包镶法处理［22］。当糟朽断面较大，上下深度大于构件高度1/3，小于3/5，且剩余截面承载能力不能满足使用要求时，可在构件上增补新料，采取木板夹接、钢板托接等方式补强［23］。如果糟朽深度超过3/5时，则需更换构件端部或整体(见图2)。
剔补、包镶和墩接法是中国古建筑传统木构的重要修缮形式，可以较好地保证构件外观的完整性，但是多数情况下不可逆，在一定程度上会影响材料的真实性。同时，新镶补的材料与原材料材性不完全相同，随着时间的推移，2种材料结合的紧密程度会下降，影响构件后期工作性能［24］。
2.2裂缝的修复加固
裂缝主要由于木材在干燥过程中，切向收缩率大于径向或外层木材收缩率大于内层而产生［25］；木材长期受外力时，其力学性能退化，也会产生裂缝［24］。对于柱子裂缝，传统修缮方法主要为嵌补法:裂缝宽度W≤3mm时，可用腻子抹缝；当3mm＜W≤30mm时，可嵌补木条，用胶粘剂固定；当W＞30mm，且不大于柱径1/3时，除用木条嵌补外，尚应在裂缝外加铁箍［26］，如图3所示。当柱裂缝深度大于柱径1/3或因倾斜扭转造成时，需待构架修整复位后用木条嵌补，以铁箍箍牢［27］。当裂缝为受力裂缝或可能发展成斜裂缝时，须进行强度验算，根据情况补强加固或更换新柱［28］。
梁、枋等横向构件的受力不同于柱类构件，主要受抗弯与抗剪作用。对于此类构件，当裂缝较轻微时，可用铁箍直接加固，当裂缝较宽时，应考虑在嵌补的同时加设铁箍［29］。当构件裂缝较长、糟朽不是很严重时，需在裂缝内浇筑环氧树脂，再用铁箍加固。当构件裂缝宽度超过规定限值时，需验算构件承载力，符合受力要求的，仍可采用嵌补法，不符合受力要求的，则采用补强法［30］。
补强法包括支顶法和机械补强法(见图4)［22，31］。支顶法主要是在梁枋下支顶立柱，防止构件弯垂断折。机械补强法是利用凿接物、木板、钢板等附加材料恢复木构件强度的方法，用于加固因抗剪能力不足而出现的裂缝［32］。当木构件损坏严重，以上方法都不能满足受力要求时，则需更换构件。在柱子下沉、梁架歪闪、构件干缩等情况下，斗、拱、昂等构件也会出现裂缝、劈裂。对于这些构件的裂缝、劈裂，一般可用胶粘剂对齐固定，继续使用。因为斗拱组件繁多，构造复杂，拆解修补较为麻烦，所以对于构件小的破损，尽量都不拆卸，按照保持现状的原则进行修配。
上述补强加固为主的传统修缮方法广泛应用于木构件的各种损伤修缮中，能够保留木构件的原初材料，并具有较好的可逆性和持久性，但大量使用了螺栓、钢箍等铁质构件，铁制构件易生锈，会对木质材料和构件外观造成一定损害［33-34］。因此，在具体修缮过程中应综合外观、价值等多方面因素，选用相应的材料技术［35］。
2.3弯垂的修复加固
弯垂是梁、枋、桁等构件长时间处于重力荷载下，因材料性能老化发生弯曲的现象。对于梁枋等构件，当垂弯比较轻微、不影响构件承载能力时，传统方法主要是在挑顶或翻建屋面时，将垂弯的构件翻转180°继续使用；当垂弯较大，挠度超过规定限值时，可采用传统支顶法、下撑拉杆加固法等［23］。
支顶加固主要有2种形式：当木梁下有梁枋时，在梁枋上设置木柱作为附加支座；当木梁下没有梁枋时，在木梁侧方设置铁钩拉接，铁钩一端钉入木梁内，另一端钉入附近梁架内［16］。下撑拉杆加固法是指在木梁下加设拉杆，与梁枋组成桁架，从而减小其挠度的方法。当梁枋弯垂较大，出现断裂或不足以承受上部荷载时，为不更换构件，还可在构件下部增加工字钢梁(见图5)［36］。
桁条也是构架中重要的受力构件，尤其金桁容易弯垂。对于桁条的弯垂，可在桁条下增设一道桁条以抵托弯垂，也可在桁条下增加斜撑支托［37］。若构件没有严重糟朽劈裂，还可以在构架翻修时，将构件翻转，压平后继续使用［38］。斗拱的受弯构件在受力不均衡等情况下，也会出现构件弯垂。当弯垂相对挠度不超过1/120时，可在小斗的腰上粘贴硬木垫，矫正形变；当弯垂超过1/120时，则要更换构件［22］。更换构件是中国古建筑传统木构修缮常用方法，可以较好地保存木构的形制。但修缮次数增加，会影响建筑构件材料的原真性，因此只有在其他方法都不满足要求时，才建议使用。
2.4滚动、拔榫的修复加固
古建筑木构件以榫卯为主要结合形式，榫卯节点属于半刚性连接，在长时间荷载、较大外力等影响下，榫卯节点会出现拔榫现象，影响构架稳定性［39］。古建筑构架中常见的拔榫、滚动部位主要有梁枋与柱子交接处、桁条与枋木搭接处、斗拱内部榫卯节点等［26］。
当梁枋等构件出现拔榫时，若榫头没有糟朽，传统方法是在梁架拨正后增加一些加固构件［26］。若拔榫是由榫头糟朽引起的，则需将榫头和其延伸部分剔除，将新制硬木榫头与梁枋端部相接，用胶和螺栓固紧［38］(见图6)。
在构架中，桁条一般位于梁头，由于梁头凹槽较浅，桁条会在椽子向下作用力下拔榫滚动。若桁端榫子完好，可在拔正桁条后加设木块［40］。还可以选择每间桁条接缝处的椽子，用螺栓代替椽头铁钉穿透桁条，将椽子改为加固构件(俗称拉杆椽)，或在椽子之间用铁板条自上而下将桁条固定(俗称铁板椽)，见图7。如果桁条拔榫、滚动由桁端榫头腐朽导致，则先将糟朽部分锯除，然后新做榫头与原桁条搭接［41］。
2.5构架的修复加固
裂缝、糟朽、弯垂、拔榫滚动等是古建筑木构件最为常见的损坏形式，会进一步导致建筑构架损伤，出现歪闪、局部不均匀沉降、毁坏变形等现象。
对应不同的建筑构架残损程度，有4种传统修缮方法:揭瓦修缮、修整加固、打牮拨正和落架大修［23，26］。揭瓦修缮是在个别构件残损、屋架完好的情况下，对建筑进行揭瓦，并修复加固残损构件的措施。修整加固是在木构架变形小、构件位移不大时，不必揭瓦和拆落构架的情况下，对残损构件进行修复加固的措施。打牮拨正是在部分构件歪闪、倾斜、不均匀沉降时，不拆落木构架的情况下，支顶梁架，使倾斜、扭转、拔榫构件复位，并替换修补残损构件的措施(见图8)。落架大修是在梁架主要构件弯垂、拔榫、糟朽非常严重时，需进行彻底修整或替换复位的修缮措施。应全部或部分拆落构架，修整或替换残损构件。
以上几类修缮形式是中国古建筑传统屋架的修缮方法，一直沿用至今，能够较好地保护建筑构架完整性。但是这些修缮方法会对建筑造成一定的扰动，尤其是打牮拨正和落架大修对建筑构架扰动较大，会导致历史信息的丢失，因此要根据建筑类别慎重使用，尤其是一些重要的文物建筑［42-43］。
2.6现代修复加固技术
除上述传统技术外，随着近年来中国建筑遗产保护实践的发展，古建筑木构修缮技术在新概念、新工艺、新材料等方面均取得了较丰富成果，并应用于重点修缮保护工程。
在构件糟朽方面，对于轻微糟朽，国内已有学者利用有机-无机杂化的方式，在材料糟朽部位原位合成具有特定性能的材料，具有原位补强、防腐加固功效［44］。除此之外，国外还有一些技术值得借鉴，如ＲotDoctor和WoodenCareSystems［31，45］，这类方法以环氧树脂为胶粘剂，以木屑、玻璃纤维作为填充物，对木材糟朽、裂缝等损伤进行填充及整容修复，能够避免挖补、包镶造成的材料损失。但环氧树脂具有不可逆性，易黄变，持久性有待进一步验证［46］。
在构件裂缝修复加固方面，目前国内已使用缝合法和内置芯材法。缝合法利用贯穿锚栓或螺旋锚栓穿入分裂部分，实现裂缝的缝合［31］；内置芯材法通过在构件下部或内部植入钢板、钢筋，以增加构件的承载力［47］。国外也发展了一些技术，如加拿大的WEＲSystems和荷兰的BETASystems［48-50］(见图9和图10)。但这些技术通常需要精确的操作施工，有着严格的使用要求［51］。
在构件连接补强方面，铁质构件越来越多地被纤维复合材料代替［52-53］，如碳纤维条代替钢箍加固裂缝、拔榫，碳纤维布、玻璃纤维布等代替钢板对弯垂构件补强。相比传统材料，纤维复合材料力学性能优异，耐火，材料轻薄，对建筑外观影响小［54］。
在本体修缮方面，可以在最小干预、不更换原有构件的前提下，通过植入式或附着式构件，恢复原结构受力体系或建立新的结构受力体系［55］。对于不可避免的拨正、落架等纠偏复位修缮，最新的木构架纠偏复位工艺可以通过深化传统纠偏复位、软件模拟复位力系、智能精确的纠偏复位工具，消除传统施工的盲目性［42，56］。
相比传统技术，新的材料技术性能优异、操作方便，在一定程度上弥补了传统技术的缺陷，但是体系尚不完善，应用时间短，时效性、兼容性等也有待充分的实践检验。
总体而言，中国古建筑木构修复加固技术目前呈现新旧交替的局面。一方面，传统修复加固技术在修缮工程中仍大量使用，在木构修缮体系中占有主导地位；另一方面，新概念、新工艺、新材料较多地应用于修缮保护工程。传统修复加固技术保证了中国建筑几千年的延续发展，是经时间检验有利于建筑长期保存的成熟技术体系。但传统技术重点在于修补，其应用有着特定的时代性和实用性。中国历朝历代对于建筑物一直秉持着实用利废的态度，不求“原物”长存［57-58］。对待建筑修缮，强调建筑形体的“真、善、美”，注重完整性和艺术性，注重“法式”而非“原样”的永续［59-60］。同时，中国以木结构为主要古建筑体系，为维持结构稳定，需要经常替换材料构件，由此形成了一种“补全换新”的技术理念［61-62］。此外，中国文化重“道”轻“器”，传统建筑修缮技艺主要依靠匠人口口相传，凭借经验判定损伤进行修缮，未形成一个完整的科学流程体系［63-64］。新的木构修复加固技术是在继承传统的基础上发展而来，但因其应用时间短，体系不健全，尚不能完全弥补传统技术的不足。
三、修复加固技术展望
建筑遗产修复加固目的是保护建筑的历史艺术价值，是一项严密的研究性工作，需遵循科学的保护原则、严谨规范的技术流程。中国古建筑传统木结构的保护技术体系在理念、流程、技术内容等方面都亟待完善和创新。
3.1修复加固理念
目前古建传统木结构修复加固以“修补”、“补全换新”的传统理念为主，与现代遗产保护理念并不完全相符，而现代木结构修复加固的理念也不成熟完善。未来理念应首先从满足遗产价值保护和信息留存的角度出发，同时要考虑中国建筑文化、审美、结构等特点，发展出满足遗产保护需求、适应本土文化的遗产保护理念［63］。
要遵循现代遗产保护理念，提高遗产保护修复行为的“研究性与严密性”。遵循真实性和完整性原则，在糟朽、裂缝等损伤修复加固时，要合理、最小程度地替换材料构件［14］。遵循最小干预原则，只有材料无保留可能或构件无法满足受力要求时，才进行替换［65］。遵循可逆性和可识别原则，注意技术措施的可逆性，新增构件材料要有一定的可识别性。
要尊重中国传统审美观、木结构特点和延续不断的传统做法。注重建筑形制、设计和风格的完整性，如必要时对建筑物重新油饰，在构件的完整性具有重要意义或建筑结构安全有内在要求时，进行适当的增补换新［66］。替换材料构件时，应在可识别性和协调性之间取得平衡，保证建筑整体和谐统一基础上的可识别性［63］。
3.2修复加固流程
传统修复加固主要依靠匠人经验判断，科学性不强，现代新的修复加固技术也尚未形成一个完整的体系。由于古建筑木结构价值多元性、损伤机理复杂性，要科学地对建筑本体损伤进行修复，必须综合多学科，开展充分的研究准备工作，才能制定正确的修缮策略、技术方案［63，67］和工程体系［63］。中国木构修缮在保护工作流程方面，应该正视遗产保护的需求，根据木结构损伤特点，结合三维扫描、建筑信息模型(BIM)等先进的工程技术，积极构建以“历史文化分析—测绘扫描—BIM信息化数据平台—性能和价值评估—修复加固设计”为环节的流程体系，如图11所示。
通过历史探究和现场考古了解建筑木构件年代、历史演变、结构特征等背景信息。通过三维激光技术，结合传统测绘方法，建立从结构整体到构件的三维立体精细化模型［68］。利用红外热成像、三维应力波等技术和相关实验探究，勘测结构或构件材性、损伤，全面掌握构件残损特征信息［69］。在此基础上构建建筑信息模型［70-71］，对建筑结构、构件开展各种性能和价值评估。如基于BIM，构建糟朽、裂缝等不同损伤模型，开展有限元静力分析和虚拟修复加固，评估修复前后的安全性能；基于构件材性和残损信息，构建不同类型累积损伤时变模型，对构件进行可靠度评估［72-73］；基于构件历史文化分析和现场勘测信息，依据遗产保护理论和法规，建立价值评估模型。通过性能和价值评估，为修复加固设计提供可靠理论依据。
3.3修复加固技术
传统技术以嵌补、补强、换新等为主，并不完全满足遗产保护“精细化”的需求。新的技术方法也存在一定弊端，时效性有待验证。未来古建筑木构修缮方法应该在传承和探索传统材料、工艺的基础上，积极引入新材料、新技术以弥补传统技术的不足［74］。
一方面，积极推动传统修复加固技术的科学利用。对于传统胶粘材料，可以利用现代科学技术分析材料组分配比，探究其作用机理，通过相关实验测试其物理、力学性能等，实现材料应用的科学化，为修复加固提供科学的依据［75］；对于传统铁件加固补强，可以通过软件模拟和力学实验分析加固前后的性能变化，探究其抗弯、抗剪、抗压等效果，给出合理的加固设计建议［76-77］。
另一方面，引入经过实践验证合理有效、满足遗产保护要求的新材料、新技术，以弥补传统技术的不足。对于损伤构件修复，可以探索通过无机纳米技术、无机-有机物杂化的方式，合成力学优良性能、抗菌、疏水的复合材料，实现损伤材料的原位无损修复［78-79］；还可以利用生物技术，通过纤维素细菌在木质微观结构中合成纤维素，修复木材微观细胞结构，恢复材料性能［80］。对于损伤构件加固，可以加强纤维复合材料代替铁质构件的研究，同时探索植芯、缝合等更有效、更隐蔽的加固方式，以更好满足遗产保护需求等。
四、结语
中国古建筑木结构修复加固技术由传统的房屋修缮技术演变而来，根植于中国独特的建筑文化观念和结构特点。理念上注重“补全换新”，流程上注重经验判断，技术内容上以传统材料和工艺为主。这种技术体系有效地维护了中国传统建筑的发展，成为建筑遗产“真实性”内容的一部分，但这种传统木构修缮技术不能完全满足现代建筑遗产保护的需求［67］，同时现代修复加固技术尚不能较好地弥补传统技术体系的不足。未来应在继承传统技术的基础上，紧密围绕建筑遗产保护的核心理念，基于多学科协作，采用新的技术和材料，对现有技术体系进行积极地改进完善。
在理念上，应从满足现代遗产保护原则出发，尊重中国传统的文化理念、审美和建筑结构特点，提高遗产保护修复行为的“研究性与严密性”，保护好建筑遗产的价值信息。
在工作流程上，应综合建筑文化、测绘、结构力学、计算科学等多学科，充分利用现代技术手段，建立系统严谨的保护工作流程体系，通过科学地评估分析，制定合理的修复加固方案。
在技术内容上，要在传承和探索传统技术的基础上，积极采用新材料和新技术弥补传统工艺技术的不足，不断更新完善木结构保护的技术体系。
通过理念改进、工作流程完善、材料技术创新，才能更好地保存好古建筑原有形制、结构和材料，形成满足现代遗产保护需求、具有显著东方建筑特色的古建筑木结构保护实践科学体系［81-82］。
参考文献：略
文章来源：李爱群，周坤朋，王崇臣，解琳琳《中国古建筑木结构修复加固技术分析与展望》，东南大学学报(自然科学版) 2019年1月 第49卷第1期