中国传统民居建筑修缮中木构件保存问题探讨_以南捕厅为例_乐志.pdf

4 6 中国传统民居是中国古代建筑的重要组成部分 其艺术价值不同于宫殿 庙宇等大型公共建筑 而是更 注重因地制宜 建筑群在空间组合变化上更为丰富 和 生活的联系也更加紧密 这些对于研究中国古代建筑 的空间形态 人的生活方式 民俗等都有重要的意义 一处保存较为完整的民居还是一个城市历史文化积淀 的佐证 也是重要的旅游资源 因此 近年来 民居建 筑及其保护问题受到越来越多的关注 民居受保护的 力度和范围也逐渐扩大 由于大量的传统民居都经过了相当长时间的使用 虽然不断进行修葺 但木材都出现了不同程度的腐朽 和老化 一些清代晚期的建筑 其本身的建造工艺并非 上乘 用材偏小 时间一长 如柱列侧倾 屋面下垂等 问题就较为严重 在现有的研究民居保护的文献中 如 自然环境与中国传统民居构筑特征 杭州明代民居 初探 中国古代木构建筑的保护与维修 都有对建 筑构造 修复等问题多方向的探讨 中心论点都是强调 要维护文物的真实性 但真实性并非空洞的 当 真 实 的构件作法和安全发生矛盾时 如何既保证安全 又最大限度的保持真实性 是维修设计的关键所在 因 而修缮和利用必然涉及到对原有构件的鉴定与处置 涉及到对它们结构工作状态的分析 目前同类文章中 在结构状态分析方面还缺乏较深入的研究 本文就试 图通过介绍南京传统民居南捕厅维修的实例 对这一 领域的某些问题加以探讨 一 楼板加固问题 大多数的传统民居建筑群修好之后 是作为博物 馆或名人故居一类的建筑来使用的 它们的使用性质 不再是住宅而是公共活动场所 按照现行的荷载规范 其活荷载的取值从居住建筑的 2 K n m 2变为了博览建 筑的 3 5 K n m 2 对于只有一层的建筑这一改变影响 不大 但对于部分有二层的建筑 楼面层的结构受力发 生了很大变化 必须验算后进行处理 以南捕厅的某栋二层建筑为例 二层楼板的木肋 基本构造如 图 1 从地板钉子的间距测出室内地板 木肋的间距为 8 0 0 m m 室外二层走道的木肋间距为 中国传统民居建筑修缮中木构件保存问题探讨 以南捕厅为例 乐 志 6 0 0 m m 楼板 木肋的断面为 d 1 2 0 m m的圆 形 上下砍平 地板的厚度为 2 0 m m 明间的 跨度为 4 5 0 0 m m 首先验算 现有楼面的承 载能力 对于荷载规范规定的 3 5 K n m 2的活荷载 大致可以理解为在 1 m 2范围内有约 5 个体重 7 0 K g的人 活动 考虑到现在此类民居博物馆的实际运营状况和 室内有很大一部分为展品的静荷载 折减活荷载是可 行的 对于室内 参考住宅的活荷载取值 将其折减至 2 K n m 2 即 1 m2范围内有约 3 个体重 7 0 K g 的人活动 同时对于很重要的交通要道 如室外悬挑的走廊和楼 梯等 仍然按照 3 5 K n m 2的活荷载计算 木肋断 面的受力参数近似按照 1 1 0 m m 1 1 0 m m的方形计算 木肋两端仅用简单的燕尾榫插入梁内 很难控制端部 的竖向变形 只能按照简支计算 楼板厚度按照 2 0 m m 计算 木材弹性模量和强度按照杉木计算 荷载和截面 性质计算略 验算结果显示 木肋在该种荷载作用下 已经无 法满足抗弯要求 且断面严重不足 南捕厅测绘数据统计显示 木肋直径最小 7 0 m m 最大1 2 0 m m 室内木肋间距为8 0 0 m m 左右 室外在6 0 0 8 0 0 m m之间 楼板走动时有明显的抖动感 无论从 现有使用情况看还是考虑到未来的使用 都必须进行结 构加固 同时还要尽可能完整的保留文物建筑的原有作 法和结构特征 就结构加固方法而言 不外乎加大木肋 图 1 南捕厅原有楼板构造 4 7 断面 减少木肋的间距和缩小木肋的跨度三种方法 缩 小跨度的方法要求在一层增加支撑 影响美观而且不利 室内展示空间的使用 改变了原有的传力途径 首先被 排除 减少木肋间距的办法对原有结构改动较多 一般 情况下不宜使用 但是针对某些明间跨度很大的房屋 必须配合增大截面的方法使用 增大截面的方法最为直 接 但其弊端在于 首先 仅仅增加断面宽度虽然可以 满足承载力要求 但无法满足变形控制要求 例如上例 的房屋 将木肋宽度增大到 3 0 0 m m时可以满足承载力 的要求 而无论加大宽度到何种程度 都无法满足变形 的控制要求 第二 不合理的加大断面会导致大料难 寻 给施工带来麻烦 第三 破坏了原有木肋构件 通过分析实际情况及总结先期修缮过程经验 我们 提出一套较为简易可行的方法 首先对原有构件进行检 验 保留那些变形不严重 没有腐朽的构件 然后在原 有的木肋上叠加一根通长的木肋 两者之间以竹销斜插 嵌固 并用环氧树脂黏结以保证协同工作 其构造见 图 2 在增加截面高度的同时充分保存利用了原有构件 通过验算 对 于 开 间 小 于 4 5 m 的次间 稍 间 和 部 分 明间 只要木 肋 的 间 距 不 大于 8 0 0 m m 就 不 改 动 原 有木肋间距 而 采 用 这 种 叠 置 的 方 法 来增高截面高度以解决抗弯和变形问题 对于 4 5 m 以上的开间或 4 5 m以下的开间但荷载无法折减的部 位 我们采用叠合木肋的同时还控制木肋的间距在 4 0 0 m m以内 例如 对于前述的房屋 我们在原有构 件上面叠加了一个 8 0 m m l O O m m的构件 验算如下 对于走道部分 保证木肋间距小于 6 0 0 m m 同时 叠加一个 1 0 0 m m 1 0 0 m m的构件 并通过设置门槛 解决由于室内外木肋截面变化而引起的楼板项面高差 验算如下 考虑到古建筑木结构验算时强度和弹性模量都要 按 0 9 折减 兼之照顾到大于 4 5 m跨度的房屋和地震 验算 则可以让为该方案是合理且安全的 此外 还要 特别注意 在楼梯开洞处设置井口枋的验算 其构造方 法如 图 3 平行于楼梯方向的井口枋虽然活荷载增大 从 2 K n n 2到 3 5 K n m2 但是由于跨度减少一般 没有结构问题 但是垂直于楼梯方向两端的井口枋 由 于力的传递 实际承担了整个楼梯段长度范围的荷载 这时 仅仅通过增大截面的作法很难满足承载力和变 形要求 我们在维修实践中主要是结合楼梯扶手作法 在井口枋交接点设置柱支撑来解决该问题 这种方法 减少了跨度 使得井口枋传下的内力直接传递到地面 也符合文物建筑维修的 可逆 可读 原则 二 屋檐下垂的问题 在大量古建筑中 都出现了不同程度的屋檐下垂 的问题 这主要是由于挑檐檩的断面不足引起的 在很 多的修缮案例中 都回避了这个问题 直接使用原物或 者是按照原有断面重做 往往留下了隐患 以南捕厅为例 屋面出檐部分的构造如 图4 椽 子是搁置在檩条上的 通过钉子或者木销连接 可以将 其简化为铰接节点的一次超静定连续梁来计算 对于各 个檩条 它们承担了由椽子传导下来的屋面荷载 其两 端搁置在柱头上 有多种搭接的方法 在南捕厅较为常 见的是如 图 5 所示的构造方法 由节点构造分析 此种搭接方法不能很好的约束节点的转动 应当简化 图 2 保证安全也保留原有构件 图 3 南捕厅楼梯井口枋构造 4 8 图 7 简支梁法和连续梁法弯矩比较图 为铰接节点计算 对于挑 尖梁头 通常的构造作法 是与柱以透榫交接 可以 简化为悬挑构件计算 通过统计南捕厅测绘 数据 我们发现 L 2相对固 定 L 3在 7 0 0 9 0 0 m m 之间 变化 L 1在 1 0 0 0 1 3 0 0 m m 之间变化 挑檐檩的直径从 1 2 0 m m 1 6 0 m m不等 计 算表明 L 3越大则挑檐檩承担的荷载增大 甚至会出 现在檐檩处的反力向上即檐檩和椽子脱开的现象 同 时还发现古人对于开间跨度大于 4 5 m的房屋 屋面大 多用木望板代替了望砖 部分甚至不铺木望板 直接将 瓦铺在数层芦席上冷摊 可见古人对于最大弯矩和跨 度 荷载有关这一规律有一定的认识 以上例房屋验 算 尺寸为 L 1 1 2 6 0 m m L2 3 3 0 m m L3 7 1 0 m m 椽 子直径 8 0 m m 间距 2 5 0 m m 验算显示 椽子的应力 都小于允许应力 檩条呈现明显的应力分布不均现象 金檩 檐檩和挑檐檩的内力分配系数为5 5 5 2 1 2 3 挑檐檩的断面尺寸为 d 1 3 0 m m的圆木 远小于金檩和 檐檩的断面 对其进行验算如下 屋面为椽子上铺望砖 的作法 上部线荷载计算过程略 断面严重不足 必须考虑加固方案 对于挑檐檩 的加固方法 我们考虑了以下几种 1 更换新挑檐檩 增大挑檐檩的断面可以直接满 足挑檐檩的承载力和变形要求 但由于挑檐檩的两端 搁置在挑尖梁头上 一味加大断面不但会破坏原有的 挑尖梁构件 而且过大的挑檐檩断面在立面比例的感 官上很难让人接受 2 减少挑檐檩计算跨度 普遍的做法是增加一段 替木 但要保证替木能起到减少挑檐檩计算跨度的作 用 就必须保证替木和挑尖梁头之间是牢固的刚接 因 此在节点构造上 就要求替木穿过挑尖梁头 如图 8 该作法同样会一定程度上损坏挑尖梁构件 此外要保 证替木能够对挑檐檩起到支撑作用 其长度也是有一 定的限制的 在以前此类文章中 鲜有讨论 现参考 古代大木作静力分析 一书中的方法 验算如下 假 设替木和檩条使用相同的材料 判定的关键是替木挑 尖梁一端的转角要小于檩条的转角 设替木的断面为 7 0 m m 7 0 m m 挑檐檩 d 1 3 0 两者材料相同 其截 面惯性矩之比 I 1 I2约为 1 7 计算简图见 图 6 由于是高次方程 采用试算法较为简便 当跨度 为 4 5 m 时 替木的最大长度为 0 7 m 由于施工时不可 能严丝合缝 这一取值是偏大的 但替木也因此不会承 担全部挑檐檩传来的荷载 所以两者大致抵消 3 利用连续梁的原理 在跨度最大的明间 使挑 檐檩通过挑尖梁一段距离 和次间的挑檐檩搭接 其实 例为苏州虎丘二山门 俗称断梁殿 这种方法可以减 少部分的跨中弯矩 其弯矩的变化见图 7 但也有一些 缺点 首先这种方法只能处理三开间以上的房屋 对于 一开间大跨度的房屋没法处理 第二 搭接处节点构造 复杂 木材的抗剪截面被大大缩小 而如果使用铁箍加 固 则一旦铁箍被锈蚀 很容易发生突然破坏 有较大 的危险性 4 在和施工队的老匠师的讨论中 我们得知还有 一种办法 就是让椽子不和挑檐檩接触 完全悬空 则 这时挑檐檩只需要负担自重 荷载主要由檐檩承担 但 图 4 南捕厅出檐构造 图 5 南捕厅挑檐檩 搭接构造 图 6 替木计算简图 4 9 是这种作法一来完全损失了挑檐檩的结构作用 二来 时间一长 椽子必然变形和挑檐檩接触 最终挑檐檩依 然会受力 通过验算和分析 发现一到三的方法单独使用都 很难解决问题 即使按照屋面荷载最小的冷摊作法验 算 直径为 1 3 0 m m 的挑檐檩所能允许的跨度为 2 9 m 而如果按照望砖作法的屋面计算 仅能跨越 2 m的跨 度 最终我们制定如下的维修准则 即对于开间小于4 5 m的 主要采用添加替木的作法 必要时加大挑檐檩 的直径 挑檐檩的直径最大不超过 1 4 0 m m和檐檩直 径 对于大于 4 5 m 的开间 挑檐檩最大为 1 6 0 m m 并 保持其原有屋面的冷摊作法 由于挑檐檩直径加大导 致的屋面檩条的变化 则在各个檩条上添加相应高度 的椽来保证屋面举折维持原有数值 现以南捕厅中 一开间为 5 1 m的冷摊屋面作法的挑檐檩进行验算如 下 其中挑檐檩直径为 1 6 0 m m 替木长度 7 0 0 m m 替 木的材料使用强度更高的青刚 替木长度已经经过验 算 确实可以起到支撑作用 通过验算 这种作法较好地解决了挑檐檩的承载 力和变形要求 此外 必须指出的是 由于部分挑尖梁 头的断面很小 在替木穿透了挑尖梁头后 其断面往往 难以承担由挑檐檩传来的荷载 这时需要在其下部添 加一定的支撑 三 总结 现在 传统建筑的保护和利用越来越成为受到关 注的问题 从南捕厅的维修经验来看 中国传统建筑在 维修时 除了要考虑到维持原有的历史格局 作法等 还应当客观地考虑到原有构造不合理等所造成的一些 结构薄弱环节 尤其当使用功能转变 使用荷载增大 时 这些环节会引发的结构灾害 然而理论的具体应用 也还有一些问题值得我们深入思考 例如 在上述的实 例中 原有的结构构件在应力超过允许应力 2 4倍时 仍然没有破坏 在实际施工中 我们还发现在干燥条件 下 各种木材的弹性模量差异很大 这和 木结构规 范 中所列出的数值 仅相差 1 0 到 2 0 有较大差 距 这一方面说明木材有较大的保险系数 另外一方面 说明现有的计算假定仍然还有很多不足 很多影响结 构计算的因素 例如楼面的刚度作用 榫卯节点的刚 度 望板的拉结作用等 包括木材本身的强度取值等都 有待于进一步深入研究 参考文献 自然环境与中国传统民居构筑特征 王文卿 周立军 东南大学建筑系理论与创作丛书 杭州明代民居初探 高念华 建筑历史与理论第六七 合辑 中国古代木构建筑的保护与维修 祁英涛 祁英涛古 建筑论文集 山西传统民居及保护对策 严纪臣 杨平 中国传统民 居与文化 古