古建筑木屋架修復(fù)碳纖維加固技術(shù)運(yùn)用

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摘要：木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑是我國(guó)珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，而隨著時(shí)代的變遷，一些木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑物在風(fēng)吹雨淋中不斷腐朽、遭到破壞。本文主要以張治中將軍府邸修繕為例，以木屋架的結(jié)構(gòu)修復(fù)為切入點(diǎn)，探尋新材料、新工藝在古建筑木屋架修復(fù)中的實(shí)際使用情況，以期為古建筑加固提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：古建筑；木結(jié)構(gòu)；碳纖維；運(yùn)用

1張治中將軍府邸

張治中將軍府邸位于南京市鼓樓區(qū)中山北路，始建于1959年，總面積約1000m2。整座宅子呈飛機(jī)形狀，分為機(jī)頭、兩機(jī)翼及機(jī)身部分。機(jī)頭為兩層小高樓；機(jī)翼與機(jī)身部分為一層建筑，層高5m。對(duì)該建筑的修繕加固，有利于保證其原有的歷史樣貌；保留并修復(fù)其府邸，有利于延續(xù)歷史文脈，保護(hù)我國(guó)優(yōu)秀的文化遺產(chǎn)，為現(xiàn)代人提供睹物思人的物質(zhì)載體，承載著現(xiàn)代人的精神寄托。因此，對(duì)張治中將軍府邸進(jìn)行修繕，意義深遠(yuǎn)。

2屋架的特點(diǎn)

本文將對(duì)府邸的機(jī)身部分進(jìn)行加固改造。張治中將軍府邸的結(jié)構(gòu)形式為輕型磚木結(jié)構(gòu)，屋架部分為全木框架結(jié)構(gòu)，四周的墻體為磚墻，總建筑面積為350m2。該建筑的抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)，抗震防裂強(qiáng)度為七度，是Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地類(lèi)別，建筑的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。該屋架的形式為木屋架，共有六榀三角形人字木屋架，分別由上弦、下弦、腹桿、檁條和椽條構(gòu)成。筆者經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，第四榀木屋架局部曾有過(guò)較大的加固改造（見(jiàn)圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)加固后的新木料無(wú)明顯損傷及變形，老舊木料輕微腐蝕，同時(shí)存在部分蟲(chóng)蛀現(xiàn)象，且老舊木料的上弦、斜撐及下弦有細(xì)小裂縫，但不影響主要的結(jié)構(gòu)性能。而情況最為嚴(yán)重的為第三榀屋架，該木屋架上弦側(cè)面有寬9mm的干縮裂縫，有斜紋，斜率為1/17，表層輕微腐朽，有輕微蟲(chóng)蛀現(xiàn)象。檁條部分有較多干縮裂縫。斜撐有7mm×750mm×10mm的干縮裂縫，表層全身腐朽，但無(wú)明顯心腐跡象。下弦側(cè)面有5mm×2300mm×11mm的干縮裂縫，微扭，表層輕微腐朽，有輕微蟲(chóng)蛀現(xiàn)象,節(jié)點(diǎn)處有很多細(xì)小裂縫。木屋架與砌體結(jié)構(gòu)支座處木材含水率較高，有輕微腐蝕現(xiàn)象。

3新型加固材料在古建筑木屋架修復(fù)中的運(yùn)用

3.1木結(jié)構(gòu)加固概述

木結(jié)構(gòu)是我國(guó)傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，在古代社會(huì)，工業(yè)文明不夠發(fā)達(dá)、機(jī)械化生產(chǎn)水平較低，能夠用來(lái)作為房屋梁架的材料只有木材，而我國(guó)地廣物博，物質(zhì)生產(chǎn)資源豐富，各種樹(shù)種的木構(gòu)件也登上了歷史的舞臺(tái)。隨著歷史的不斷演進(jìn)，木結(jié)構(gòu)建筑的工藝水平也不斷發(fā)展，尤其是一些近代的歷史古建筑，外觀雄渾壯麗，內(nèi)飾精巧別致，讓人不得不贊嘆古代勞動(dòng)人民的智慧。目前，我國(guó)現(xiàn)存的大量古建筑形式豐富，有木建筑的名居、橋梁、寺廟、樓塔、宮廷建筑物等，這些古建筑都是歷史遺留給后人的寶貴財(cái)富，我們?cè)谛蕾p其外形美的同時(shí)，應(yīng)加倍珍惜，并對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。但是，近年來(lái)由于年代久遠(yuǎn)，環(huán)境質(zhì)量下降，很多木結(jié)構(gòu)古建筑都出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題，而對(duì)于這些問(wèn)題如果缺乏關(guān)注和處理，將會(huì)導(dǎo)致木構(gòu)件荷載能力的改變，甚至影響其特有的建筑結(jié)構(gòu)安全。因此，對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的加固及修繕的意義重大。傳統(tǒng)的加固及修復(fù)木結(jié)構(gòu)的方法是直接用新材料或者混凝土材料去替換原來(lái)的木結(jié)構(gòu)，這些加固方法較為簡(jiǎn)單，不僅成本高、施工難度大，還容易破壞木結(jié)構(gòu)的原始結(jié)構(gòu)形式，讓這些木結(jié)構(gòu)失去歷史文物價(jià)值，破壞了古建筑的原有風(fēng)貌，不能達(dá)到古建筑“修舊如舊”的標(biāo)準(zhǔn)，且運(yùn)用的金屬構(gòu)件易腐蝕，加重了結(jié)構(gòu)承載力，并不是一種最優(yōu)的加固方案。

3.2碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

碳纖維增強(qiáng)材料是一種纖維增強(qiáng)材料[1]，它由高強(qiáng)度的纖維和樹(shù)脂基體結(jié)合而成，其最早被用于航空航天領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的增大截面及粘鋼法，碳纖維材料可以顯著減少固定設(shè)施的設(shè)置和占地面積，可以更好地保證古建筑的原始風(fēng)貌[2]。另外，碳纖維材料的質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高，在保證加固質(zhì)量與效果的同時(shí)，能避免因加固材料自重而增加額外尺寸；碳纖維材料中的碳元素?fù)碛凶罘€(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，可以對(duì)抗自然環(huán)境中雨水和紫外光照的侵蝕，有效提高加固件的抗腐蝕性和耐久性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，將碳纖維材料粘貼于木梁底部，可緩解木梁在受拉時(shí)所發(fā)生的脆性破壞[3]，減輕蠕變撓度；將碳纖維材料粘貼于材料的受拉面，可提高其極限承載能力，增強(qiáng)其抗彎性能。因此，碳纖維加固材料可以從根本上保證其力學(xué)性能。在本工程中，碳纖維材料的加固優(yōu)勢(shì)也是相當(dāng)顯著的。首先，木料的腐蝕和伸縮裂縫還沒(méi)有達(dá)到需要徹底更換的程度，這些裂縫如果能夠被妥善處理，可極大增強(qiáng)其承載力與使用壽命；其次，木屋架承載著屋面的主要荷載，若增加鐵質(zhì)固件或水泥制品，勢(shì)必會(huì)加重其負(fù)荷，日積月累會(huì)縮短其使用年限。從施工的便利性看，5m多的層高要求更為輕巧的修補(bǔ)件，這樣將大幅降低垂直運(yùn)輸?shù)碾y度。

3.3碳纖維加固技術(shù)的施工工藝

優(yōu)秀的施工工藝是建筑結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵，只有做到專(zhuān)業(yè)務(wù)實(shí)，才能將設(shè)計(jì)者的理念落到實(shí)處，才能讓建筑得到切實(shí)的保養(yǎng)，延長(zhǎng)建筑的使用壽命。碳纖維材料作為一種新興加固材料，其施工的工藝還未被普及，很多不熟練的施工人員往往不能掌握其工藝要點(diǎn)，無(wú)法將其有效地粘貼在被加固件上，影響加固的最終成效。因此，筆者在本次的碳纖維加固中嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，充分關(guān)注細(xì)節(jié)，嚴(yán)選操作熟練的施工人員，努力去縫合木料上的每一道“歲月裂紋”，讓這些“歲月的風(fēng)霜”只停留在表面，不深入“骨髓”。通過(guò)專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)，筆者發(fā)現(xiàn)在此次待加固的木屋架中，主要存在的問(wèn)題表現(xiàn)為較多的干縮裂紋和屋架的腐蝕。裂縫的長(zhǎng)度和開(kāi)裂的深度各不相同，有些裂縫是木料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)干后形成的干縮裂縫，此類(lèi)裂縫較多；還有一些裂縫是木料受潮后發(fā)生的表面腐蝕，對(duì)于這類(lèi)裂縫的處置就要細(xì)致耐心。處理裂縫時(shí)，首先是用毛刷等工具徹底清潔裂縫處的沉積物及浮灰，待加固面完全暴露及清灰完成后，在木梁上彈線并確定輪廓，特別是腐爛的地方，要將腐爛的木料用刀片徹底剔除干凈并控干周?chē)乃?；然后根?jù)彈線確定碳纖維布的大小[4]，用木材專(zhuān)用的桐油及石灰混合物對(duì)裂縫進(jìn)行填補(bǔ)找平；最后將裁剪后的碳纖維布緊密纏繞在受加固的木構(gòu)架部位。在粘貼碳纖維布時(shí)要注意碳纖維布的可靠搭接，并留有足夠的搭接長(zhǎng)度，還要保證碳纖維結(jié)構(gòu)膠與木料、碳纖維布的充分接觸，應(yīng)盡可能地讓碳纖維結(jié)構(gòu)膠充分滲入碳纖維絲之間（細(xì)部處可用針筒注射膠），粘貼完后要用專(zhuān)門(mén)的滾壓工具不斷進(jìn)行滾壓[5]，以去除內(nèi)部的氣泡，保證充分粘接。在粘接完之后還要涂抹浸漬膠，以養(yǎng)護(hù)碳纖維布。

3.4碳纖維加固技術(shù)的施工效果

張治中將軍府邸的木屋架經(jīng)過(guò)本次的碳纖維加固后，其綜合力學(xué)性能得到了很大程度的提高，木屋架的抗壓及抗變形的能力進(jìn)一步增強(qiáng)，同時(shí)也減少裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)散。除了對(duì)木屋架的加固，筆者還利用植筋法，對(duì)大禮堂的四周墻體進(jìn)行了徹底加固。經(jīng)過(guò)加固改造后的木屋架不僅滿足了現(xiàn)有的安全荷載要求，更是為后期改造為大型會(huì)議室提供了力量支撐。為滿足院內(nèi)的需要，該建筑因樓層標(biāo)高較高、面積較大、中間無(wú)柱子等支撐物，適合改造為一個(gè)大型會(huì)議室。而作為一個(gè)大型公共場(chǎng)所，消防安全應(yīng)放在首位。沒(méi)有消防設(shè)施為與會(huì)人員保駕護(hù)航，與會(huì)人員的性命就成了空談。因此，此次加固后的木屋架應(yīng)既能承載空調(diào)風(fēng)管和裝飾鋁板的重量，又能拉結(jié)消防的噴淋管道。經(jīng)過(guò)嚴(yán)密計(jì)算，設(shè)計(jì)院在受力方向增加20#槽鋼，用來(lái)傳遞平均荷載，而在非受力方向增加8#槽鋼作為轉(zhuǎn)換層，這樣，該屋架的荷載達(dá)80kg/m2，能滿足吊裝空調(diào)風(fēng)管及噴淋管道的負(fù)載。裝修改造后的大禮堂一改往日破舊不堪的模樣，猶如脫胎換骨般讓人耳目一新，外觀上是古色古香的文物建筑，而內(nèi)部卻是現(xiàn)代化的多功能會(huì)議室，配合高端音響設(shè)備，給人以極致的視聽(tīng)體驗(yàn)。由此可見(jiàn)，運(yùn)用碳纖維加固技術(shù)能大幅減少人力和物力的投入，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，該會(huì)議室多次轉(zhuǎn)播醫(yī)院手術(shù)室的現(xiàn)場(chǎng)視頻，為醫(yī)護(hù)人員的學(xué)習(xí)進(jìn)修提供場(chǎng)所，具有很好的社會(huì)效益。本工程從檢測(cè)木屋架的性能到最終加固完成只耗時(shí)一個(gè)月，而碳纖維布的施工僅花費(fèi)4d。碳纖維加固技術(shù)相對(duì)于鐵質(zhì)固件的加固而言，不需要現(xiàn)場(chǎng)涂刷防銹漆等涂料，對(duì)環(huán)境的污染小；相對(duì)于混凝土的加固而言，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有大量的材料和設(shè)備堆放，施工的占地面積較小?？傮w而言，碳纖維加固具有施工周期短、施工難度低的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的加固方法相比，碳纖維加固技術(shù)安全可靠、綠色環(huán)保，對(duì)于追求時(shí)間效益的項(xiàng)目工程，碳纖維加固更是省時(shí)利器。當(dāng)然，本工程成功使用碳纖維加固的示范，也將為碳纖維在其他工程領(lǐng)域中的運(yùn)用提供探索實(shí)踐的樣本。

4結(jié)語(yǔ)

文化是城市的靈魂，城市歷史文化是前人智慧的沉淀，是城市內(nèi)涵品質(zhì)、特色的重要標(biāo)志。而老建筑正是歷史文脈的載體，其記載著不同地域的人文色彩，記錄著時(shí)代變革的軌跡，蘊(yùn)含著豐富的歷史文化內(nèi)涵，是多元文化的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代人如果能夠充分利用科學(xué)技術(shù)，對(duì)這些老建筑進(jìn)行合理的修繕，讓這些老建筑既能滿足現(xiàn)代社會(huì)圖2　裝修改造后的大禮堂現(xiàn)場(chǎng)圖（圖片來(lái)源：作者自攝）的使用功能，實(shí)現(xiàn)客觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，又能有效保護(hù)不同地區(qū)的各類(lèi)文物，實(shí)現(xiàn)文物的社會(huì)價(jià)值，那么對(duì)老建筑的保護(hù)修繕則更富含傳承價(jià)值，這也是傳承和發(fā)展的要義?，F(xiàn)代文明若在發(fā)展的同時(shí)能夠帶上這些烙有歷史文化印記的“年長(zhǎng)者”，能夠“亦老亦新”、新老結(jié)合，讓不同年代、風(fēng)格的老建筑散落在城市的各個(gè)角落，讓這些老建筑娓娓“述說(shuō)”自己的故事，讓這些歷史故事支撐起城市的靈魂，滿足現(xiàn)代人的精神需求，讓人們記得住歷史、忘不了鄉(xiāng)愁，這樣的城市之美才會(huì)更豐滿、更立體、更多元。

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作者：徐瑛瑛 單位：南京醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院