古建筑设计

故宫为何在600年间历经各种灾害而完好如初？得感谢紫禁城的工匠

中国古建网2023-05-08古建筑设计肇源古建筑彩绘

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故宫为何在600年间历经各种灾害而完好如初？得感谢紫禁城的工匠

故宫为何在600年间历经各种灾害而完好如初？得感谢紫禁城的工匠,

　　古建彩绘牡丹,肇源古建筑彩绘,古建筑手绘线稿位于北京市中心的紫禁城（今故宫博物院），拥有世界上现存规模最大、保存最完整的木结构古建筑群。

　　这些古建筑的地上构造主要包括立柱、额枋、斗拱、梁（架）、屋顶等，其中立柱与额枋、梁采用榫卯节点形式连接。自1420年建成至今的近600年来，它们历经了各种自然灾害而保存完好，这与建筑本身良好的构造和木材良好的变形、抗压、抗拉及抗震性能密切相关。

　　然而，由于木材具有易糟朽、易开裂等问题及古建筑木结构的构造缺陷[1]，在长时间自然或人为因素作用下，这些古建筑不可避免的出现残损问题（处于无法正常受力或不能正常使用的状态）。

　　相应的，紫禁城的历代工匠在长期的工程实践中积累了丰富的经验，并形成了较为系统、合理的加固技术，如柱的墩接加固技术、梁的支顶技术、檩枋体系的包裹技术、榫卯节点的拉接技术等。本文结合工程实践，对上述加固技术予以详细解读。

　　立柱作为古建大木结构的重要承重构件之一，主要用来垂直承受建筑上部传来的作用力。

　　基于古建筑平面布局特点，古建木柱有的为露明，有的则包砌在墙内。露明的柱子由于通风性能良好，不容易产生糟朽；而包砌在墙内的柱子则不同。

　　古建墙体一般缺乏良好的防潮措施，部分墙体材料还吸收地表、空气中的水分，使得墙体潮湿。包砌在墙体中的木柱，长期处在潮湿的环境中，很容易产生糟朽。木柱糟朽一般从柱根和外表皮开始，然后逐渐由外向内，由下向上蔓延。

　　柱糟朽减小了柱子的有效受压截面，使柱子处于偏心受压状态，很容易使周边木构架产生倾斜或不均匀沉降，不利于木结构整体受力，并相应造成上部结构开裂、变形等力学问题[2]。

　　柱根墩接是古建木柱修缮时的传统技艺，主要是针对柱根糟朽采取的加固措施。其做法主要是将柱子的糟朽部分截掉，换上新料，再用铁箍包裹加固区。墩接加固法适用的柱根糟朽尺寸范围为：柱根糟朽面积占柱截面1/2，或有柱心糟朽现象，糟朽的高度在柱高的1/5-1/3；墩接加固方法包括刻半榫墩接及抄手榫墩接等2种做法。

　　刻半榫墩接法将接在一起的柱料各刻去直径的1/2作为搭接部分，搭接长度一般为柱径的1-1.5倍，端头做半榫，以防搭接部分移位；抄手榫墩接法将柱子截面按十字线锯作四瓣，各剔除对角两瓣，然后对角插在一起；两种加固方法中，新旧料搭接区域均用铁箍箍紧。图1所示故宫太和殿柱根糟朽及采用刻半榫墩接法加固的照片资料。

　　作者以故宫某古建前檐柱为对象，制作了1:2缩尺模型，通过竖向轴压加载方式，研究了刻半榫墩接法加固底部糟朽木柱的效果与机理[3]。

　　模型加固工艺的示意图见图2。试验显示：墩接法加固木柱后，木柱在轴压作用下的破坏主要产生在加固区，表现为纵向鼓裂；加固后的木柱极限承载力可恢复到完好木柱的91.8%，延性性能可恢复到完好木柱的98.3%，水平极限应变可恢复到完好木柱的97.2%，竖向极限应变可恢复到完好木柱的84.%，木柱近似屈服阶段的竖向刚度比完整木柱略有增长，而在破坏阶段的竖向刚度明显增大。

　　因此，传统铁箍墩接法加固底部糟朽木柱具有很好的效果。其加固主要机理在于，尽管加固木柱底部由包墩接料和旧料两部分组成，但铁箍的强度远大于木材强度，铁箍包裹加固区外皮后，可提供较大的侧向约束力，使得墩接部位(加固区)的新、旧料紧密连接，且抑制了竖向荷载作用下加固区侧向变形及裂缝扩展。

　　轴压作用下，铁箍与木柱共同作用，可增大底部糟朽木柱轴压承载力，并改善其延性，从使木柱承载能力尽可能恢复到完好木柱的状态。

　　梁属于古建大木作构件，一般为水平向布置，方向与建筑物宽度方向相同，其主要作用是支撑建筑物上部构架中的构件及屋面的全部重量，并将其传给下部的立柱或斗拱，是古建筑上部构架中最为重要的部分。紫禁城古建筑的木梁一般是由下至上层层叠加，上层梁比下层梁短，且每根梁的端部有着短柱支撑，这种支撑体系称为抬梁式梁架，见图3。

　　从受力形式来讲，古建木梁承受的外力以横向力和剪力为主，以弯曲为主要变形。紫禁城古建筑的木梁截面尺寸一般比较大，且截面高宽比多为1.25左右，在正常情况下可满足静力稳定和抗震构造要求[4-5]。然而，由于梁端一般做成榫头与柱顶预留的卯口相连接，而榫头的截面尺寸远小于梁身部位截面。

　　紫禁城古建筑历经数百年的时间，在长时间外力作用下，榫头部位很容易产生破坏并导致梁身倾斜，从而威胁梁本身的稳定性[6-7]。

　　支顶是故宫古建筑加固变形木梁的常用方法，其主要做法为：在变形木梁的底部提供附加支撑（图4），以改善木梁内力重分布，降低木梁跨中挠度和弯距，提高木梁的受荷性能[8-9]。

　　2006年，工程技术人员对故宫太和殿进行了大修勘查时，发现三次间正身顺梁端部榫卯节点位置与童柱上皮落差较大，榫头下沉约100mm，且固定童柱与顺梁的铁件已发生变形、脱落，顺梁整体可见朝榫头下沉位置倾斜。

　　通过揭去屋面部分对节点进一步观察，可以发现除榫头产生破坏外，梁架其它部位基本较好。该正身顺梁的照片资料见图5（1-顺梁；2-童柱；3-天花枋）。

　　基于榫卯节点的半刚性特征，建立了考虑了榫卯连接方式的顺梁计算模型，进行了竖向静载作用下的顺梁承载力分析，发现在长期荷载作用下，正身顺梁在榫头位置很可能因拉、弯、剪承载力不足产生破坏[5-6]。

　　经过对比分析，采用对该顺梁进行支顶加固的方法[8]。加固方案如图6，即采用钢木组合体系作为支顶构件，具体包括3根木枋组成龙门架、拉接左右侧木枋的花篮螺丝。

　　3根木枋之间采用钢板和螺栓连接成整体，以作为顺梁的附加支撑，分担顺梁的部分内力，减小顺梁的竖向变形。

　　花篮螺丝的主要目的是防止两根童柱底部因受力产生外张。木枋底部需要与童柱固定，具体连接方式为：在童柱底部设置钢箍，底部钢板一侧与钢箍焊牢，另一侧与木枋下部用螺栓固定。

　　经过静力计算，各个构件的尺寸为：木枋选用硬木松，截面尺寸为0.3×0.3m，钢材选Q235钢，螺栓选4.6级C级螺栓，左侧的木枋选用8M25螺栓固定，右侧木枋选用16M25螺栓固定，连接钢板厚度均选用10mm。另童柱底部设钢箍两道，钢箍采用10mm厚钢板，高120mm，每道钢箍用4个铆钉固定在童柱上，铆钉采用BL3号钢，?类孔，铆钉直径20mm，长160mm。

　　花篮螺丝则选用两根直径为18mm的R235钢筋加工制成。分析结果表明：该方案可降低顺梁的拉、弯、剪应力峰值，使之在《木结构设计规范》容许的范围内，而且斜戗设置在童柱下脚，利用童柱进行传力，对天花枋毫无扰动，对整个太和殿结构起到了良好的保护作用。

　　图7为顺梁采用钢木组合体系支顶后的照片，该顺梁端部至今未发现可见的竖向变形。

　　紫禁城古建筑的檩枋体系主要包括檩、垫板、枋（也有去掉垫板的做法）三种构件，其中，檩截面为圆形，垫板和枋截面为长方形。上述构件上下叠合，立于柱顶之上，组成古建筑的纵向水平受力体系，协同承担椽子传来的屋面重量，并将其传给下部的柱子，见图8。

　　然而，古建筑在长期外力作用下，檩枋体系易产生可靠性问题，影响正常使用[10]。如檩枋上下构件之间分离时，则屋顶重量由原来的檩、垫板、枋共同承担变为仅由檩承担，会造成建筑局部变形过大，影响结构稳定性；又如当檩枋体系的某个构件出现开裂时，则檩枋体系的内力重分布要发生改变，对结构的安全构成不利影响。

　　包裹法是檩枋体系加固的一种常用方法。该加固法即采用传统材料（如扁钢）或现代材料（如CFRP）将檩枋构件包裹起来，使之成为一整体，见图9所示。

　　由于包裹材料件对檩枋构件的约束作用，各构件之间很难发生相对变形，因而在外力作用下共同受力，类似组合梁(组合梁即几个单梁在上下向粘合在一起，就像一根整梁受力)，其承载能力要优于檩三件形成的纯叠合梁(叠合梁即几个单梁在上下向叠合在一起，外力由几根梁分别承担)[11]。下面以故宫中和殿明间北向中金檩枋体系的加固为例，来说明檩枋的加固技术。

　　技术人员于2006及2011年两次对中和殿进行勘查，发现明间北向中金檩有局部断裂问题并趋于严重化[12-13]。

　　裂纹的具体情况为：(1)中金檩北侧沿竖向开裂长度约为300mm，位置集中在檩的中间段，下端沿水平向延伸约400mm；形状以锯齿形为主，最大缝宽为15mm，最大深度为贯通檩径。(2)

　　中金檩南侧沿竖向开裂长度为80mm，位置集中在檩的中间偏下段，下端沿水平向延伸约400mm；形状以锯齿形为主，最大缝宽10mm。从裂纹形状判断，中金檩在开裂位置几乎产生局部折断，折断方向为由北向南，由上向下。

　　此外，中金檩断裂问题导致中金檩及下部中金枋产生较严重的挠度问题。经测定，2006年中金檩、中金枋的最大挠度为40mm，而2011年进行第二次勘查时，挠度值增大至70mm。中金檩、中金枋照片资料见图10所示(爬梁；中金檩；中金枋；中柱)，其中图10(a)虚线框部分即为中金檩的开裂区域。

　　分析结果表明[12]：由于中金檩在爬梁作用位置截面削弱，造成中金檩自身拉、压、弯承载力不足，从而导致中金檩产生断裂；中金檩与中金枋分离条件下，中金檩断裂造成的中金枋内力增加，且比檩枋叠合条件更明显；中金檩完全断裂后，将造成中金枋内力及变形剧增，威胁中金枋安全。

　　基于中和殿中金檩、中金枋体系的构造特点及受力现状，采用CFRP(Carbon Fibre Reinforced Plastics)材料进行粘贴和包裹加固。

　　第1步：中金枋底部平整处理。由于原有中金枋底部并不平整，并具有一定挠度，因而在采取CFRP板加固时，需对中金枋底部进行找平处理。具体做法是，首先在中金枋底部往上0.03m左右弹出水平墨线，然后用刨子将墨线以下部分刨平。

　　在此基础上，把厚约0.03m的木板(宽同中金枋)用乳胶粘在中金枋底部，以使得CFRP板有个平整的粘接面，见图11(a)。

　　第2步：在中金枋底部粘接CFRP板。将0.1×0.015m(宽×厚)CFRP板用配套胶粘贴在上述木板底部，以提供附加支撑力。

　　由于木材在长期荷载作用下挠度增大[11-12]，为避免上部长期竖向荷载作用造成加固体系产生过大的竖向挠度，因而对CFRP板经过预张拉处理。此外，为确保CFRP板与木板表面的充分粘接，采取木枋子+绳子做成类似套箍的临时结构，将CFRP板与木板底部箍紧，各套箍间距约为0.5m，如图11(b)所示。

　　第3步：在中金檩侧面下部粘接CFRP板。其主要作用类似于预防性保护，避免偶尔发生的斜向外力导致檩、枋分离并使得中金檩产生侧向弯曲。该步骤的具体做法为：将中金檩两侧下端约0.10m宽度范围刨平，然后用同第2步截面尺寸的CFRP板粘贴在上述刨平的表面，见图11(c)。

　　第4步：在中金枋底部CFRP板底粘接保护梁，见图11(d)。梁截面高0.1米，宽同中金枋。其主要作用为预防性保护，避免CFRP板因偶然划碰造成的破坏，同时还有利于增强檩枋体系的整体抗弯能力、减小竖向挠度。

　　第5步：在中金枋两侧用钉子固定楔形木块。木块为异形截面，一端与檩、枋侧面紧密结合，另一端形成檩外皮至枋底皮的平顺过渡，见图11(e)。

　　除了提升檩枋体系的端部位置抗剪承载力之外，楔形木块的主要作用还包括为后续工序提供一个平整的基层面。

　　第6步：用2道CFRP布包裹木楔子及底部木梁，CFRP布宽0.1m，间距为0.3m，见图11(f)。这样一来，檩枋加固后的体系在端部形成了了一个近似的整体，其抗剪能力进一步增强，亦更有利于各CFRP板与基层表面的粘接。上述加固措施于2014年底实施，至今未出现问题。

　　CFRP材料加固中和殿局部断裂的中金檩具有较好的效果，其主要加固机理在于：CFRP布的抗拉强度远大于木材强度，CFRP布包裹加固区外皮后，可提供较大的约束力，使得中金檩、中金枋紧密连接，且抑制了竖向荷载作用下加固区竖向变形及裂缝扩展[9,14]。

　　CFRP板粘接在中金枋底部，其参与承受抗弯承载力，中金檩上部弯矩荷载的分配方式由中金枋为主（中金檩局部断裂无法正常受力）改为檩、枋、CFRP板协同受力的方式，其受力构造由叠合梁趋向于组合梁，因而加固后的檩枋体系受力性能得到较好的改善[11]。

　　此外，CFRP布包镶加固了中金檩断裂部位，因而在该位置形成局部刚性区，相比于檩枋体系的其它部位更不易产生破坏。

　　榫卯连接是我国古建大木构件之间的典型连接形式。即对于两个连接的构件而言，其中一个构件端部做成榫头形式，另一个则做成卯口形式，两个构件搭扣后即形成榫卯节点。

　　榫卯节点常用于固定垂直构件、水平构件与垂直构件相交、水平构件相交、构件重叠、板缝拼接等不同形式的构件连接，其类型至少有21种[15]。

　　然而从木构架整体安全性考虑，起至关重要作用的榫卯节点应为梁与柱组成的榫卯节点形式，如图12所示为紫禁城古建筑常见的燕尾榫节点大样图，其构造特点为：位于额枋端部的榫头被加工成燕尾形式，而位于柱顶的卯口相应做成了同样形状、尺寸的凹口形式，榫头从上下方向插入卯口中，形成牢固的结合。

　　紫禁城古建筑木构件的榫卯连接方式不仅有利于建筑的快速安装，而且还具有较好的抗震效果。以图12所示的燕尾榫节点为例进行说明。

　　从连接方式来讲，燕尾榫榫头与卯口的连接属于半刚接。所谓“半刚接”，即节点不能像铰球一样随意转动（铰接），也不像固定的刚架一样完全无法转动（刚接），而是介于铰球和刚架之间的一种连接方式，其特征为可以转动，但受到一定限制。

　　这种连接特征是非常有利于古建筑抗震的。因为这样一来，有限的转动能力有利于减小梁柱构架的晃动幅度[16-17]。

　　不仅如此，基于能量守恒原理，地震能量传到古建筑木构架上，部分转化为木构架的变形能（构架变形），部分为构架的内能（内力破坏），还有部分转化为构架的动能（榫头与卯口的相对运动）。由此可知，榫卯节点的运动有利于耗散部分地震能量，减小建筑整体的破坏。

　　然而，由于榫卯节点的构造特性，其在外力作用下很容易产生不同形式的破坏，主要方式之一即拔榫[18]。

　　拔榫为外力作用下，榫头从卯口拔出的现象。一般而言，地震作用下，尺寸较小的拔榫量(一般小于榫头长度的2/5)可耗散部分地震能量，从而使大木构架的震害减轻[19]。

　　然而榫头从卯口中拔出的尺寸过大时，会削弱榫头与卯口的连接，且榫头实际参与受力的有效截面尺寸减小，很可能使榫头产生受力破坏，从而诱发大木构架局部失稳。

　　铁件加固法是故宫古建筑榫卯节点加固时常采用的方法。即利用铁件材料体积小、强度高的优点，将其固定在榫卯节点位置，并通过参与受力，来减小甚至避免榫头或卯口的破坏[20]。如对于图13所示用于梁柱连接的燕尾榫节点，当其产生拔榫时，常用厚度为10mm左右、宽度为4-7mm的扁铁拉接节点，用铆钉将扁铁的两端分别固定在榫头与卯口位置，通过铁片较强的抗拉强度及铆钉对木构件的约束作用来限制节点的拔榫，并提高结构的稳定性。

　　下面以作者主持的四川省剑阁县觉苑寺大雄宝殿震害评估为例为说明该技术的加固机理及施工方法。

　　经现场勘查，发现大雄宝殿共出现震害56处，含柱子倾斜9处，梁架拔榫、歪闪21处，殿内文物震害5处，柱根震裂1处，墙面开裂13处，空鼓5处，抹灰掉落2处。

　　其中建筑震害最为严重的是建筑内部立柱与双步梁产生严重倾斜，柱底与柱顶的水平偏差尺寸达0.22m。

　　根据已有资料，大雄宝殿在震前就有拔榫问题，位置主要为前后檐双步梁与柱的榫卯节点，而震后节点的最大拔榫量达0.08m，见图14。因此，可初步推断柱头大尺寸侧移的主要原因是上述节点位置的拔榫造成。

　　建立考虑节点拔榫的大雄宝殿有限元模型并进行抗震分析，结果表明[21]：结构的主振型均表现为水平面转动，位置在双步梁榫卯节点处，而上部梁架几乎保持不动，与震害勘查的结果基本吻合。

　　由此可推断前后檐穿插枋及双步梁拔榫是结构震害的主要诱因。在节点拔榫状态下，结构整体的位移响应明显，位移峰值接近临界值，对结构的整体稳定不利。

　　由于大雄宝殿属国家重点文物保护建筑，对其进行加固应尽量避免大规模拆改，因此首要的方案为现状加固。

　　在确定结构加固方案时，可考虑基于结构变形现状，加固前后檐拔榫的双步梁的榫卯节点。

　　加固方案见图15所示，其中左图表示加固件加固榫卯节点示意图；右图表示加固件的组成，即包括直径为8mm的刺钉（铆钉）若干、5mm厚的钢板1块、直径为12mm的钢筋1根（钢筋端部焊接在钢板上）、螺栓1组、70×70×5mm的垫片1个。

　　具体加固做法为：首先对双步梁进行支顶；然后将加固件的铁板底部紧贴双步梁底部，用刺钉将铁板与双步梁固定；将加固件钢筋部分箍住立柱一圈，钢筋端头采用垫片和螺栓固定；最后对加固件刷防锈漆两道。

　　建立考虑加固榫卯节点后的大雄宝殿整体有限元模型，开展模态分析和抗震性能分析，结果表明[22]：加固后结构整体刚度增强，加固后结构振动为水平平动，且主振型在水平双向的彼此关联度很小；加固后结构典型节点的位移、加速度峰值响应相对于加固前有不同程度降低，因而该法加固榫卯节点具有很好的效果。目前，大雄宝殿结构状态完好。

　　对于糟朽、虫蛀或开裂非常严重的立柱，可采用替换加固法，其具体方法是[2]：首先清除干净柱子周边的杂物，然后把窗扇、抱框等与柱子有关联的构件拆下，再在梁端部位置放千斤顶；转动千斤顶，将梁抬升至原有柱子不再承重的高度，再将旧柱拆下，把同种材料、同种尺寸的新柱立直，最后按中线(a)所示为替换加固法照片，其中左图为加固前，右图为加固后。对于轻微糟朽、开裂的梁，可采用贴补的方法进行加固，具体做法为[6]：将破坏的部分剔清理干净，经防腐处理后，用干燥木材按所需形状及尺寸，以耐水性胶粘材料贴补严实，再用铁箍或螺栓紧固。

　　图16(b)为贴补加固法施工照片。对于檩枋体系，当其内部糟朽面积不超过全截面面积1/3时，可采用化学加固法修复，具体做法是[10]：首先在檩枋中空两端凿孔，用0.5~0.8MPa的空压机将腐朽的木屑或尘土吹净，然后灌注环氧树脂注剂(重量比为：E-44环氧树脂:多乙烯多胺:聚酰胺树脂:501号活性稀释剂=100:13~16:30:1~15)，再用玻璃钢箍箍紧中空部位的两端。

　　对于图16(c)所示的半榫节点，由于柱的卯口完全被贯穿，且插入的榫头为容易拔榫的直榫形式，可采用“过河拉扯”的加固方法，具体做法为[18]：用5-20mm厚的铁片从卯口上下端分别拉结榫头，然后用铆钉固定，节点的部分承载力主要由固定铁片的铆钉承担。

　　清《工程做法》卷五十一有着对该加固方法的具体规定，如“凡过河拉扯按柱径加二份定长”、“每长一尺，用平面钉五个”等。

　　在古建落架大修的前提下，对于斗拱底部因木材横纹受压强度低而产生破坏的坐斗，可采用钢板加固法，具体做法为[23]：将斗拱上部构件卸下，在平板枋上部安装5-10mm厚钢板，见图16(d)，以抑制平板枋的竖向变形及横纹受压破坏，再将斗拱上部构件恢复。

　　对于表面酥碱深度在3厘米以内的墙体，可以采用剔凿挖补的加固方法，具体做法为[24]：用小铲或凿子将酥碱部分剔除干净，剔除面积宜单个整砖的整数倍，从残损砖的中部开始，向四周剔凿，露出好砖。

　　用厚尺寸的砖块，按原位下肩砖的规格重新砍制，砍磨加工后按原位镶嵌，用水泥浆粘贴牢固。

　　本文主要讨论了紫禁城太和殿底部糟朽木柱的墩接加固技术、太和殿三次间正身顺梁局部下沉的支顶技术、紫禁城中和殿某中金檩、中金枋采用CFRP布材料的包裹技术、四川剑阁县觉苑寺大雄宝殿拔榫节点的拉接技术，并介绍了紫禁城古建筑的其它加固技术，得出了以下主要结论：

　　(1)采用墩接法加固底部糟朽的木柱，通过铁箍对加固区域的包裹和约束作用，可增大木柱的轴压承载力，并改善其延性。

　　(2)采用支顶法加固竖向变形的梁，通过支顶构件提供的附件支撑力，可减小梁的竖向挠度，改善其内力重分布，提高承载力。

　　(3)采用包裹法加固局部断裂的檩，并将檩、枋包裹起来，可提高檩枋体系的竖向承载力，并有利于檩、枋的协同受力。

　　(4)采用拉接法加固拔榫的节点，通过铁件对榫头、卯口的拉接作用，可抑制拔榫、提高榫卯节点的转动刚度和结构整体的稳定性。

　　[1]周乾,闫维明,纪金豹.明清古建筑木结构典型抗震构造问题研究[J].文物保护与考古科学，2011,23,(2):36-48.

　　[3]周乾,杨娜,闫维明,等.传统铁箍墩接法加固底部糟朽木柱轴压试验[J].文物保护与考古科学,2017,29(5):33-40.