故宫同道堂木结构的残损分析及保护建议

秦术杰，杨娜，曹宝珠，董金爽

(1. 海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

明清官式木构是中国古建筑发展和演变的集大成者和典型代表[1]，具有极高的文化、历史和科学价值。然而，在各种自然和人为因素的长期作用下，历经数百年的古建筑存在不同类型和程度的残损现象，降低了结构的受力性能，进而威胁结构的安全性。因此，明确古建木构的残损和分布特征，是准确进行结构状态评估并采取合理修缮措施的重要前提和基础。

笔者以北京故宫博物院内具有典型明清官式古建木结构特征的同道堂为研究对象，对不同高度的结构层进行现场残损勘查，分析各种残损类型的特征、影响、数量和分布规律，并归纳结构残损成因，以期为明清官式古建筑在残损现状下的受力性能、安全评估和修缮加固工作提供参考和依据。

1 勘查概况

1.1 勘查对象

同道堂始建于明永乐十八年(1420年)，位于北京故宫博物院西北角的咸福宫内，如图1所示。同道堂面阔5间，东西向纵长21.16 m，南北向横宽7.82 m，柱高3.64 m，屋脊高度8.18 m。屋顶为歇山顶形式，顶覆黄琉璃瓦，立柱浮搁于础石之上，梁柱节点采用榫卯连接。檐下为单昂三踩斗栱，梁枋饰以龙凤和玺彩画，前檐明间安槅扇门、帘架，左右两次间为槛墙、支摘窗，后檐墙不开窗。整个结构为典型明清官式建筑做法结构。

图1 同道堂

对同道堂进行大修的最新记录时间为1929年，距今已近百年。在各种环境和荷载等因素的长期作用下，结构出现了不同类型和程度的残损，降低了结构的安全性能，目前该结构已暂停对游客开放。

勘查主要针对同道堂的木构架，从下往上对各部位的残损进行排查和记录，分析和归纳其残损特征、影响和成因，并统计各种残损类型的数量、比例和分布情况。

1.2 结构分层与编号

同道堂为抬梁式结构，各构件通过榫卯、斗栱和柱脚等节点相互连接，结构平面呈对称布置，其木结构体系按空间高度和传力路径可分为3个结构层：柱框层、斗栱层和梁架层，各结构层自下而上逐层搭建，落架成屋，如图2(a)所示。

为便于各部件残损的指定说明，对各结构层的构件采用如下的编号命名规律。

1)柱框层：各立柱从西往东依次记为1，2，…，南、北排柱分别记为A和B，如图2(b)所示。

图2 同道堂结构分层和立柱编号Fig.2 Structural layers and column numbers of Tongdao

2)斗栱层：位于立柱正上方的斗栱按立柱编号，如A1柱正上方的斗栱命名为“斗栱A1”；与其临近的下一个斗栱命名为“斗栱A1-A2(2)”，表示从A1到A2数的第2个斗栱，依次类推，直到“斗栱A2”。

3)梁架层：东西纵向的檩三件命名由3部分组成，如“A1-2上”，“上”指构件名称“上金檩”，“1-2”指构件处在1-2开间，“A”指构件在该开间的位置靠近A排柱；南北横向的梁命名由构件名称和两端立柱编号组成，如“A1-B1五”指位于A1柱和B1柱之间的五架梁。

2 典型残损类型的特征及分布

2.1 柱框层残损

在结构的传力体系中，柱框层起到将梁架层和斗栱层的荷载传递给台基的作用。立柱为整体结构受力的最关键构件，尺寸通常较大，其截面应力远低于木材的顺纹抗压强度，但在长期复杂的服役历史中，柱框层会出现一定的残损。经检测，同道堂立柱所用树种为润楠(Machilussp.)。

2.1.1 残损类型及特征 1)柱脚糟朽 特征和成因：柱脚木质粉化严重，有效承载面积被削弱，最严重的情况为剩余承载面积不足50%，如图3(a)所示。柱脚浮搁于础石上，易受雨水浸泡而糟烂，或在虫蛀侵蚀下致使木质分解粉化。影响：柱脚糟朽使最外层木材丧失强度，进而使有效承载面积减小，不仅降低立柱的竖向承压能力，还降低了柱脚节点的转动刚度和抗倾覆弯矩[11]。

2)柱身糟朽和开裂 特征和成因：柱身糟朽常见于夹在墙内的立柱，如图3(b)所示；柱身开裂多沿顺纹方向，严重时甚至贯通立柱，如图3(c)所示。对于墙内的立柱，其通风性差，在潮湿环境下易遭受木腐菌或虫蚁的侵蚀而致柱身糟朽；木材弦向和径向干缩系数差异较大[12]，在温湿度的长期交替变化下，柱身开裂。影响：柱身糟朽会削弱木柱的有效承载面积，而顺纹裂缝一般不会显著降低其承压能力[13]。然而，裂缝的形成和扩展会使立柱内部的木纤维暴露于空气中而加速其老化，甚至引起或加剧墙内木柱的糟朽，致使木柱的材料强度和承压能力降低[14]。

3)柱头破损 特征和成因：柱头有直径为3～5 mm的孔洞，主要分布在南侧立柱上，如图3(d)所示。经考证，孔洞为采用微损伤检测手段或钻钉施工中留下的。影响：该孔洞使构件内部的木材暴露在空气中，会加速木质的老化，应尽量避免采用阻力仪和钻钉等带损伤的检测手段，而改用三维应力波扫描仪等无损检测方法。

图3 柱框层残损Fig.3 Damage of column frame

2.1.2 残损数量及分布 表1为柱框层的残损类型、编号和数量，其中柱脚糟朽3处，柱身开裂1处，而柱头破损5处。图4为各种残损类型的分布情况，柱脚糟朽均发生在夹在墙内的立柱中。需要注意的是，由于北侧、东侧和西侧的墙体遮挡，部分构件无法观测。

表1 柱框层的残损统计Table 1 Statistics of damage of column frame layer

图4 柱框层的残损分布Fig.4 Distribution of damage of column frame

2.2 斗栱层残损

斗栱层是由方形的斗和弓形的栱或翘通过叠压咬合的方式形成的复杂节点群，起到将屋架荷载均匀地传递给柱框层的作用，是结构抗震耗能的关键部位[7-9]。现场勘查发现，斗栱层残损状况最为严重，且残损类型最为繁杂。

2.2.1 残损类型及特征 1)构件分离和松动 特征和成因：多为三才升(小斗)和里拽瓜栱或里拽枋之间的分离和松动，如图5(a)所示。由于竖向荷载主要集中在大斗正上方，在荷载的长期作用下，栱将发生翘起变形，使小斗与栱发生分离。影响：分离和松动导致构件之间无压力作用，这意味着小斗已失去其承压和传力功能，进而降低了斗栱在竖向的承压刚度和承载力。对其他宫殿进行勘查发现，此类残损较为普遍。

2)构件裂纹和劈裂 特征和成因：构件表面常见龟裂状的细短裂纹，如图5(b)所示；部分构件出现严重的劈裂现象，如图5(c)所示。龟裂状裂纹主要由环境的温湿度交替变化引起，构件劈裂则是因局部修缮时打入铁钉造成的。影响：龟裂状裂纹对木材横纹抗压强度影响不大，构件劈裂是因处理方式粗糙造成的，打入铁钉是为将大斗和梁枋等龙骨构件连接起来，以实现斗栱层受力时拉拽龙骨，但这样会破坏原有构件的完整性，并非符合规范[15]的做法。

3)翘缺失 特征和成因：翘缺失如图5(d)如所示。在重屋盖的长期作用下，翘会发生顺纹方向的劈裂，劈裂部位易掉落而致翘缺失；现场发现部分翘缺失的断面较整齐，也可能是局部维修中为替换大斗而将翘劈砍掉的结果，这是一种粗暴的处理方式。影响：翘缺失导致其失去原来位置的承压功能，降低斗栱在竖向荷载下的刚度和承载力。

4)不协调的新材替换旧材 特征和成因：由于部分构件缺失或残损严重，采用新木材替换旧木材进行维修，但现场勘查发现，新材和旧材并非同一树种，而且新材构件只保持了原有形状，但修复后的小斗和栱间没有暗销，部件之间没有紧密叠压而是存在分离，这种不协调的现象如图5(e)所示。根据《古建筑木结构维护与加固技术规范标准》(GB/T 50165—2020)[15]的规定：更换构件应与原有构件属同一树种，可见部分的纹理、色泽应与原有构件相似；不得因维修而损害原有构件；修缮斗栱时，应将小斗与栱间的暗销补齐。出现此类残损的主要原因是没有遵照相关规范开展维修工作，或缺乏对斗栱受力特征的充分认知。影响：这种不协调的新材替换旧材，只是外观形状得到了恢复，但新材和旧材的部件没有叠压在一起，且部件间没有暗销，斗栱的受力功能并没有得到修复。

5)斗栱整体倾斜 特征和成因：东侧的一整排斗栱发生整体歪斜，如图5(f)所示。可能是因为在偶然较大的水平地震作用下，上部木枋发生较大位移，进而带动整排斗栱发生倾斜。影响：在重屋盖的作用下，斗栱整体倾斜使结构承受较大的附加弯矩，而在长期的竖向荷载作用下，其倾斜程度随时间增大，进而降低结构的稳定性能，增加结构发生失稳破坏的风险。

6)小斗残损 特征和成因：小斗残损形式较多，包括小斗缺失，见图5(g)；小斗斗耳处在顺纹方向上的通长裂缝，见图5(h)；小斗歪闪，见图5(i)；小斗暗销缺失，见图5(j)。斗耳顺纹裂缝应该是由竖向荷载作用下因泊松效应引起的拉裂，或因木材横纹抗剪强度较低，斗耳在偶然水平推力下发生劈裂；小斗歪闪可能是由于里拽枋倾斜带动的结果；暗销缺失则可能因为其尺寸较小，发生剪切破坏或木材干缩及材性退化所致。影响：小斗缺失或歪闪会降低斗栱的承压刚度和极限承载力，而斗耳的顺纹贯通裂缝和暗销缺失对小斗承压无影响，但会降低其水平抗剪能力。

7)大斗残损 特征和成因：大斗残损形式主要包括斗耳劈裂和底座被凿削两种，如图5(k)～图5(m)所示。经现场勘查判定，此两种残损均为不当的局部修缮所致。影响：大斗是斗栱承压的最关键部位[16]，斗耳劈裂和底座被凿削会降低斗栱的抗侧和抗压能力。

2.2.2 残损数量及分布 表2为斗栱层的残损类型及对应的数量和比例，图6为各类残损数量的排序直方图，其中，不协调的新材替换旧材(60处)、构件分离和松动(53处)、构件裂纹和劈裂(50处)的数量最多，分别占斗栱总数的73%、65%和61%。图7为各种残损类型的分布和位置情况，可以看出斗栱层残损主要出现在结构屋架的内部，而南侧外部斗栱基本完好。

图6 斗栱层残损数量排序Fig.6 Ranking of damage number of Dougong

表2 斗栱层的残损统计Table 2 Statistics of damage of Dougong layer

图7 斗栱层残损分布Fig.7 Distribution of damage of Dougong

2.3 梁架层残损

在明清官式古建木结构中，梁架层面阔方向的檩、垫板和枋合称为“檩三件”[1]，作为一个整体协同受力，而进深方向根据高度不同分有天花梁、七架梁、五架梁和三架梁等。经检测，同道堂梁架所用树种为润楠(Machilussp.)和桢楠(Phoebesp.)。

2.3.1 残损类型及特征 1)枋和檩的开裂 特征和成因：枋和檩的裂纹大多沿顺纹方向扩展，并主要出现在构件中性轴的附近，如图8(a)、(b)所示。由于木材的顺纹抗剪强度较低，通过半刚性连接木梁的解析模型[17]可知，中性轴附近为剪应力最大的区域，侧面裂纹易发生于此。在温湿度交替变化较大的环境中，木材的干缩开裂特性也会造成此类残损。影响：枋和檩的顺纹开裂会降低其抗弯承载力[13]，同时，也会引起或加剧内部木质的老化。

2)垫板和枋或檩相分离 特征和成因：垫板和枋或檩相分离，如图8(c)所示。主要是因为檩、垫板和枋之间缺乏有效的粘结，三者的下挠变形不协调引起的。影响：现场勘查发现，垫板和檩的分离程度通常比垫板和枋的分离程度要大，檩三件分离后将无法作为一个整体协同受力，其变形和承载力降低。

3)垫板局部破损 垫板角部容易出现木材破损现象，如图8(d)所示。垫板尺寸相对较小，其角部木材受到檩或屋架的挤压，容易发生因泊松效应引起的横纹拉裂。

4)虫蛀、糟朽 由于官式建筑保存条件较好，虫蛀和糟朽的程度和面积较小，多限于表层，如图8(e)所示。此类残损现象一经发现应立即进行清除。

5)榫卯节点拔榫 特征和成因：榫卯节点拔榫现象如图8(f)所示。榫卯节点处的构件端部截面被削弱。当受到水平荷载或木材发生干缩时，连接构件的接触面发生分离而造成拔榫现象。影响：拔榫会使榫头与卯口接触面积减小，进而降低榫卯节点的承载力。当拔榫量过大时，节点在外荷载作用下容易脱榫，导致梁柱构件连接失效。

6)梁开裂 七架梁、五架梁和三架梁的开裂主要为侧面的顺纹裂缝，而天花梁的裂缝则集中在顶面，分别如图8(g)～(j)所示。梁的开裂成因和影响与枋檩相同，不再赘述。

图8 梁架层的残损

2.3.2 残损数量及分布 表3为梁架层的残损类型、编号和数量，图9为各类残损数量的排序直方图，可以看出，构件开裂的残损数量最多。图10为檩三件中各种残损类型的分布情况，可以看出虫蛀和糟朽主要分布在梁架层的东北侧，说明此处的环境可能比较潮湿；垫板与檩分离现象集中在南侧和北侧的下金檩三件，也应与结构受力特征相关。

表3 梁架层的残损统计Table 3 Statistics of damage of beam frame layer

续表3

图9 梁架层残损数量排序Fig.9 Ranking of damage number of beam frame

图10 梁架层残损分布Fig.10 Distribution of damage of beam frame

3 结构残损的成因归纳

3.1 木材缺陷和材性退化

作为一种天然的生物材料，木材常伴有髓心、木节和裂纹等初始缺陷。髓心木的力学性能指标极低，木节会造成应力集中和裂纹扩展，而裂缝会降低木梁的抗弯性能[13]。

随着时间的推移，木材中纤维素降解，水分减少而抽提物增多，木纤维间组织构造日趋稀松，宏观上表现为材料脆性和硬度增大，弹性模量和强度降低[18]，进而导致结构的刚度和承载力下降，构件挠曲和承压变形增大。表4为应县木塔、北岳庙、扬州古屋和景清门的古旧木材力学性能退化情况[19-21]。不同树种的木材性能退化程度不同，如景清门的杨木顺纹抗拉强度、抗弯强度和弹性模量的退化率较其他树种大；而相同树种的木材，由于服役年限和环境的差异，其力学性能也存在差异，如北岳庙和扬州古屋的云杉材性退化程度不同。

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

3.2 生物侵蚀和自然环境变化

生物侵蚀主要包括木腐菌和虫蚁的入侵，这是威胁木结构耐久性的重要因素。木腐菌会由外而内逐步侵蚀木材，分解其纤维素和木质素等有机物组分，使其失去原木特征。古木构件腐朽层厚度随时间变化的发展规律为[14]

δ=0.5δ0(1+t/T0)a

(1)

式中：δ0为当前的腐朽层厚度；T0为已服役的时间；t为木构件预期的服役寿命；δ为第t年时的腐朽层厚度；a为腐朽层厚度发展速度的指数参数。

虫蚁攻击可分为两个阶段：1)初始期，即木结构搭建完成至虫蚁突破构件保护层所需要的时间；2)发展期，即虫蚁开始攻击木构件至其完全失效所需时间。虫蛀残损通常采用面积率进行表征[22]。

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

(2)

式中：A(t)ter和A0分别为虫蛀面积和构件的初始面积。

自然环境的变化包括温度、湿度、雨水和阳光等变化。温湿度的周期性变化会引发木材的胀缩，而木材在弦向和径向膨胀率的较大差异会导致其产生干缩开裂，开裂后的木材暴露在空气中会进一步发生碳化和氧化现象。木材在温湿度交替变化下的相对开裂深度随时间的变化关系为[23]

ξh=exp(E+Fekt)

(3)

式中：ξh为相对开裂深度；t为时间；E和F为与含水率相关的常数；k为与温湿度相关的常数。

3.3 长期复杂的荷载效应

结构所受荷载包括两部分：结构自重和外荷载。

明清官式古建木结构均具有厚重屋盖，在屋盖自重的长期作用下，木材发生蠕变，材料损伤累积，进而造成强度降低和变形增大。考虑木材长期荷载作用下的材料强度退化时变模型为[14]

(4)

式中：B为常数；C0为基准年t0时的强度修正因子；α(t)为第t年的损伤变量。

外荷载来源很多，包括地震、交通荷载、风荷载、雪荷载和人群荷载等。中国是一个地震多发的国家，地震作用会对古建木结构造成不同程度的损伤[7-9]，如立柱倾斜、榫卯拔榫、构架错位和歪闪等，甚至导致结构坍塌。古建筑周边日益增加的交通振动荷载也会对结构产生不利的累积疲劳损伤[24]。近年来，随着旅游业的高速发展，人群荷载也成为古建筑残损的重要影响因素。

3.4 不合理的修缮措施

由于缺乏对古建木结构的传力机理和承载能力等受力特征和木材性能退化规律的充分认识，很多修缮和加固工作的开展主要依赖经验。在修复过程中可能存在一些不当或错误措施，如钻孔检测、多处打钉、凿削木构件、随意改变结构构件间原有的连接关系等，而这些措施会导致或加剧木结构在受力状态下的损伤。

4 古建筑的保护建议

4.1 建立结构健康监测系统

利用SSA对长期监测数据进行分解和重构，可对结构未来的响应及趋势进行预测[26]。一方面，对比预测值和实测值的差异，可实时掌握结构的残损变化；另一方面，预测模型还能给出结构在未来服役中的安全概率，为管理者采取干预措施提供判断依据，实现由“抢救性和被动性保护”向“预防性和主动性保护”转变的科学理念。

4.2 加强木材防腐防虫的生物病害防治

木腐菌和虫蚁的侵蚀是影响古建木结构耐久性的重要因素，生物病害问题在潮湿环境中更为严峻。防治措施包括：1)将木材含水率控制在25%以下，可有效抑制木腐菌的滋生[27]；2)在构件表面涂刷蜡乳浊液、胡桃醌等可降低木材的吸湿性，进而有效减缓木腐菌的侵蚀[27]；3)在立柱表面外包保护层；4)保持构件干燥通风，特别是控制密闭夹缝处的温湿度，破坏木腐菌和虫蚁的生存环境；5)定期对各构件进行检查，一旦发现菌斑或虫卵立即进行清除，防患于未然。

4.3 积极开展古建木结构的基础研究

正确认识古建木结构的基本受力性能是开展修缮和加固工作的前提。应开展更多、更全面的针对古建木结构的基础研究，包括节点、构件和整体结构的静动力性能、木材材性增强剂和防腐防虫涂料的研制、CFRP和记忆合金等新型材料[28-31]和无损扫描技术在木结构加固和检测中的应用适应性等，形成科学、系统的分析理论和计算方法，进一步完善相关规范和标准[15]，并提出准确、合理又行之有效的修缮和加固方法。如此，才能避免因不合理的人为修缮措施而造成的古建筑残损加剧。

5 结论

1)同道堂的木结构体系按空间高度和传力路径可分为柱框层、斗栱层和梁架层。柱框层残损包括柱脚糟朽、柱身糟朽、开裂额柱头破损；斗栱层残损包括构件松动分离、裂纹劈裂、翘缺失、不协调的新材替换旧材、斗栱整体倾斜、小斗缺失、歪闪、斗耳顺纹开裂、暗销缺失、大斗斗耳劈裂和底座被凿削；梁架层残损包括檩三件开裂、分离、局部破损、虫蛀糟朽、榫卯节点拔榫和梁开裂。其中，斗栱层的残损类型和数量最多，残损状况最为严重。

2)古建木结构残损成因比较复杂，但主要可归纳为：材性退化和木材缺陷、生物侵蚀和自然环境变化、长期复杂的荷载效应以及不合理的修缮措施。

3)建立古建筑木结构关键部位的温度、湿度、应变和位移等信息的结构健康监测系统，加强木材防腐防虫的生物病害防治，开展包括结构静动力性能、木材材性增强剂、防腐防虫涂料、CFRP和记忆合金等新型材料的研制，是古建筑保护和修缮的重要基础和方法。