基于古代木梁拼合技术的梁芯修缮工艺

王崇恩　宫雅斐　胡川晋　许雷

关键词：木梁；拼合；包镶；增柱补芯；原位加固

毗卢殿始建于明万历三十七年（1609年），原是河北正定崇因寺的主殿，1959年迁建于隆兴寺第五进院内，弥陀殿后七十米。1996年对殿内露明构件进行了油饰、彩画。此殿坐北朝南，平面呈方形，重檐歇山顶。2015年，毗卢殿现状整修工程项目开始启动，本研究主要针对殿内的桃尖顺梁展开。此梁并非整料梁，而是由数块木料拼合而成的包镶梁，实施中要想完整地保留构件所携带的历史信息，避免出现修缮性破坏，实现最小干预，就必须对木梁的残损情况进行勘察和评估，最终找到一种经济、安全、环保、易操作、可原位进行的修缮技术。因此，基于此桃尖顺梁的用材特点，通过实践验证了增柱补芯的原位加固技术的可操作性，为传统木梁的梁芯糟朽修缮提供强有力的依据。

一、古代木梁的拼合技术

在古代，伐木造屋是一项重要的生产活动，从木材的砍伐、集运到加工均有着明确的规定，砍伐有时节，集运有方法，加工有规制，为的便是减少耗费，防止材尽。

宋《营造法式》卷五·大木制作二：“凡方木小，须缴贴令大；如方木大，不得裁剪，即于广厚加之……”；又卷十二：“务在就材充用，勿令将可以充长大用者，裁割为细小名件”[1]。明代朝廷也对此有直接规定，据《明宣宗实录》记载，宣宗六年（1431年）曾下令曰：“各厂所贮材木初采甚难，劳困军民，殚极粮赏方得至此。朕故加意爱惜，卿亦当体朕意有不当用，切勿妄费，若本大材而工匠斵小用之，罪亦不贷。时近有以其事闻于上者，故以此谕之”[2]。

由此可见，历代朝廷都十分重视对木材的使用，主张物尽其用，杜绝铺张浪费。一根顺直、无瑕疵的大料，需要漫长的生长期，为了满足封建统治阶级的需求，工匠们不得不竭尽所能，从而促使木结构技术不断发展。为了降低整料梁的消耗，逐渐发展了小料拼大料的方法，如宋《营造法式》中记载的“合柱、缴贴”即为拼合柱、包镶梁，但大规模的、普遍的使用拼合材料，则是明清以来[3]。拼合作法的流变不仅在于实践经验的累积，还与材料供给条件，建筑生产制度以及技术水平等外部因素密切相关，具有一定的时代特征性[4]。唐宋多为拼合梁，明清善用包镶梁，在山西地方做法中更是衍生出断梁做法。

（一）拼合梁

拼合梁一般由2－3块木料累叠组成，主要通过增加截面高度来实现，构造简洁。早期典型的建构方式是梁栿拼合，即在梁上面叠加单材或足材枋，上下木料接觸面用榫卯连接或用胶粘接。具体实例可见于河北省正定县文庙大成殿，在不同部位、不同构件上使用了不同的拼合构造做法，如四椽栿上贴缴背，缴背即为足材枋；角梁上下叠单材枋（图1）。

（二）包镶梁

明代的包镶做法称为“帮品事”。据《明神宗实录》卷四百四十二，明万历三十六年（1608年）甲辰，工程左给事中胡忻列举嘉靖时期包镶做法节省成本之事，“监察工程左给事中等官胡忻等，摘陈切要事宜：金柱明梁因材辏补，如世宗时金柱以杉代楠，其长足围不足，中心一根外辏八瓣共成一柱明梁，或三辏四辏为一根，此己事之可寻者”[5]。

至清代，随着森林面积的减少以及金属构件的普及，使得包镶做法在官式建筑中广泛应用。它区别于唐宋时期的拼合技术，制作更为精细，截面高度和宽度同时增大。主要作用于内部，外观完整，是在新制度下产生的新拼合理念。即在中间用一根较大、较好的木料，四周用数块小料拼合，再用铁箍紧固。一般铁箍会嵌入小料中，使整体外观平整。

此时，大梁外部的油饰彩画工程也发生了新的转变，披麻、挂灰、打地仗的技术发展起来，解决了拼缝保护和美观的问题[6]。具体实例可见于河北正定隆兴寺毗卢殿（图2）。

（三）断梁

拼合梁、包镶梁是官方拟定的木材拼合方式，广泛应用于各类大体量建筑中。而断梁则是山西地区特有的构造方法，利用直径相同的短梁对接而成。具体实例见于山西高平崇明寺中佛殿内断梁（图3），属趴梁做法。梁头置于前后檐斗栱上，梁端接缝位于中部，上、下置以顺串栿与山面檐部斗栱相接，顺串栿下有随梁承托。整个梁架体系构思精巧，结构稳固，充分地体现了“小材大用、余料充用”的理念和匠人们的精湛技艺。

二、桃尖顺梁的现状勘察与评估

桃尖梁源自清工部《工程做法》，是古建筑大木作构件，因其端头为“桃型”而得名，具有承重和拉结的双重作用。用于带斗栱的大式建筑中，连接金柱与檐柱，体形较为短小，相当于小式建筑中的抱头梁。安置在山面朝面阔方向时，称为桃尖顺梁。对桃尖顺梁的现状勘察和评估是制定合理修缮措施的基础，主要包括法式勘察和残损情况勘察。

（一）法式勘察

法式勘察主要针对木梁的原状，包括原工艺、原做法、原形制、原材料等，尤其是能够体现建筑时代特征、地域特征、结构特征的信息。

经现场勘察发现，此桃尖顺梁为包镶梁，属明代河北地区官式做法，总长6.61米、总宽0.48米、总高0.78米。由一块主料、两块板材及零星短材拼合而成。中部为杨木质通长主料，高46厘米，厚36厘米，顶部和底部贴松木板材，厚16厘米。梁身前后侧以贴小块料为主，规格不一。外设铁箍3道，宽5厘米，厚0.3厘米，箍身嵌入梁内，外表与梁齐平。

后尾设槽，槽内埋扁铁与金柱拉结。顶部板材上有记录工匠籍贯和姓名的字迹，梁身遍施旋子彩画，地仗为一麻五灰做法。梁下有随梁枋，二者间用驼峰连接（图4）。

（二）残损情况勘察

残损情况勘察主要针对木梁的残损、病害、变形情况，包括定性表述及定量统计。主要通过传统经验观察和现代科技检测来实现，如目测法、经验法、敲击法和钻孔探测法等。

目测发现桃尖顺梁有断裂、弯垂现象。断裂位于童柱的垂直线上，由长期受压所致，是顺着梁底拼合料纹理折断，长29厘米，高12厘米。基于顺梁两端无变形，经定位放线测得梁身向下弯垂10厘米。

随之用小斧轻敲梁身中部处，发现有空鼓音，进而在梁身上表隐蔽处进行钻孔探测，从阻力感觉及带出的木屑状态，显示梁芯有糟朽（图5）。为了进一步探明其残损程度，将此梁的包镶表皮揭开一个探口，发现杨木主材有心腐现象，朽屑呈块状褐腐，结构松散，易于粉碎。剔除朽木后，测得糟朽长度为2.6米，深度为0.26米，朽面高度为0.22米，糟朽體积为0.149立方米，约占主材体积的14%。

根据《古建筑木结构维护与加固技术标准》对承重木梁残损点评定标准的规定[7]：

①关于材质劣化，当仅有心腐或虫蛀时，无论ρ大小，均视为残损点。

式中：ρ为腐朽和老化变质（两者合计）所占面积与整截面面积之比。

②关于弯曲变形，竖向挠度最大值ω₁，公式一，当h/l＞1/14时，ω₁＞l2/2100h，则视为残损点；公式二，当h/l≤1/14时，ω₁＞l/150，则视为残损点。

式中：l为计算跨度，h为构件截面高度。

③关于梁身受损，当跨中断纹开裂，有裂纹，或未见裂纹，但梁的上表面有压皱痕迹，则视为残损点。

将桃尖顺梁的相关数值代入， h / l=0.78/6=0.13，大于1/14，故计算竖向挠度选用公式一。经测量可知，ω1=0.1，具体的残损点计算、评定结果见表1。

根据上述评估分析可知，此桃尖顺梁同时存在心腐、垂弯和断裂现象（图6）。属于重度残损，已危及项目安全，应立即采取措施。

三、桃尖顺梁的原位加固技术

（一）基本原则及措施

《中国文物古迹保护准则》[8]提出不改变原状、真实性、完整性、最低限度干预、保护文化传统、使用恰当的保护技术以及防灾减灾的保护原则。其中恰当的保护技术是指，使用经检验有利于文物古迹长期保存的成熟技术，文物古迹原有的技术和材料应当保护；对原有科学的、利于文物古迹长期保护的传统工艺应当传承；所有新材料和工艺都必须经过前期试验，证明切实有效，对文物古迹长期保存无害、无碍，方可使用。

关于梁底断裂，一般采用型钢加固或支顶木柱的修缮方法。桃尖顺梁上部荷载集中，在断裂点增加支撑柱，将力传递到地面，是最安全有效的方法。此法虽然在一定程度上会影响毗卢殿的平面形态，但却是对建筑本体扰动最小的技术方案，是十分必要且可行的。

关于梁芯糟朽，一般有两种修缮方法，一是进行抽换，能较为彻底地解决病害。但毗卢殿为重檐建筑，殿内的桃尖顺梁位于一层，结构繁复，此法对建筑的扰动极大，且会丢失原包镶构造、彩画、墨书等信息。二是嵌补梁芯，是结合了传统工艺和新技术的原位加固方法，主要从梁芯填充新木、化学灌浆等关键技术着手。充分利用拼合技术的优势，在保证材料性能不变的情况下最大限度地保留了原有构件信息，真正做到了原工艺、原材料、原做法。文物保护的目的是“延年益寿”，而非“返老还童”，所以采用增柱补芯的修缮方法是最合适的，能有效地增强或调整安全性能不足的承重结构的内力。

（二）技术优势

近年来新型材料不断涌现，主要有钢材和纤维类材料，如弧形钢板、马口铁、钢销、U型扁铁[9]；玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维等[10]。这些技术手段或作用于木构件表面，会对其美观造成一定影响；或在构件内部埋设钢钉、螺栓、U型钢等，会造成二次损伤，不符合修缮中的可逆性原则，同时还需考虑钢材与木材接触面锈蚀的问题。而支顶木柱、嵌补新木的修缮方法，新、旧材料都属于自然材料，性能相近，可以完美地融合成一个新的完整实体。

顺梁底部有断裂纹，说明此梁的力学性能已有问题。支顶加固法可有效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[11]。此法看似用于解决断裂问题，实则能起到抑制梁身弯垂变形的作用，更是梁芯嵌补能够顺利实施的前提和关键。支顶柱设置在桃尖顺梁约1/3处的位置，起到缩短跨距，缓解梁身压力的作用，正好弥补了嵌补梁芯后梁身承载力有所下降的不足。两种加固措施相辅相成，缺一不可。

原杨木主材质软，纤维结构疏松，极易从树心腐朽，使用寿命短。《广群芳谱》中记载：杨木“用为寺观材，久则疏裂，不如松柏劲实也”[12]。若木料充裕，一般不会使用在重要位置。故而在同等自然状态条件下，填充梁芯的新木选择了与拼合板材相同的落叶松，以实现更加持久的修缮效果。落叶松为软杂木，密度在0.5-0.8g/cm3之间，属中等木材，有一定的强度，胀缩变形相对较小，耐腐蚀性强，耐久性好[13]。相较于新型材料而言，还具有物理性能好，导热系数小、绝缘等优点（图7）。

新旧木材之间的空隙，选用改性环氧树脂灌浆料填充，它是一种热固性材料，具有强度高、比重小、防腐性能好、加工成型方便等优点。能够使其内部更加饱和，绝缘空气，延缓腐朽，对外观的影响很小。不仅能保证承载力，还能提高延展性。

（三）实际应用

实施前，利用脚手架支顶童柱、天花梁等构件，减轻桃尖顺梁上部的荷载，保证修缮过程中的结构安全。钢管与构件接触处用软布包裹，避免损坏文物。

实施中：（1）安装支顶柱。支顶柱直径随梁宽，柱础石选用隆兴寺内保存的与毗卢殿内柱础形制相近的旧构件。顺梁与随梁枋间设瓜柱支撑。安装完成后随色做旧，与殿内其他木柱颜色一致。（2）剔净朽木。开凿0.6米×0.3米的水平探口，将心腐部分砍刮至露出好木，并用软刷清理木渣及碎屑。（3）填充新木。剔净后的梁芯凹凸不平，先用小块料局部找平；然后对新旧接触面进行防腐处理，具体做法是在其表面涂刷桐油2－3遍；再以落叶松方木填充；最后用板材补平探口。（4）化学灌浆。嵌补的新木与原梁内部之间的空隙用改性环氧树脂胶灌注充实，该粘结材料是环氧树脂和固化剂以重量比100：4的配比搅匀后加适量稀料配制。灌浆之前检查梁身，若有缝隙用环氧腻子封堵严实，在梁顶剔灌浆槽，分多次进行灌注。（5）铁箍紧固。新增铁箍两道（图8）。

实施后，依照梁身彩画的原形制、原工艺补绘彩画。具体方法是先对铁箍进行防腐，按传统工艺做一麻五灰地仗。起谱子时选取绘制同样彩画的梁身进行拓印，之后则按照传统工艺方法绘制即可。

四、结论

本文在查阅国家相关标准、规范，文献资料的基础上，通过实践，对古代木梁的拼合机制、梁底断裂、梁芯糟朽的勘察及修缮技术进行研究，得出了以下结论：

（1）木梁拼合技术是社会发展的必然结果，从唐宋至明清，拼合技术不断进步。从简单的累叠技术发展到精美的艺术表达，突出了古代匠人对木材性能的研究之深、利用之广。

（2）木梁的病害往往不是以单一形式出现，在木梁的勘察过程中，除了直接能观察到的垂弯和断裂问题，还应对梁身内部进行检测，看是否有梁芯糟朽的情况。

（3）勘察的评定结果决定着木梁病害应选取的修缮措施，在满足承载力要求的情况下，要尽可能保留原构件，并优先选用性质相同或相近的材料进行原位加固，减少扰动。

增柱补芯的原位加固技术，在毗卢殿桃尖顺梁的修缮中取得成功，在保护文物的同时，传统材料的拼合手段也得以保存。完工至今已有7年，经观测并未出现新的病害，通过实践验证了此修缮技术的可行性。