古建筑结构与材料的科学分析与评估

梁国艳

（山西一建集团有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

作为一个人口以及资源大国，我国为世界的发展做出了卓越的贡献。从古至今，我国是唯一一个保留着历史文化传承的国度，在多年的历史发展过程中，前人为现代人留下了众多的历史文化瑰宝，例如，古建筑。作为我国古代劳动人民勤劳智慧的果实，这些古建筑为人民的生活以及国家的发展发挥了重要的价值，也是留给现代人的重要历史文化产物。通过研究这些古建筑中蕴含着的历史文化以及艺术价值，能够使我国的居民对历史文化的传承具有深刻而清晰的了解。除了蕴含的历史文化艺术价值以外，古建筑物的结构以及材料也是相关研究学者需要探索和学习的内容。从古人的智慧以及古人的劳动之中，学习到古建筑的结构之美，有利于我国建筑学的发展，能够在一定程度上提升我国建筑行业的发展，从而为社会的发展做出更大的贡献。

1 研究古建筑结构以及材料的重要意义

作为我国历史发展中的重要产物，古建筑的存在凝聚了古人的劳动与智慧。同时，这些古建筑也是我国历史发展以及文化传承的见证者，自身蕴含着重要的历史文化气息，使我国每个时代的历史文化以及人文建设得到了较好的保留，给后世的研究者们带来了丰富的历史史料以及重要参考[1]。因此，相关单位应当加大对这些古建筑物的保护和重视力度，使其包含着的文化历史气息以及人文价值得到充分地继承与发扬。尽管古人在建设这些建筑物的过程中，已经充分地考虑了保护以及防腐蚀等特性，但是由于长期的自然环境变化以及一些人为因素的影响，使得这些古建筑在结构以及材料方面出现了一定程度的破损以及变质，从而极大地影响了这些古建筑物的使用质量。当前，现有的这些古建筑物大多数的材质是木材，其容易遭受到环境条件、虫蚁灾害以及火灾等条件的影响，使得其出现了腐蚀与变形，从而给我国古建筑物的保护带来巨大的挑战。对于一些由石块或者砖块所组成的古建筑物，其主要面临着自然环境的影响，在长时间作用之下，可能会面临着风化的危险。根据这些古建筑物的结构以及材料特性，能够有效地、合理地对其采用一些保护与修复措施，进而在最大程度上保障我国古建筑物的质量与可靠性，使其充分保持着原有的文化、艺术以及科学价值。这也正是研究与古建筑物结构以及材料的重要意义之一。

另外，随着时代的发展，一些新型的科学技术以及新型材料的出现，也为我国古建筑物的保护和修复带来了巨大的利益和优良的助力。如何合理地、科学地利用现代化的这些新技术以及新材料进行古建筑物的保护与修复，是一些专家学者研究的重要内容。在应用这些新技术以及新材料之前，古建筑物的管理单位以及施工单位应当对这些古建筑原有的结构以及材料特性进行充分地、全面地调查与分析，从而利用科学的方法对其进行合理地评估，以切实地提升现代化技术在古建筑物结构以及保护方面的价值。例如，计算机技术的引入和应用，已经为我国古建筑物的保护和修复提供了一条崭新的道路，一些新型材料的应用，极大地改善了这些古建筑抵抗自然环境变化以及虫蚁灾害的能力，从而极大地促进了我国古建筑物质量的提升，从而能够高效地对这些古建筑物进行保护。这也正是研究古建筑物结构与材料的第二个重要价值和重要意义[2]。

2 我国古建筑的结构分析

2.1 基本形式

我国一些传统古建筑的主要材质为木材，往往根据均衡对称的原则，搭建出木质构架，某古建筑的结构形式如图1 所示。一般地，这些古建筑中的木质结构主要为3 种形式，即抬梁式、穿斗式以及干阑式。在这种以木质结构为主的古建筑中，横梁、立柱以及顺檩是其主要的承重构件，在整个结构中，发挥着重要的作用。根据对称、规则以及分布均匀的原则，进行古建筑物平面以及立面的设计与布置，其中，斗拱和榫卯结构为这些结构赋予了一定的伸缩能力。从结构特性来看，规则、对称以及均匀的古建筑物结构能够在一定程度上抵抗地震的侵袭，从而使得这些古建筑物能够发挥出应有的作用与功能。同时，与现代的高层建筑不同，古时的一些建筑，在搭建木质结构的同时，还对庭院进行了设计与布置，往往也采用对称的形式，使其更具有美观特性与均匀之美，也能够形象地突出木质主体结构建筑，使人眼前一亮[3]。

图1 某古建筑的结构形式

对于抬梁式的木质结构古建筑来说，主要源于西周末年。该结构沿进深方向在石础上立柱，在柱上架梁，用横向的枋将柱的上端相连，最上层梁上立脊瓜柱，在相邻两道屋架之间，于各层梁的外端架檩，在两层檩之间架椽，承受屋面的重量，形成屋面呈下凹弧面的两坡屋顶骨架。对于穿斗式木质结构古建筑来说，也是沿进深方向立柱。一般地，以竖向的木柱来取代横向的木梁，采用檩柱支撑体系。对于井干式木质结构古建筑来说，源于商朝，通过使用原木或者横断面木材，进行层层向上垒叠，转角处木料端部交叉咬合，形成房屋的四壁，在左右两侧壁上立矮柱与承脊檩构成房屋的维护壁体。这些结构形式的出现，极大地丰富了我国古建筑的木质结构，并提升了其质量。

2.2 地基和基础

无论在哪个结构中或者那种建筑工程项目中，地基和基础是重要的施工内容。对于古建筑结构的地基以及基础来说，具有悠久的历史，每个朝代以及每个时期具有不同的风格。在原始社会，主要是使用扁卵石来扩大立柱基础。社会发展到夏商周时代，立柱结构逐渐由深埋变为了浅埋的形式。唐宋时期之后，古建筑的基础呈现出明显的浅埋状态，逐渐露明，并和立柱底部分开。明期时期的古建筑物在地基和基础方面，往往以檩的数量来规定埋头深，以荷载条件来确定础石埋深、台基高度与穷土厚度。因此，从以上的分析来看，通过分析这些古建筑的地基以及基础，能够切实地感受我国各个历史中的不同文化气息，从而获得相应的人文知识以及文化熏陶。

2.3 榫卯

在古建筑施工的过程中，通常采用榫卯的方式对其结构进行固定以及连接。这种结构连接方式的使用，能够有效地降低侧向推力。对于榫卯的连接方式来说，一般主要分为直榫和燕尾榫。对于直榫来说，初始时其端部通常为矩形，随着年代的发展，逐渐在端面进行了雀替或者替木，极大地加大了整体结构连接性能以及美观特性。对于燕尾榫来说，通常能够在古建筑物的柱顶部分看到。一般地，榫头根部比端部窄，上部比下部大，防脱榫功能强，但是根部断面小抗剪能力较弱，容易影响我国古建筑物的连接性能。随着时代的发展，逐渐在根部加上了带袖肩，极大地提升了其连接性能，进而改善了燕尾榫的施工质量[4]。

2.4 斗拱

对于这些木质结构的古建筑来说，其还包含着斗拱装置，主要源于殷商时期。随着时代的发展，到了唐宋元时代，这些古建筑的立柱顶部的梁多位于斗拱，与古建筑中的梁架逐渐连接成一个整体，从而组成一个独特的结构，呈现出井字格。作为这些结构中的重要组合节点，斗拱的作用主要是为了提升古建筑整体结构的稳定性。到了明清时期，斗拱装置逐渐使用大、小额仿以及随梁枋，其尺寸参数逐渐缩小，在减小间距的同时，提升了其小巧和精美的特性。另外，斗拱结构的存在能够有效地实现减震耗能的作用，这主要源于斗拱结构的塑性。

2.5 侧脚和生起

在古建筑物的结构中，还包含着侧脚和生起。对于侧脚来说，主要是外柱在安装时，柱脚向外侧偏移柱顶向内侧偏移的适度倾斜的做法，以加大古建筑物的稳定性与可靠性。对于生起来说，主要是柱子由明间两侧逐渐升高的做法，中心的两个柱子不生起，次间柱升高二寸，其余柱子由内而外依次递增，极大地增强了古建筑物的结构美感。

3 古建筑材料的科学分析与评估

3.1 古建筑中常用的材料

对于这些古建筑物来说，常用的材料为木材、石材以及砖瓦等，某古建筑中所用到的木材与琉璃等材料如图2 所示。这些建筑材料往往取材于大自然之中，经过加工之后，应用到古建筑物的结构之中。尽管木材、石材以及砖瓦等材料在密度以及强度方面较低，但是其具有极强的环境以及需求的适应性，而且绿色可持续发展。另外，在这些古建筑房屋结构之中，有时也会看到一些铜制构件以及铁制构件，其主要的原料成分为铜和铁，是经过一些冶炼方式生成而来[5]。与木材以及石材相比，铜制构件以及铁制构件在密度以及强度方面较高，但是需要经过一些复杂的加工才能加工成此时古建筑物需要的形状。

图2 某古建筑中所用到的木材与琉璃等材料

3.2 材料性能的分析

一般地，通过对古建筑所用材料的材质以及性能的分析，能够为后续的修缮做出一些参考与提示。对于古建筑物中所用的材料来说，由于其性质上的差异，使得这些材料往往在性能方面存在不同的优缺点，例如，密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性、耐腐蚀性和抗氧化性等。在进行材料科学分析以及评估的时候，古建筑物的研究人员应当综合考虑这些材料的物理以及化学性能，从多个方面以及多个层次综合考虑，从而能够为之后的古建筑保护以及修缮提供合适的材料，在最大程度上保障古建筑物的修缮效果。使用到古建筑物中的材料一般包括木材、石材、砖瓦、铜铁等。针对不同的古建筑物，应当综合地分析这些材料在古建筑物中的性能以及应用价值。一般地，木材的密度最低，其往往应用于古建筑物的屋顶以及梁柱等，而铜铁较重，一般使用到一些装饰构件以及门窗之中。对于熔点来说，石材以及砖瓦的熔点明显高于铜铁以及木材，使其具备了耐火的特性，一般应用到古建筑的地基以及墙体等位置，从而增强火灾的抵抗能力。对于木材来说，其具有可燃的特性。所以，相关管理单位应当密切重视古建筑物中木材的保护以及消防通道的改造。对于导热性来说，铜制构件的导热系数最高，明显地由于木材、石材等材料，一般应用到古建筑物的暖气以及水管等位置，有利于热量的传递。同时，铜铁之间具有较好的导电性，往往适应用古建筑物中的电线以及电器等装置。木材在古建筑物中，极易遭受到温度的影响，从而使得其出现一定的位移变形。因此，相关管理单位在进行古建筑物修缮的过程中，应当充分地考虑温度对这些材料尺寸的影响，从而优化与完善设计的合理性，保障古建筑物的质量。铜制构件以及石材、砖瓦在抵抗腐蚀以及抗氧化方面具有良好的性能，而其他材料则很难抵抗腐蚀的影响，极易造成锈蚀、变色、氧化等。所以，在古建筑物中，如果需要使用到钢铁以及木材等，应当密切关注其抗腐蚀以及抗氧化的性能，在加强保护力度的同时，应尽可能地避免这些古建筑物材料质量的下降。

3.3 材料环境以及文化适应性的评估

对于古建筑物中所使用到的材料来说，必须综合地考虑其环境以及文化的适应性。如果采用了不合时宜的材料，则会极大地影响了这些古建筑物材料的使用性能，而且还会破坏古建筑物的文化、艺术等价值，得不偿失。因此，在进行古建筑物的修缮之前，应当对这些材料的环境以及文化适应性进行综合地评估与分析。通常，所使用的材料环境适应性更强、更贴合古建筑物此时的文化、地域以及历史气息，则能更好地为古建筑物的结构以及价值做出更大的贡献。

4 结语

从以上的分析来看，经过多年的发展，在我国多个区域之中，留下了众多的古建筑物。这些古建筑物的存在蕴藏着丰富的历史文化价值以及众多的艺术气息，能够为我国历史文化的研究学者提供充足的、全面的时事资料，也能够使现代人充分地感受古人的辛勤劳作以及智慧结晶。随着时代的发展，尽管这些古建筑物由于多种因素的影响，使得其质量以及结构性能出现了下降，但是，仍然不影响其蕴含着的功能以及艺术集合的特性。通过对这些古建筑物结构以及材料的科学分析以及深刻研究，能够使得我国的建筑学研究学者深刻学习到古人的智慧，从这些古建筑中获得灵感，传承它们的大国工匠精神以及建筑之美艺术，从而使得我国建筑行业的发展更上一层楼。