張濤 材料工程碩士，北京市古代建筑研究所

    張濤：材料工程碩士，國(guó)家文物保護(hù)工程責(zé)任設(shè)計(jì)師，就職于北京市古代建筑研究所從事古建筑科技保護(hù)研究工作，主要針對(duì)石質(zhì)文物、油飾彩畫(huà)、壁畫(huà)進(jìn)行科技保護(hù)和對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)安全及病害進(jìn)行檢測(cè)、分析。主持了多項(xiàng)全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位的修繕設(shè)計(jì)工作。在課題研究方面，主持了《北京古建筑宮殿群院墻外立面顏色“宮墻紅”色標(biāo)研究》課題研究。作為技術(shù)骨干承擔(dān)過(guò)大量課題研究：其中國(guó)家級(jí)課題1項(xiàng)；省部級(jí)課題3項(xiàng)；北京市文物局課題4項(xiàng)。參與標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，地方標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)。發(fā)表專業(yè)論文10余篇。

   本文介紹了木結(jié)構(gòu)古建筑的發(fā)展歷程、木構(gòu)件的腐蝕機(jī)理和木構(gòu)件的無(wú) （ 微 ） 損檢測(cè)技術(shù)等。木材作為中國(guó)古建筑主要受力構(gòu)件，早在六千年前就已被人類(lèi)使用，木質(zhì)古建筑具有重要的意義和價(jià)值。木構(gòu)件的腐蝕與環(huán)境有關(guān)，根據(jù)腐蝕機(jī)理提出了相應(yīng)的無(wú) （ 微 ） 損檢測(cè)方法。

    中國(guó)古代建筑以其歷史悠久、技術(shù)精湛、裝修華麗而聞名于世，是世界建筑寶庫(kù)中的重要組成之一，其木結(jié)構(gòu)明顯區(qū)別于西方以磚石結(jié)構(gòu)為主的建筑體系，是中國(guó)古建筑的核心和重要組成部分。木結(jié)構(gòu)古建筑中木構(gòu)件是其結(jié)構(gòu)骨架，它的安全穩(wěn)定與否直接關(guān)系到建筑的整體安全，而木材作為一種生物材料， 本身易腐、 易蛀的特性 （圖一） ，又使其難以避免各種自然的和人為因素的損害，因此前期木構(gòu)件腐蝕狀況勘查及木結(jié)構(gòu)安全性能分析成為了古建筑保護(hù)必不可少的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)木構(gòu)件腐蝕狀況的探測(cè)，可直接為修繕設(shè)計(jì)服務(wù)，也為古建筑木結(jié)構(gòu)健康檔案建立提供依據(jù)。鑒于古建筑木結(jié)構(gòu)的歷史意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值，對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行腐蝕勘查，最重要的原則是不能對(duì)所勘測(cè)的構(gòu)件造成損傷 （ 極小以至可忽略不計(jì)的除外 ），即要做到無(wú)損 （ 或微損 ）。

    木結(jié)構(gòu)古建筑的發(fā)展歷程

    中國(guó)建筑與中國(guó)文明同樣古老。中國(guó)建筑是世界上歷史最長(zhǎng)、生命最久、散布區(qū)域最廣的建筑。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)最早的木構(gòu)架建筑遺址是浙江余姚河姆渡遺址干欄式建筑的遺存，至今已有 6000 多年的歷史；西安半坡遺址的木骨泥墻建筑距今約 5000 多年的歷史。在河南安陽(yáng)的殷墟考古時(shí)發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的木構(gòu)宮室和陵寢，可見(jiàn)從殷商時(shí)期（公元前1400-1100 年）起就初步形成了中國(guó)特有的木構(gòu)架體系和建筑風(fēng)格。在其后的3000 多年中，在經(jīng)歷漫長(zhǎng)的封建社會(huì)幾十個(gè)朝代的更替，不斷遭受外來(lái)的軍事、文化和精神侵犯，引用古建筑史創(chuàng)始人梁思成先生的一段話“中國(guó)木構(gòu)體系竟能在如此廣袤的地域和長(zhǎng)達(dá)四千年的時(shí)間中長(zhǎng)存不敗，且至今還在應(yīng)用而不易其基本特征，這一現(xiàn)象，只有中華文明的延續(xù)性可以與之相提并論。因?yàn)椋袊?guó)建筑本來(lái)就是這一文明的一個(gè)不可分離的組成部分。”這句話明確地講到了文化、建筑及木結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

    木結(jié)構(gòu)建筑是我國(guó)古代建筑的主流。木結(jié)構(gòu)是全部或大部分用木材制成的工程結(jié)構(gòu)，單純由木材或主要由木材承受荷載。

    從地域分布上，我國(guó)各地的木結(jié)構(gòu)古建筑由于自然地理氣候環(huán)境的影響呈現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異，大致有南方和北方之分。北方地區(qū)出于防寒保溫的目的，建筑的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在墻體較厚、屋頂有保溫層、椽檁枋用料較粗大、建筑外觀厚重等方面。北京地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑屬于北方地區(qū)建筑的典型代表，明清時(shí)期的官式建筑正是在此基礎(chǔ)上制度化而形成。

    我國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑基本結(jié)構(gòu)體系有抬梁式和穿斗式兩種。兩種形式都是用立柱排列成平面柱網(wǎng)形成框架承托屋頂。北京地區(qū)的木結(jié)構(gòu)古建筑一般采用抬梁式結(jié)構(gòu)。

    抬梁式結(jié)構(gòu)，又稱梁柱式結(jié)構(gòu)，即臺(tái)上立柱，柱上支梁，梁上架梁，層層遞減，形成人字形的屋架，梁頭承檁，檁上架椽，各構(gòu)件之間以榫卯連接，通過(guò)椽、檁、梁、柱等承重構(gòu)件，將屋面荷載層層傳遞至建筑基礎(chǔ)。整個(gè)結(jié)構(gòu)中，只有梁柱等承重構(gòu)件構(gòu)成的框架承受荷載，這些承重構(gòu)件被稱為“大木作”。而墻體、門(mén)窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)不承重。

圖一：木構(gòu)件腐蝕

圖二：阻力儀(Resistograph)進(jìn)行的線探測(cè)

圖三：應(yīng)力波掃描儀Fakopp進(jìn)行的面探測(cè)

    古建筑木構(gòu)件的腐蝕機(jī)理

    1、酸性水解

    古建筑木構(gòu)件的主要成分是纖維素，而酸性水解降解是纖維素的主要化學(xué)老化反應(yīng)形式。此類(lèi)降解反應(yīng)是典型的多相反應(yīng)。

    每個(gè)纖維素大分子根據(jù)聚合度不同，含有的羥基數(shù)目也各不相同，聚合度越大，所含有的羥基數(shù)目越大。纖維素的結(jié)構(gòu)單元 D- 葡萄糖基含有三個(gè)羥基，羥基是親水性基團(tuán)，它決定了纖維素的吸濕潤(rùn)脹特性。而且木材的多孔特性也使其具有很強(qiáng)的表面吸附能力。除了吸附水汽外，它還會(huì)吸附空氣中的SO 2 、 NO 2 等酸性氣體， 降低體系的pH值，形成弱酸性水介質(zhì)環(huán)境。纖維素可在弱酸性水介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生酸性水解降解，而引起木材的化學(xué)老化。

    纖維素是含有極性基團(tuán)的高分子物質(zhì)，它的 1,4- 苷鍵是縮醛鍵，對(duì)酸特別敏感，在適當(dāng)?shù)臍潆x子濃度、溫度和時(shí)間作用下，糖苷鍵斷裂、聚合度下降、還原能力提高，這種反應(yīng)稱為纖維素的酸性水解。部分水解后的纖維素稱為水解纖維素。纖維素完全水解則生成葡萄糖。

    除了纖維素可以發(fā)生酸性水解外，木材中其它含有 C-O、C-N 等雜鏈的聚合物，在一定的水、溫度和時(shí)間作用下，也易發(fā)生水解作用。

    2、微生物降解

    微生物通過(guò)它的代謝活動(dòng)在環(huán)境中所表現(xiàn)出的主要化學(xué)作用有以下類(lèi)型：氧化作用、還原作用、脫羧作用、脫氨基作用、 水解作用、 脫水作用、 酯化作用、縮合作用、氧化反應(yīng)及乙酰化反應(yīng)等。微生物的這些化學(xué)作用，都是微生物在新陳代謝中表現(xiàn)出來(lái)的，它的實(shí)質(zhì)是酶的反應(yīng)。

    由于木材本身具有適合菌類(lèi)繁殖的各種物質(zhì)條件，因此能分解木材的微生物有很多，以真菌為例，在適當(dāng)?shù)臏囟取穸取⑷展夂涂諝鈼l件下，木材容易受到真菌的侵害而腐朽，其種類(lèi)大致可分成三大類(lèi) : 木腐菌、著色菌和霉菌。

    木腐菌可分為白腐菌和褐腐菌。白腐菌主要破壞細(xì)胞中的木質(zhì)素或改變木質(zhì)素的性質(zhì)，對(duì)纖維素的影響不大。褐腐菌主要破壞纖維素和半纖維素，使木材外觀呈紅褐色，質(zhì)脆，易成粉末狀。總之，木腐菌會(huì)改變所寄生木材的物理和化學(xué)性質(zhì)，主要的變化是木材顏色、氣味的改變和比重、強(qiáng)度的顯著降低。

    著色菌可侵染木材使其變色。由于菌絲的顏色及其分泌的色素與木材的不同，而改變木材的顏色。對(duì)木材的力學(xué)性能影響并不大。但是，如果在木材表面發(fā)現(xiàn)著色菌時(shí)，就表明該木材存在適合于木腐菌滋生的物理環(huán)境。

    霉菌可在木材表面發(fā)生，產(chǎn)生棉花狀生長(zhǎng)物，其顏色為白色、淡褐色及黑色。霉菌的發(fā)生和傳播需要適當(dāng)?shù)臏囟群洼^高的濕度。生霉的主要影響是使木材外觀惡化，它只是導(dǎo)致木材表面變色，對(duì)其強(qiáng)度并無(wú)影響。而且木材表面生長(zhǎng)的霉菌可以刷除。

    古建筑木構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述

    古建筑木構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，目前主要表現(xiàn)為對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)和物理力學(xué)性能的判定，其中在現(xiàn)場(chǎng)勘查中又以內(nèi)部缺陷檢測(cè)最為重要。在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展早期，由于儀器設(shè)備和勘查條件的缺乏，利用手工傳統(tǒng)方法在目測(cè)、敲擊辨聲的基礎(chǔ)上依靠研究人員經(jīng)驗(yàn)定性判定木構(gòu)件的材質(zhì)狀況是當(dāng)時(shí)主要的方法，這種方法操作簡(jiǎn)單但存在一定的人為誤差且無(wú)法適應(yīng)大徑級(jí)構(gòu)件的檢測(cè)。隨著科技的發(fā)展、古建筑木構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)對(duì)精度要求的提高，檢測(cè)手段從定性判定逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔每茖W(xué)儀器進(jìn)行定量檢測(cè)，檢測(cè)技術(shù)也從表層探測(cè)逐漸過(guò)渡到深層分析。縱觀其發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下 3 個(gè)階段，第一是使用皮羅釘 （Pilodyn） 等進(jìn)行的點(diǎn)探測(cè)，皮羅釘因其使用方便曾是國(guó)內(nèi)普遍使用的一種木材腐朽的檢測(cè)儀器，但其往往用于構(gòu)件的淺層檢測(cè)；第二為使用阻力儀（Resistograph） 等進(jìn)行的線探測(cè)（圖二），阻力儀是目前為止古建筑木構(gòu)件中最精確的線探測(cè)設(shè)備，其多點(diǎn)探測(cè)可以形成面及空間圖像；第三為使用應(yīng)力波掃描儀 （Impulse Tomograph ） 和 Fakopp 等進(jìn)行的面探測(cè)（圖三），把該類(lèi)探測(cè)歸為面探測(cè)主要是因?yàn)槊媾c面之間連接是通過(guò)算法進(jìn)行而不是非常精確的立體圖像。以上探測(cè)技術(shù)中，阻力儀和皮羅釘主要是利用探針進(jìn)入木構(gòu)件內(nèi)部通過(guò)木構(gòu)件密度反映木構(gòu)件狀況；應(yīng)力波和Fakopp 主要是通過(guò)波的傳播速度來(lái)反映木構(gòu)件材質(zhì)狀況。但任何一項(xiàng)科學(xué)儀器都不是萬(wàn)能的，有優(yōu)勢(shì)也必然有短處。比如，對(duì)于應(yīng)力波掃描儀而言，可以直觀顯示木構(gòu)件內(nèi)部缺陷，但無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分空洞和腐朽，而利用阻力儀的補(bǔ)充探測(cè)則可迅速區(qū)分應(yīng)力波無(wú)法反映的空洞和腐朽；對(duì)于阻力儀而言，可以直觀地在單路徑上顯示缺陷，但由單路徑缺陷生成斷面缺陷存在一定誤差。所以在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡可能采用多種儀器的結(jié)合使用方式進(jìn)行檢測(cè)。

    綜上所述，在古建筑修繕修復(fù)工作中，前期木構(gòu)件無(wú) （ 微 ） 損檢測(cè)是必不可少的重要環(huán)節(jié)，快速準(zhǔn)確地判定木構(gòu)件的腐蝕程度及病害成因，為修繕設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)也為古建筑健康檔案的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是木結(jié)構(gòu)古建筑實(shí)現(xiàn)科學(xué)系統(tǒng)保護(hù)的基本前提。