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故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究

张典 于永柱 管成 王辉 张厚江 辛振波

张典, 于永柱, 管成, 王辉, 张厚江, 辛振波. 故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
引用本文: 张典, 于永柱, 管成, 王辉, 张厚江, 辛振波. 故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
Zhang Dian, Yu Yongzhu, Guan Cheng, Wang Hui, Zhang Houjiang, Xin Zhenbo. Non-destructive testing of defect condition of wall wood columns in Yangxin Hall of the Palace Museum[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
Citation: Zhang Dian, Yu Yongzhu, Guan Cheng, Wang Hui, Zhang Houjiang, Xin Zhenbo. Non-destructive testing of defect condition of wall wood columns in Yangxin Hall of the Palace Museum[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028

故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
基金项目: 中国博士后科学基金面上资助项目(2018M641225),北京市科学计划公益应用类项目(Z090506016609002),故宫博物院横向项目(2020HXFWGXY007)
详细信息
    作者简介:

    张典,高级工程师。主要研究方向:古建筑研究与保护。Email:zhangdian126@126.com 地址:100001 北京市东城区景山前街4号故宫博物院

    通讯作者:

    管成,博士,讲师。主要研究方向:木材无损检测技术。Email:648911029@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学工学院

  • 中图分类号: TU366.2;TS67;K928.71

Non-destructive testing of defect condition of wall wood columns in Yangxin Hall of the Palace Museum

  • 摘要:   目的  古建筑墙体木柱部分或全部被墙体包裹,木柱与墙体接触部分易腐朽,检测操作空间差。通过对故宫养心殿墙体木柱缺陷状况的无损检测研究,探索墙体木柱缺陷状况无损检测评估方法,揭示墙体木柱腐朽存在的规律,为养心殿木柱修缮工作提供依据,也为其他木结构古建筑墙体木柱的无损检测和缺陷评估提供借鉴。  方法  以养心殿正殿、梅坞、东配殿、西配殿4座建筑中的68根墙体木柱为研究对象,首先利用木柱的外露面、透风口或拆口,进行现场检测,内容包括外部缺陷检测、敲击检测、内部缺陷检测、含水率检测和树种取样;然后对现场检测获得的木柱尺寸、表面缺陷类型和尺寸、微钻阻力曲线等数据资料进行汇总分析,评估每根被测木柱的缺陷情况,总结墙体木柱腐朽分布规律。  结果  养心殿墙体木柱整体保存状况较好;养心殿墙体木柱外部和内部缺陷的形式是不同的,外部缺陷的主要形式为外部腐朽和材料缺失,内部缺陷的主要形式为内部腐朽和空洞,而这两种缺陷的次要形式均为裂纹;对单根木柱而言,在横向截面上腐朽主要发生在木柱与墙体接触的区域,在纵向上腐朽主要发生在木柱底部,自下而上腐朽程度逐渐减轻;对全体木柱而言,双面外露木柱发生腐朽的概率较低,单面外露木柱发生腐朽的概率较高,完全被墙体包裹的木柱最容易发生腐朽。  结论  本研究所采用的方法用于墙体木柱缺陷状况无损检测评估是可行的,墙体木柱的位置、被包裹程度和树种对其缺陷状况均有影响。
  • 图  1  墙体木柱类型示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of types of wall wood columns

    图  2  微钻阻力检测路径示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of micro-drilling resistance detection path

    图  3  基于微钻阻力曲线的木柱内部缺陷推测示意图

    Figure  3.  Conjecture schematic diagram of wood column’s internal defects based on micro drilling resistance curve

    图  4  养心殿墙体木柱外部缺陷

    Figure  4.  External defects of the wall wood columns in Yangxin Hall

    图  5  不同等级木柱在养心殿中的位置分布

    Figure  5.  The position distribution of different grades of wood columns in Yangxin Hall

    图  6  不同等级木柱在养心殿中的数量分布

    Figure  6.  Quantity distribution of different grades of wood columns in Yangxin Hall

    图  7  檐柱外观图

    Figure  7.  Appearance photo of eave column

    图  8  微钻阻力检测曲线

    Figure  8.  Micro-drilling resistance detection curve

    图  9  检测位置及缺陷示意图

    Figure  9.  Schematic diagram of detection location and defect situation

    图  10  檐柱外观图

    Figure  10.  Appearance photo of eave column

    图  11  微钻阻力检测曲线

    Figure  11.  Micro-drilling resistance detection curve

    图  12  检测位置及缺陷情况示意图

    Figure  12.  Schematic diagram of detection location and defect situation

    图  13  墙体拆口和柱面情况

    Figure  13.  Wall opening and cylinder situation

    图  14  微钻阻力检测曲线

    Figure  14.  Micro-drilling resistance detection curve

    图  15  检测位置和缺陷情况示意图

    Figure  15.  Schematic diagram of detection location and defect situation

    图  16  单面外露木柱腐朽规律示意图

    Figure  16.  Schematic diagram of decay law of single exposed wood columns

    图  17  不同包裹程度对木柱等级的影响

    Figure  17.  Effects of different wrapping degree on the grade of wood columns

    图  18  不同位置对木柱等级的影响

    Figure  18.  Effects of different position on the grade of wood columns

    表  1  养心殿墙体木柱类型和根数

    Table  1.   Type and quantity of wall wood columns

    建筑名称
    Building
    name
    双面外露
    Two exposed
    faces
    单面外露有透风口
    One exposed face
    with air vent
    单面外露无透风口
    One exposed face
    without air vent
    完全包裹有透风口
    Full coverage
    with air vent
    完全包裹无透风口
    Full coverage
    without air vent
    合计
    Total
    正殿 Main Hall8014 7130
    梅坞 Meiwu Hall01131 6
    东配殿 East Hall4460216
    西配殿 West Hall4460216
    合计 Total16 927 10 668
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    表  2  木柱分等标准

    Table  2.   Classification standard of wood column

    缺陷类型 Defect typesA等 Grade AB1、B2等 Grade B1 and B2C等 Grade C
    外部缺陷 External defectk < 0.050.05 < k < 0.45k > 0.45
    内部缺陷 Internal defectp = 00 < p < 0.15p > 0.15
    裂纹缺陷 Crack defectm ≤ 0.1 n ≤ 0.10.1 < m < 0.8 0.1 < n < 0.8m > 0.8 n > 0.8
    注:k为外部缺陷面积比例系数;p为内部缺陷面积比例系数;m为裂纹长度比例系数;n为裂纹深度比例系数。Notes: k is the proportion coefficient of external defect area; p is the proportion coefficient of internal defect area; m is the proportional coefficient of crack length; n is the proportional coefficient of crack depth.
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    表  3  养心殿墙体木柱分等结果

    Table  3.   Grading results of the wall wood columns in Yangxin Hall

    建筑名称 Building nameA等 Grade AB1等 Grade B1B2等 Grade B2C等 Grade C
    正殿 Main Hall171120
    梅坞 Meiwu Hall1230
    东配殿 East Hall5470
    西配殿 West Hall8512
    共计 Total3122132
    比例 Proportion45.5%32.4%19.2%2.9%
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-27
  • 修回日期:  2021-03-16

故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
    基金项目:  中国博士后科学基金面上资助项目(2018M641225),北京市科学计划公益应用类项目(Z090506016609002),故宫博物院横向项目(2020HXFWGXY007)
    作者简介:

    张典,高级工程师。主要研究方向:古建筑研究与保护。Email:zhangdian126@126.com 地址:100001 北京市东城区景山前街4号故宫博物院

    通讯作者: 管成,博士,讲师。主要研究方向:木材无损检测技术。Email:648911029@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学工学院
  • 中图分类号: TU366.2;TS67;K928.71

摘要:   目的  古建筑墙体木柱部分或全部被墙体包裹,木柱与墙体接触部分易腐朽,检测操作空间差。通过对故宫养心殿墙体木柱缺陷状况的无损检测研究,探索墙体木柱缺陷状况无损检测评估方法,揭示墙体木柱腐朽存在的规律,为养心殿木柱修缮工作提供依据,也为其他木结构古建筑墙体木柱的无损检测和缺陷评估提供借鉴。  方法  以养心殿正殿、梅坞、东配殿、西配殿4座建筑中的68根墙体木柱为研究对象,首先利用木柱的外露面、透风口或拆口,进行现场检测,内容包括外部缺陷检测、敲击检测、内部缺陷检测、含水率检测和树种取样;然后对现场检测获得的木柱尺寸、表面缺陷类型和尺寸、微钻阻力曲线等数据资料进行汇总分析,评估每根被测木柱的缺陷情况,总结墙体木柱腐朽分布规律。  结果  养心殿墙体木柱整体保存状况较好;养心殿墙体木柱外部和内部缺陷的形式是不同的,外部缺陷的主要形式为外部腐朽和材料缺失,内部缺陷的主要形式为内部腐朽和空洞,而这两种缺陷的次要形式均为裂纹;对单根木柱而言,在横向截面上腐朽主要发生在木柱与墙体接触的区域,在纵向上腐朽主要发生在木柱底部,自下而上腐朽程度逐渐减轻;对全体木柱而言,双面外露木柱发生腐朽的概率较低,单面外露木柱发生腐朽的概率较高,完全被墙体包裹的木柱最容易发生腐朽。  结论  本研究所采用的方法用于墙体木柱缺陷状况无损检测评估是可行的,墙体木柱的位置、被包裹程度和树种对其缺陷状况均有影响。

English Abstract

张典, 于永柱, 管成, 王辉, 张厚江, 辛振波. 故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
引用本文: 张典, 于永柱, 管成, 王辉, 张厚江, 辛振波. 故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
Zhang Dian, Yu Yongzhu, Guan Cheng, Wang Hui, Zhang Houjiang, Xin Zhenbo. Non-destructive testing of defect condition of wall wood columns in Yangxin Hall of the Palace Museum[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
Citation: Zhang Dian, Yu Yongzhu, Guan Cheng, Wang Hui, Zhang Houjiang, Xin Zhenbo. Non-destructive testing of defect condition of wall wood columns in Yangxin Hall of the Palace Museum[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20210028
  • 我国有着悠久的文明历史,拥有大量的木结构古建筑。木柱是木结构古建筑的关键承重构件之一,支撑着古建筑顶部的全部载荷。然而木材作为一种生物材料,多年服役使用后,极易发生腐朽等各类缺陷。木柱等古建筑木构件常见的缺陷主要包括材料缺失、空洞、腐朽、裂纹和整体变形,这些缺陷会使木柱承载能力降低,进而影响整个建筑的稳定性与安全性[1-2]。古建筑木柱根据其所处位置不同,可分为檐柱、金柱和山柱3类;从其与古建筑墙体的关系,可分为墙体木柱和独立木柱两类。墙体木柱是指与墙体接触、部分或全部被墙体包裹的立柱,而独立木柱是指与墙体有一定距离,周围无障碍物的立柱。

    无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下,以物理或化学方法为手段,借助现代化的技术和器材,对被测对象表面及内部的性质、状态和缺陷进行检测的方法[3-4]。随着科学技术的发展,无损检测已逐渐应用于古建筑木结构安全状况的检测和评估当中,目前古建筑木构件常用的无损检测方法主要有敲击检测、微钻阻力检测、应力波检测等[5]

    到目前为止,已有部分学者对古建筑木柱进行了无损检测研究。2007年,张晓芳[6]使用微钻阻力仪对故宫东华门木柱进行了检测,通过分析微钻阻力曲线的变化,较为准确地判断了立柱是否存在包镶。2011年,陈勇平等[7]根据微钻阻力曲线的轮廓和走势对保国寺大殿内瓜棱柱的内部构造进行了检测,其结果表明:保国寺大殿内的16根木柱中,9根为整木柱,4根为瓜棱拼合柱,2根为包镶式瓜棱柱。2013年,孙强等[8]采用超声波技术对清代徽州古民居木柱的缺陷情况进行了检测,给出了每个木柱的评价结果,对徽州古民居今后的检测、鉴定、修复提供了技术参考。2015年,刘佳等[9]使用应力波断层成像仪对京西某寺庙的独立木柱进行了检测,使用微钻阻力仪对部分包裹的墙体木柱进行了检测,为不同类型木柱内部缺陷的无损检测做出了较好的尝试。2017年,王晓丽[10]使用微钻阻力仪、应力波微秒仪对山西飞云楼的独立木柱及其他承重木构件进行检测,对木构件的内部缺陷情况进行了排查。2018年,马宏林等[11]对陕西西岳庙内的部分独立木柱进行了超声CT检测,证明作者自主研发的超声CT检测系统可以用于古建筑独立木柱内部缺陷的无损检测。2019年,张艳霞等[12]利用应力波和微钻阻力技术对贵州某村落的4栋单体古建筑中的10根独立木柱进行了检测,结果表明这两种无损检测方法可以有效地评估古建筑独立木柱的缺陷状况。这些研究的对象基本为古建筑的独立木柱,对墙体木柱的无损检测研究很少见到报道。另外,目前我国关于古建筑木构件缺陷的无损检测操作标准中,只有独立木柱内部腐朽检测方法的标准[13],对墙体木柱的检测方法尚缺失。

    养心殿始建于明代嘉靖年间,位于故宫乾清宫西侧,清代共有8位帝王将其作为勤政燕寝的久居之所,具有特殊的政治、文化、历史意义。2015年,养心殿启动了百余年来首次研究性保护大修,对养心殿进行系统的研究与修缮;2018年,养心殿区建筑的修缮实施工作正式开始,对养心殿木柱的检测与修缮是其中一项重要的工作[14]。养心殿正殿、梅坞、东配殿、西配殿4座建筑内共有木柱94根,其中墙体木柱68根、独立木柱26根,墙体木柱占木柱总数的72.3%。这些墙体木柱直接接触砖、土等墙体材料,通气条件差、易潮湿,易产生腐朽等缺陷,如何利用非破损方法有效地检测评估其缺陷状况,是一个需要慎重解决的问题,也是关系到养心殿修缮工程顺利推进的关键问题之一。

    本文以养心殿正殿、梅坞、东配殿、西配殿4座建筑大木结构中的68根墙体木柱为研究对象,开展无损检测和缺陷评估研究,探究墙体木柱的缺陷尤其是腐朽的存在规律,旨在为其他木结构古建筑墙体木柱的无损检测和缺陷评估提供借鉴。

    • 本研究的对象为养心殿正殿、梅坞、东配殿、西配殿4座建筑大木结构的68根墙体木柱。其中部分木柱有两个外露表面,部分木柱有一个外露表面,还有部分木柱完全被墙体包裹没有外露表面,在后两种情况中,有的木柱在包裹它的墙体上开有1个透风口(位于柱的底部)或2个透风口(位于柱的底部和上部)。为此,从木柱被墙体包裹程度和是否有透风口的角度,这68根墙体木柱可分为双面外露、单面外露有透风口、单面外露无透风口、完全包裹有透风口以及完全包裹无透风口5类,示意图如图1所示。表1所列为养心殿4座建筑中各类型木柱的数量。

      图  1  墙体木柱类型示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of types of wall wood columns

      表 1  养心殿墙体木柱类型和根数

      Table 1.  Type and quantity of wall wood columns

      建筑名称
      Building
      name
      双面外露
      Two exposed
      faces
      单面外露有透风口
      One exposed face
      with air vent
      单面外露无透风口
      One exposed face
      without air vent
      完全包裹有透风口
      Full coverage
      with air vent
      完全包裹无透风口
      Full coverage
      without air vent
      合计
      Total
      正殿 Main Hall8014 7130
      梅坞 Meiwu Hall01131 6
      东配殿 East Hall4460216
      西配殿 West Hall4460216
      合计 Total16 927 10 668
    • 对于双面外露、单面外露有透风口、单面外露无透风口、完全包裹有透风口这4种类型的木柱,充分利用外露面和透风口,观察、检测和评估木柱外部、内部缺陷情况;对于完全包裹无透风口的木柱,在保证墙砖完整性的前提下,在靠近木柱中下部的墙体上拆出一个或几个便于观察、满足仪器操作空间的拆口,再对木柱缺陷情况进行检测和评估。现场具体检测过程和方法包括外部缺陷检测、敲击检测、内部缺陷检测、含水率检测和树种取样。检测于2020年10月的5个晴天进行,检测期间温度7 ~ 18 ℃,北风1 ~ 2级。

    • 根据标准GB/T 50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术标准》[15]、GB/T 13942.2—2009《木材耐久性能 第2部分:天然耐久性野外试验方法》[16]、DB11/T 1190.1—2015《古建筑结构安全性鉴定技术规范第1部分:木结构》[17],利用目测、尺寸测量等手段,通过外露面、透风口、拆口,对木柱外部缺陷进行检测,判断缺陷种类及其大小,并进行木构件的初步分等。

    • 对有外露面的木柱,使用小锤从根部逐渐向上敲击木柱外露表面;对完全包裹有透风口的木柱,使用直径12 mm、长800 mm的钢杆通过透风口敲击木柱表面。根据敲击的声音及检测人员的经验,初步筛查木柱内部缺陷情况,若声音沉闷,则说明木柱内部存在较大尺寸的腐朽,反之则说明敲击位置内部情况较好。使用记号笔在声音沉闷区域做好标记,为内部缺陷检测缩小检测范围。

    • 现阶段古建筑木构件内部缺陷现场检测方法主要包括微钻阻力法、应力波法(包括应力波断层成像法和应力波速法)等。对墙体木柱内部缺陷检测来说,应力波法缺少必要的操作空间,而微钻阻力法可以在木柱单侧利用其外露面、透风口和拆口进行操作,所以本研究的内部缺陷检测采用微钻阻力法进行。

      根据敲击检测结果获得的被测木柱内部缺陷的大致位置,使用微钻阻力仪(德国Rinntech,Resistograph 4452-P)进行检测。依据国标GB/T 28990—2012《古建筑木构件内部腐朽与弹性模量应力波无损检测规程》和木柱的实际情况确定微钻阻力检测方向,对于有外露面的墙体木柱,充分利用其外露表面(图2a),尽可能对每个截面进行3次微钻阻力检测;对于完全包裹于墙内的木柱(图2b),从透风口或拆口对木柱进行微钻阻力检测。这两种检测的路径均沿木柱直径方向,检测深度等于木柱直径。根据微钻阻力曲线,确认内部缺陷的形式和尺寸大小。微钻阻力检测完成后,对微钻阻力检测后的小孔进行封堵。

      图  2  微钻阻力检测路径示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of micro-drilling resistance detection path

    • 生物真菌等造成的木材腐朽退化多发生在含水率高于20%的情况下,含水率的变化极易引起木构件的开裂和翘曲等问题,因此木构件在使用时含水率不得高于20%。本研究利用木材含水率测试仪(北京英业达,YM-50)对木柱进行多点检测,为木柱腐朽评估提供参考。

    • 不同的木柱类型有不同取样方式,有外露面的木柱,可以直接在木柱隐蔽处取尺寸约1 cm × 1 cm × 2 cm的小木块,作为后期树种鉴定的试样;对于完全包裹的木柱,需要使用生长锥(瑞典Haglof,CO800)从透风口或拆口进行取样,并对取样后产生的小孔进行封堵。

    • 对现场检测获得的木柱尺寸、木柱缺陷类型和尺寸、含水率等数据资料进行汇总分析,评估每根被测木柱的缺陷情况。最终根据评估结果,对木柱进行分等并绘制被测木柱缺陷状况图。

    • 微钻阻力值与木材密度具有较高相关性[18],当木材内部出现裂纹和腐朽等缺陷时,会导致木材密度急剧变化,进而使得微钻阻力值发生变化。木柱表面存在有裂纹(图3a),此时,如果微钻阻力值再出现急剧降低且低值区域较短的情况,可以判断该截面内部存在裂纹缺陷;而当微钻阻力值下降后出现较长的低阻力值区域时,可以推断该截面内有腐朽或空洞缺陷(图3b)。通过木柱同一截面的不同方向微钻阻力曲线,可以推测该截面的缺陷情况;通过木柱不同高度上截面的缺陷情况,可以推断该木柱的整体缺陷情况。

      图  3  基于微钻阻力曲线的木柱内部缺陷推测示意图

      Figure 3.  Conjecture schematic diagram of wood column’s internal defects based on micro drilling resistance curve

    • 将现场取得的木柱试样进行切片、浸泡、软化、制片处理,通过光学显微镜观察样品微观结构,并与标准树种样板图谱对比,鉴定出各木柱的树种。

    • 根据前期积累的现场资料和实验室数据分析结果,对被测木柱缺陷状况进行分等。分等标准的制定参照了GB/T 50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术标准》、GB/T 13942.2—2009《木材耐久性能 第2部分:天然耐久性野外试验方法》、DB11/T 1190.1—2015《古建筑结构安全性鉴定技术规范第1部分:木结构》等标准,且结合了养心殿木柱的实际情况,比例系数的计算方法如公式(1) ~ (4)所示。

      $$k = \frac{{{S_d}}}{S}$$ (1)
      $$p = \frac{{{S_d}}}{S}$$ (2)

      式中:k为外部缺陷面积比例系数;p为内部缺陷面积比例系数;Sd为缺陷的面积(mm2);S为木柱截面面积(mm2)。

      $$m = \frac{{{l_c}}}{l}$$ (3)

      式中:m为裂纹长度比例系数,lc为裂纹长度(mm),l为木柱长度(mm)。

      $$n = \frac{{{h_c}}}{d}$$ (4)

      式中:n为裂纹深度比例系数,hc为裂纹深度(mm),d为木柱直径(mm)。

      木柱分等标准如表2所示,依据该分等标准,A等木柱保存状况良好,不需要进行干预;B等木柱为存在一定缺陷,需要定期复查或适当干预的立柱;C等木柱不宜继续使用,建议更换或墩接。其中,B等级包括B1和B2等级,B1等级的木柱为有缺陷,不需要干预,但需定期复查;B2等木柱同样具有一定缺陷,而且需要对这些木柱采取营造干燥环境或适当加固等手段进行干预。

      表 2  木柱分等标准

      Table 2.  Classification standard of wood column

      缺陷类型 Defect typesA等 Grade AB1、B2等 Grade B1 and B2C等 Grade C
      外部缺陷 External defectk < 0.050.05 < k < 0.45k > 0.45
      内部缺陷 Internal defectp = 00 < p < 0.15p > 0.15
      裂纹缺陷 Crack defectm ≤ 0.1 n ≤ 0.10.1 < m < 0.8 0.1 < n < 0.8m > 0.8 n > 0.8
      注:k为外部缺陷面积比例系数;p为内部缺陷面积比例系数;m为裂纹长度比例系数;n为裂纹深度比例系数。Notes: k is the proportion coefficient of external defect area; p is the proportion coefficient of internal defect area; m is the proportional coefficient of crack length; n is the proportional coefficient of crack depth.
    • 古建筑木构件缺陷可分为外部缺陷和内部缺陷两种,外部缺陷通常包括裂纹、表面腐朽、材料缺失、整体变形等;内部缺陷主要包括内部腐朽、内部空洞、裂纹等。

      养心殿墙体木柱检测结果发现,木柱外部缺陷主要形式为外部腐朽及由外部腐朽造成的材料缺失,次要形式为裂纹;木柱内部缺陷主要形式为内部腐朽,次要形式为裂纹。木柱外部缺陷通过目测可以直接观察到,而木柱内部缺陷需要借助微钻阻力仪的检测结果进行推断,无法直接观察。图4为养心殿墙体木柱3种外部缺陷形式。

      图  4  养心殿墙体木柱外部缺陷

      Figure 4.  External defects of the wall wood columns in Yangxin Hall

    • 表3所列为养心殿68根墙体木柱的分等结果,其中A等木柱31根,B1等木柱22根,B2等木柱13根,C等木柱2根,各等级木柱在4座建筑内的位置分布如图5所示。结果显示:养心殿墙体木柱的整体保存状况较好,检测等级为A等和B1等的木柱共53根,占总木柱数量的77.9%,这部分木柱在此次维修中不需要干预;B2等木柱13根,占总木柱数量的19.2%,需要对这部分木柱进行适当干预,如对腐朽区域进行清理和干燥处理;C等木柱2根,占总木柱数量的2.9%,这两根木柱建议进行更换或墩接处理。

      表 3  养心殿墙体木柱分等结果

      Table 3.  Grading results of the wall wood columns in Yangxin Hall

      建筑名称 Building nameA等 Grade AB1等 Grade B1B2等 Grade B2C等 Grade C
      正殿 Main Hall171120
      梅坞 Meiwu Hall1230
      东配殿 East Hall5470
      西配殿 West Hall8512
      共计 Total3122132
      比例 Proportion45.5%32.4%19.2%2.9%

      图  5  不同等级木柱在养心殿中的位置分布

      Figure 5.  The position distribution of different grades of wood columns in Yangxin Hall

      各等级墙体木柱在4座建筑中的数量分布如图6所示,其中正殿的A等木柱最多,有17根,占所有A等木柱的54.8%;梅坞A等木柱最少,只有1根,占所有A等木柱的3.2%;东配殿和西配殿的A等木柱数量相差不大,分别为5根和8根,占所有A等木柱的16.2%和25.8%。正殿的B1等木柱最多,有11根,占所有B1等木柱的50%;梅坞B1等木柱最少,只有2根,占所有B1等木柱的9.1%;东配殿和西配殿B1等木柱数量接近,分别为4根和5根,占所有B1等木柱的18.2%和22.7%。B2等和C等木柱在各建筑中的数量相比于A等和B1等要少很多,其中东配殿B2等木柱数量最多,有7根,占所有B2等木柱的53.9%;西配殿B2等木柱数量最少,有1根,只占7.7%;正殿和梅坞分别有2根和3根,占15.3%和23.1%;C等木柱只有2根,全部位于西配殿。

      图  6  不同等级木柱在养心殿中的数量分布

      Figure 6.  Quantity distribution of different grades of wood columns in Yangxin Hall

    • 该檐柱为西配殿后墙北数第二根檐柱,直径约360 mm,该木柱有一面裸露在室内,室外无透风口,图7为该檐柱室内外露部分的整体及细节图。从外观看来,该檐柱根部外表存在少量腐朽,柱体上存在有一条尺寸较大的裂纹缺陷,呈螺旋状贯穿整个檐柱,经过测量,裂纹宽度最大为50 mm,裂纹深度最深达到220 mm。

      图  7  檐柱外观图

      Figure 7.  Appearance photo of eave column

      共计对该檐柱的6个高度截面进行了14次微钻阻力检测,图8是14个检测点的微钻阻力检测结果,各检测截面的高度如图9a所示,各微钻阻力检测点及根据微钻阻力检测结果绘制的缺陷情况如图9b所示。在檐柱横截面上,腐朽主要发生在靠近西配殿后墙的区域;在檐柱纵向上,腐朽在底部最为严重,而随着高度的上升,腐朽区域逐渐减小,在达1.5 m时,木柱趋近于完好;在2.72 m以上的位置,木柱内部裂纹较多。

      图  8  微钻阻力检测曲线

      Figure 8.  Micro-drilling resistance detection curve

      图  9  检测位置及缺陷示意图

      Figure 9.  Schematic diagram of detection location and defect situation

      该檐柱各截面平均含水率如图9b所示,含水率最高处位于木柱底部,为16.5%,含水率最低处位于木柱顶端,为12.3%,整根木柱的平均含水率为14.5%。受操作空间限制,含水率检测点位于木柱外露表面,测得的数据为木柱外露面近表面木材的含水率,而木柱与墙体接触区域的含水率应该远高于其外露部分的含水率。从测得的各截面平均含水率可以看出,含水率随木柱高度的增加而降低,而且腐朽较为严重的区域含水率明显要高于未腐朽区域。

      该檐柱位置处于建筑背阴面,且半埋于墙内,柱体与墙体直接接触;另外经观察发现建筑外屋檐雨水恰好滴在木柱所处位置的墙体上,加重了木柱的潮湿程度,从而导致了该檐柱与墙体接触部分出现严重腐朽,该檐柱承载能力遭到极大地削弱。综合对该檐柱的外观和微钻阻力检测结果,将该檐柱划定为C等。

    • 该檐柱位于梅坞西北角,直径为279 mm,被墙体完全包裹,只留有两个透风口(图10),分别位于檐柱的西侧和北侧,透风口的尺寸为:20 cm(高) × 15 cm(宽) × 40 cm(深)。通过两透风口观察发现木柱北侧表面有一条纵向的裂纹,西侧檐柱表面有明显的腐朽,缺失近1/3的实木部分,仅部分实木起支撑作用。

      图  10  檐柱外观图

      Figure 10.  Appearance photo of eave column

      从西侧透风口对该檐柱2个高度截面分别进行了微钻阻力检测,检测结果如图11所示,检测截面位置如图12a所示。从图中可以看出:檐柱在检测路径前端55 mm深度范围的微钻阻力值较低,存在一段腐朽区域,检测结果中微钻阻力值较高且平稳的实木区域只有檐柱的一半左右,该檐柱整体偏心受压,工作情况较差。两个被测截面的缺陷情况如图12b所示。

      图  11  微钻阻力检测曲线

      Figure 11.  Micro-drilling resistance detection curve

      图  12  检测位置及缺陷情况示意图

      Figure 12.  Schematic diagram of detection location and defect situation

      该檐柱完全包裹于墙内,柱面通风差,在透风口处检测到木材含水率为21.8%,水分无法及时排出,导致木柱出现严重腐朽。根据外观检测和微钻阻力检测结果,将该木柱定义为B2等。

    • 该檐柱位于东配殿东北角,直径约为370 mm,檐柱完全包裹在墙体当中,且无透风口,因此从室外对包裹檐柱的墙体进行部分拆解,通过拆口对墙内木柱进行观察与检测,拆口情况如图13a所示,拆口距地面1.28 m。从拆口看柱面情况,木柱表面有一条纵向的裂纹,且表面存在腐朽(图13b),用探针取下部分表面材料,发现木材已经酥散,腐朽情况严重。

      图  13  墙体拆口和柱面情况

      Figure 13.  Wall opening and cylinder situation

      利用拆口对檐柱进行了微钻阻力检测,检测结果如图14所示。在检测路径前端0 ~ 110 mm范围,微钻阻力值较低,存在大面积腐朽,在检测路径中部225 mm位置,有一个40 mm左右的腐朽区域,在检测路径末端330 mm的木柱表面,存在宽度约15 mm的腐朽区域。可以推测,该木柱截面实木部分仅存1/2,腐朽状况严重(图15)。

      图  14  微钻阻力检测曲线

      Figure 14.  Micro-drilling resistance detection curve

      图  15  检测位置和缺陷情况示意图

      Figure 15.  Schematic diagram of detection location and defect situation

      该木柱完全包裹于墙体之中,透气性极差,常年背阴潮湿,在拆口处检测到木材含水率为18.9%,超过木材平衡含水率,这是其腐朽严重的主要原因。可以推测,该木柱从检测截面至柱根部分,腐朽情况会逐渐加重,故将该檐柱定为B2等。

      通过前面3个木柱缺陷检测详细结果的叙述可以说明:充分利用墙体木柱的外露面、透风口和拆口,通过目测、敲击、微钻阻力、含水率等检测方式的组合,无损检测和评估墙体木柱外部、内部缺陷的综合情况,是可行的。

    • 腐朽是墙体木柱缺陷的主要形式。根据2.2检测结果和作者对养心殿墙体木柱的总体检测经历,发现墙体木柱腐朽的存在如下规律。

    • 从木柱横截面上看,腐朽主要为外部腐朽,较少出现内部腐朽;外部腐朽主要发生木柱在与墙体接触的部分,而在木柱外露部分基本不发生腐朽。图16a为单面外露木柱横截面腐朽分布规律示意图。从木柱纵向上看,木柱腐朽主要发生在下部,根部腐朽最为严重,随着高度的上升,腐朽逐渐减弱。图16b为单面外露木柱纵向腐朽分布规律示意图。从理论上讲,木柱被墙体包裹部分,其表面与墙体间应当留有约1 cm的间隙,即存在所谓“柱裙”结构,用于木柱表面的空气流动,但在实际检测过程中,发现大部分木柱没有柱裙结构的存在,少量存在柱裙结构的木柱由于年代久远等原因,柱面与墙体间的间隙也被碎土填满。也就是说,养心殿墙体的水分是直接传给到木柱的,导致接触部分木材的含水率较大,进而使得木柱被墙体包裹的部分易发生腐朽。同时,越靠近地面墙体湿度往往越大,导致木柱下部含水率更高,从而使木柱腐朽程度越靠近柱根越严重。这里需要说明的是,由于透风口截面尺寸较小、深度较大,平时又有透风砖覆盖,所以通过透风口看到的木柱表面应当属于被墙体包裹表面,同样易发生腐朽。

      图  16  单面外露木柱腐朽规律示意图

      Figure 16.  Schematic diagram of decay law of single exposed wood columns

    • 如果不考虑透风口是否存在,那么养心殿墙体木柱可分为双面外露、单面外露、完全包裹3大类,其中双面外露木柱被墙体包裹程度最小,完全包裹木柱被墙体包裹程度最大,单面外露木柱被墙体包裹程度居中。图17a为3种类型木柱的分等结果,由图17a可见:双面外露木柱共计16根,全部为A等;单面外露木柱共计36根,A、B1、B2、C等木柱分别为10根、17根、8根、1根;完全包裹木柱共计16根,A、B1、B2、C等木柱分别为5根、5根、5根、1根。

      图  17  不同包裹程度对木柱等级的影响

      Figure 17.  Effects of different wrapping degree on the grade of wood columns

      将每一类木柱再分为(A + B1)等(不需要干预)和(B2 + C)等(需要干预)两类统计,其中双面外露的木柱中全部为(A + B1)等,比例最高;单面外露的(A + B1)木柱等占75%,比例次之;完全包裹的(A + B1)木柱等占62.5%,比例最低(图17b)。而3种类型木柱的(B2 + C)等所占比例分别为0%、25.0%、37.5%。可见双面外露木柱腐朽发生整体概率较低,单面外露木柱腐朽发生整体概率高些,完全包裹木柱最容易发生腐朽。

      出现这种现象的原因为双面外露木柱与墙体直接接触面积最小,整体通风性能较好,流动的空气易将木柱周围的水分带走,使木柱保持干燥,很大程度上减少了腐朽发生的概率;单面外露与完全包裹这两种类型,木柱表面与墙体的接触面积逐渐增加,墙体本身含有的水分要高于周围环境,墙体水分传入木柱,木柱水分无法及时排出,导致木柱与墙体接触的部分含水率较高,易于真菌滋生,木柱腐朽发生的概率增大。

    • 图18为养心殿木柱位置与其等级间的关系,图18a为不同位置各等级木柱数量,图18b为不同位置各等级木柱比例。由图18a可以看到:前檐柱共有22根,主要为A等,A等占21根,B1等仅有1根;金柱共有6根,其中A、B1等分别为2根、4根,无B2、C等木柱;山柱共有16根,其中A、B1、B2等分别为5根、5根、6根,无C等木柱;后檐柱共有24根,其中A、B1、B2、C等分别为3根、12根、7根、2根。由图18b可以看出:前檐柱中A等比例最高,达到95.5%,金柱、山柱中的A等比例居中,分别为33.3%、31.3%,后檐柱中A等比例最低,为12.5%;不需要干预的(A + B1)木柱比例在前檐柱、金柱中均高达100%,在山柱、后檐柱中的比例均降为62.5%;在前檐柱、金柱中未发现需要干预的(B2 + C)等木柱,在山柱、后檐柱中的比例均为37.5%。可见前檐柱整体腐朽状况最轻、金柱整体腐朽状况稍重一些,山柱和后檐柱整体腐朽情况较严重,其中后檐柱整体腐朽状况最严重。

      图  18  不同位置对木柱等级的影响

      Figure 18.  Effects of different position on the grade of wood columns

      从不同位置各等级木柱的分布情况可以看出:位于朝阳面的前檐柱和具有较好通风环境的金柱更不易于发生腐朽。这是因为阳光的照射使木柱及其周边环境的水分挥发掉,而良好的通风环境则能够及时带走水分,使得木柱内部含水率较低,抑制了真菌和细菌的繁殖,减少木柱的腐朽发生。相比之下,位于背阴面的山柱和后檐柱的周围环境往往较为潮湿,且周围的空气流通差,水分无法及时被带走,加速了木柱的腐朽。

    • 经树种取样、鉴定,发现东配殿、西配殿、梅坞墙体木柱为落叶松(Larix gmelinii)和樟子松(Pinus sylvestris),正殿墙体木柱除少量落叶松外,多为楠木(Phoebe zhennan)。落叶松和樟子松均为松类,木材材性有相似性。作者在检测过程中发现:落叶松和樟子松木柱的腐朽整体状况较楠木木柱腐朽整体状况严重;落叶松和樟子松木柱除主要存在的外部腐朽外,少量木柱也存在内部腐朽,而楠木木柱的腐朽基本为外部腐朽,保存状况较好。

    • 古建筑墙体木柱部分或全部被墙体包裹,木柱与墙体接触部分易腐朽,检测操作空间差。为此,以养心殿正殿、梅坞、东配殿、西配殿4座建筑的墙体木柱为研究对象,开展木柱缺陷状况无损检测和评估研究,得到如下结论。

      (1)实践证明,充分利用墙体木柱的外露面、透风口或拆口,通过目测、敲击、微钻阻力仪、含水率等检测方式的组合,检测和评估墙体木柱外部、内部缺陷状况是可行的。

      (2)养心殿墙体木柱外部缺陷主要形式为腐朽、材料缺失,次要形式为裂纹;内部缺陷主要形式为内部腐朽和空洞,次要形式为内部裂纹。

      (3)养心殿墙体木柱的整体保存状况较好,不需要干预的A等和B1等木柱共53根,占总木柱数量的77.9%;需要适当干预处理和定期观察的B2等木柱共13根,占所有木柱数量的19.2%;C等木柱有2根,需要及时更换处理,占木柱数量的2.9%。

      (4)就单根木柱而言,在横向截面上,腐朽主要发生在与墙体接触的部分;在纵向上,腐朽主要发生在下部,通常是根部最严重,向上逐渐减轻。

      (5)就全体木柱而言,木柱被墙体包裹程度越大,越容易存在腐朽,即双面外露木柱腐朽发生腐朽的概率较低,单面外露木柱腐朽发生腐朽的概率高些,完全包裹木柱最容易发生腐朽。

      (6)位于朝阳面的前檐柱和具有较好通风环境的金柱不易于发生腐朽,而位于背阴面的山柱和后檐柱易发生腐朽。

参考文献 (18)

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