古建筑木屋架修復碳纖維加固技術運用

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摘要：木質結構的古建筑是我國珍貴的歷史文化遺產，而隨著時代的變遷，一些木質結構建筑物在風吹雨淋中不斷腐朽、遭到破壞。本文主要以張治中將軍府邸修繕為例，以木屋架的結構修復為切入點，探尋新材料、新工藝在古建筑木屋架修復中的實際使用情況，以期為古建筑加固提供借鑒和參考。

關鍵詞：古建筑；木結構；碳纖維；運用

1張治中將軍府邸

張治中將軍府邸位于南京市鼓樓區中山北路，始建于1959年，總面積約1000m2。整座宅子呈飛機形狀，分為機頭、兩機翼及機身部分。機頭為兩層小高樓；機翼與機身部分為一層建筑，層高5m。對該建筑的修繕加固，有利于保證其原有的歷史樣貌；保留并修復其府邸，有利于延續歷史文脈，保護我國優秀的文化遺產，為現代人提供睹物思人的物質載體，承載著現代人的精神寄托。因此，對張治中將軍府邸進行修繕，意義深遠。

2屋架的特點

本文將對府邸的機身部分進行加固改造。張治中將軍府邸的結構形式為輕型磚木結構，屋架部分為全木框架結構，四周的墻體為磚墻，總建筑面積為350m2。該建筑的抗震設防分類為丙類，抗震防裂強度為七度，是Ⅲ類場地類別，建筑的結構安全等級為二級，設計使用年限為50年。該屋架的形式為木屋架，共有六榀三角形人字木屋架，分別由上弦、下弦、腹桿、檁條和椽條構成。筆者經過檢查發現，第四榀木屋架局部曾有過較大的加固改造（見圖1）。研究發現，經過加固后的新木料無明顯損傷及變形，老舊木料輕微腐蝕，同時存在部分蟲蛀現象，且老舊木料的上弦、斜撐及下弦有細小裂縫，但不影響主要的結構性能。而情況最為嚴重的為第三榀屋架，該木屋架上弦側面有寬9mm的干縮裂縫，有斜紋，斜率為1/17，表層輕微腐朽，有輕微蟲蛀現象。檁條部分有較多干縮裂縫。斜撐有7mm×750mm×10mm的干縮裂縫，表層全身腐朽，但無明顯心腐跡象。下弦側面有5mm×2300mm×11mm的干縮裂縫，微扭，表層輕微腐朽，有輕微蟲蛀現象,節點處有很多細小裂縫。木屋架與砌體結構支座處木材含水率較高，有輕微腐蝕現象。

3新型加固材料在古建筑木屋架修復中的運用

3.1木結構加固概述

木結構是我國傳統的建筑結構形式，在古代社會，工業文明不夠發達、機械化生產水平較低，能夠用來作為房屋梁架的材料只有木材，而我國地廣物博，物質生產資源豐富，各種樹種的木構件也登上了歷史的舞臺。隨著歷史的不斷演進，木結構建筑的工藝水平也不斷發展，尤其是一些近代的歷史古建筑，外觀雄渾壯麗，內飾精巧別致，讓人不得不贊嘆古代勞動人民的智慧。目前，我國現存的大量古建筑形式豐富，有木建筑的名居、橋梁、寺廟、樓塔、宮廷建筑物等，這些古建筑都是歷史遺留給后人的寶貴財富，我們在欣賞其外形美的同時，應加倍珍惜，并對其進行保護。但是，近年來由于年代久遠，環境質量下降，很多木結構古建筑都出現了各種各樣的問題，而對于這些問題如果缺乏關注和處理，將會導致木構件荷載能力的改變，甚至影響其特有的建筑結構安全。因此，對木結構古建筑的加固及修繕的意義重大。傳統的加固及修復木結構的方法是直接用新材料或者混凝土材料去替換原來的木結構，這些加固方法較為簡單，不僅成本高、施工難度大，還容易破壞木結構的原始結構形式，讓這些木結構失去歷史文物價值，破壞了古建筑的原有風貌，不能達到古建筑“修舊如舊”的標準，且運用的金屬構件易腐蝕，加重了結構承載力，并不是一種最優的加固方案。

3.2碳纖維加固技術的優點

碳纖維增強材料是一種纖維增強材料[1]，它由高強度的纖維和樹脂基體結合而成，其最早被用于航空航天領域。相對于傳統的增大截面及粘鋼法，碳纖維材料可以顯著減少固定設施的設置和占地面積，可以更好地保證古建筑的原始風貌[2]。另外，碳纖維材料的質量更輕、強度更高，在保證加固質量與效果的同時，能避免因加固材料自重而增加額外尺寸；碳纖維材料中的碳元素擁有最穩定的分子結構，可以對抗自然環境中雨水和紫外光照的侵蝕，有效提高加固件的抗腐蝕性和耐久性。此外，研究還發現，將碳纖維材料粘貼于木梁底部，可緩解木梁在受拉時所發生的脆性破壞[3]，減輕蠕變撓度；將碳纖維材料粘貼于材料的受拉面，可提高其極限承載能力，增強其抗彎性能。因此，碳纖維加固材料可以從根本上保證其力學性能。在本工程中，碳纖維材料的加固優勢也是相當顯著的。首先，木料的腐蝕和伸縮裂縫還沒有達到需要徹底更換的程度，這些裂縫如果能夠被妥善處理，可極大增強其承載力與使用壽命；其次，木屋架承載著屋面的主要荷載，若增加鐵質固件或水泥制品，勢必會加重其負荷，日積月累會縮短其使用年限。從施工的便利性看，5m多的層高要求更為輕巧的修補件，這樣將大幅降低垂直運輸的難度。

3.3碳纖維加固技術的施工工藝

優秀的施工工藝是建筑結構安全的關鍵，只有做到專業務實，才能將設計者的理念落到實處，才能讓建筑得到切實的保養，延長建筑的使用壽命。碳纖維材料作為一種新興加固材料，其施工的工藝還未被普及，很多不熟練的施工人員往往不能掌握其工藝要點，無法將其有效地粘貼在被加固件上，影響加固的最終成效。因此，筆者在本次的碳纖維加固中嚴格控制施工質量，充分關注細節，嚴選操作熟練的施工人員，努力去縫合木料上的每一道“歲月裂紋”，讓這些“歲月的風霜”只停留在表面，不深入“骨髓”。通過專業的檢測，筆者發現在此次待加固的木屋架中，主要存在的問題表現為較多的干縮裂紋和屋架的腐蝕。裂縫的長度和開裂的深度各不相同，有些裂縫是木料經過長時間風干后形成的干縮裂縫，此類裂縫較多；還有一些裂縫是木料受潮后發生的表面腐蝕，對于這類裂縫的處置就要細致耐心。處理裂縫時，首先是用毛刷等工具徹底清潔裂縫處的沉積物及浮灰，待加固面完全暴露及清灰完成后，在木梁上彈線并確定輪廓，特別是腐爛的地方，要將腐爛的木料用刀片徹底剔除干凈并控干周圍的水分；然后根據彈線確定碳纖維布的大小[4]，用木材專用的桐油及石灰混合物對裂縫進行填補找平；最后將裁剪后的碳纖維布緊密纏繞在受加固的木構架部位。在粘貼碳纖維布時要注意碳纖維布的可靠搭接，并留有足夠的搭接長度，還要保證碳纖維結構膠與木料、碳纖維布的充分接觸，應盡可能地讓碳纖維結構膠充分滲入碳纖維絲之間（細部處可用針筒注射膠），粘貼完后要用專門的滾壓工具不斷進行滾壓[5]，以去除內部的氣泡，保證充分粘接。在粘接完之后還要涂抹浸漬膠，以養護碳纖維布。

3.4碳纖維加固技術的施工效果

張治中將軍府邸的木屋架經過本次的碳纖維加固后，其綜合力學性能得到了很大程度的提高，木屋架的抗壓及抗變形的能力進一步增強，同時也減少裂縫的進一步擴散。除了對木屋架的加固，筆者還利用植筋法，對大禮堂的四周墻體進行了徹底加固。經過加固改造后的木屋架不僅滿足了現有的安全荷載要求，更是為后期改造為大型會議室提供了力量支撐。為滿足院內的需要，該建筑因樓層標高較高、面積較大、中間無柱子等支撐物，適合改造為一個大型會議室。而作為一個大型公共場所，消防安全應放在首位。沒有消防設施為與會人員保駕護航，與會人員的性命就成了空談。因此，此次加固后的木屋架應既能承載空調風管和裝飾鋁板的重量，又能拉結消防的噴淋管道。經過嚴密計算，設計院在受力方向增加20#槽鋼，用來傳遞平均荷載，而在非受力方向增加8#槽鋼作為轉換層，這樣，該屋架的荷載達80kg/m2，能滿足吊裝空調風管及噴淋管道的負載。裝修改造后的大禮堂一改往日破舊不堪的模樣，猶如脫胎換骨般讓人耳目一新，外觀上是古色古香的文物建筑，而內部卻是現代化的多功能會議室，配合高端音響設備，給人以極致的視聽體驗。由此可見，運用碳纖維加固技術能大幅減少人力和物力的投入，具有顯著的經濟效益。同時，該會議室多次轉播醫院手術室的現場視頻，為醫護人員的學習進修提供場所，具有很好的社會效益。本工程從檢測木屋架的性能到最終加固完成只耗時一個月，而碳纖維布的施工僅花費4d。碳纖維加固技術相對于鐵質固件的加固而言，不需要現場涂刷防銹漆等涂料，對環境的污染小；相對于混凝土的加固而言，現場沒有大量的材料和設備堆放，施工的占地面積較小。總體而言，碳纖維加固具有施工周期短、施工難度低的優勢，與傳統的加固方法相比，碳纖維加固技術安全可靠、綠色環保，對于追求時間效益的項目工程，碳纖維加固更是省時利器。當然，本工程成功使用碳纖維加固的示范，也將為碳纖維在其他工程領域中的運用提供探索實踐的樣本。

4結語

文化是城市的靈魂，城市歷史文化是前人智慧的沉淀，是城市內涵品質、特色的重要標志。而老建筑正是歷史文脈的載體，其記載著不同地域的人文色彩，記錄著時代變革的軌跡，蘊含著豐富的歷史文化內涵，是多元文化的物質基礎。現代人如果能夠充分利用科學技術，對這些老建筑進行合理的修繕，讓這些老建筑既能滿足現代社會圖2　裝修改造后的大禮堂現場圖（圖片來源：作者自攝）的使用功能，實現客觀的經濟價值，又能有效保護不同地區的各類文物，實現文物的社會價值，那么對老建筑的保護修繕則更富含傳承價值，這也是傳承和發展的要義。現代文明若在發展的同時能夠帶上這些烙有歷史文化印記的“年長者”，能夠“亦老亦新”、新老結合，讓不同年代、風格的老建筑散落在城市的各個角落，讓這些老建筑娓娓“述說”自己的故事，讓這些歷史故事支撐起城市的靈魂，滿足現代人的精神需求，讓人們記得住歷史、忘不了鄉愁，這樣的城市之美才會更豐滿、更立體、更多元。

參考文獻

[1]張鑫，李安起，趙考重．建筑結構鑒定與加固改造技術的進展[J]．工程力學，2011，28（01）：1-11，25．

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[3]李昊翼，陳際洲，史睿超．古代木結構建筑修復中的新型材料應用研究[J]．科協論壇（下半月），2012（12）：5-6．

[4]張為民．橋梁結構裂縫分析及碳纖維加固技術[J]．太原城市職業技術學院學報，2018（03）：187-189．

[5]孫志恒，董曉農，郝巨濤，等．PCCP內壁復式碳纖維加固技術及應力計算分析[J]．水利水電技術，2018，49（07）：88-93．

作者：徐瑛瑛 單位：南京醫科大學第二附屬醫院