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，國家文物保護工程責任設(shè)計師，就職于北京市古代建筑研究所從事古建筑科技保護研究工作，主要針對石質(zhì)文物、油飾彩畫、壁畫進行科技保護和對古建筑結(jié)構(gòu)安全及病害進行檢測、分析。主持了多項全國重點文物保護單位的修繕設(shè)計工作。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”色標研究》課題研究。作為技術(shù)骨干承擔過大量課題研究：其中國家級課題1項；省部級課題3項；北京市文物局課題4項。參與標準編寫行業(yè)標準1項，地方標準2項。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)件的腐蝕機理和木構(gòu)件的無 （ 微 ） 損檢測技術(shù)等。木材作為中國古建筑主要受力構(gòu)件，早在六千年前就已被人類使用，木質(zhì)古建筑具有重要的意義和價值。木構(gòu)件的腐蝕與環(huán)境有關(guān)，根據(jù)腐蝕機理提出了相應(yīng)的無 （ 微 ） 損檢測方法。

    中國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必不可少的重要環(huán)節(jié)。通過木構(gòu)件腐蝕狀況的探測，可直接為修繕設(shè)計服務(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)實價值，對木構(gòu)件進行腐蝕勘查，最重要的原則是不能對所勘測的構(gòu)件造成損傷 （ 極小以至可忽略不計的除外 ），即要做到無損 （ 或微損 ）。

    木結(jié)構(gòu)古建筑的發(fā)展歷程

    中國建筑與中國文明同樣古老。中國建筑是世界上歷史最長、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。在河南安陽的殷墟考古時發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的木構(gòu)宮室和陵寢，可見從殷商時期（公元前1400-1100 年）起就初步形成了中國特有的木構(gòu)架體系和建筑風格。在其后的3000 多年中，在經(jīng)歷漫長的封建社會幾十個朝代的更替，不斷遭受外來的軍事、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“中國木構(gòu)體系竟能在如此廣袤的地域和長達四千年的時間中長存不敗，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。因為，中國建筑本來就是這一文明的一個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，明清時期的官式建筑正是在此基礎(chǔ)上制度化而形成。

    我國木結(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、門窗等圍護結(jié)構(gòu)不承重。

圖一：木構(gòu)件腐蝕

圖二：阻力儀(Resistograph)進行的線探測

圖三：應(yīng)力波掃描儀Fakopp進行的面探測

    古建筑木構(gòu)件的腐蝕機理

    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老化反應(yīng)形式。此類降解反應(yīng)是典型的多相反應(yīng)。

    每個纖維素大分子根據(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- 葡萄糖基含有三個羥基，羥基是親水性基團，它決定了纖維素的吸濕潤脹特性。而且木材的多孔特性也使其具有很強的表面吸附能力。除了吸附水汽外，它還會吸附空氣中的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，而引起木材的化學老化。

    纖維素是含有極性基團的高分子物質(zhì)，它的 1,4- 苷鍵是縮醛鍵，對酸特別敏感，在適當?shù)臍潆x子濃度、溫度和時間作用下，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、溫度和時間作用下，也易發(fā)生水解作用。

    2、微生物降解

    微生物通過它的代謝活動在環(huán)境中所表現(xiàn)出的主要化學作用有以下類型：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。微生物的這些化學作用，都是微生物在新陳代謝中表現(xiàn)出來的，它的實質(zhì)是酶的反應(yīng)。

    由于木材本身具有適合菌類繁殖的各種物質(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?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，其種類大致可分成三大類 : 木腐菌、著色菌和霉菌。

    木腐菌可分為白腐菌和褐腐菌。白腐菌主要破壞細胞中的木質(zhì)素或改變木質(zhì)素的性質(zhì)，對纖維素的影響不大。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，木腐菌會改變所寄生木材的物理和化學性質(zhì)，主要的變化是木材顏色、氣味的改變和比重、強度的顯著降低。

    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。對木材的力學性能影響并不大。但是，如果在木材表面發(fā)現(xiàn)著色菌時，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?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，對其強度并無影響。而且木材表面生長的霉菌可以刷除。

    古建筑木構(gòu)件無損檢測技術(shù)概述

    古建筑木構(gòu)件的無損檢測，目前主要表現(xiàn)為對內(nèi)部缺陷的檢測和物理力學性能的判定，其中在現(xiàn)場勘查中又以內(nèi)部缺陷檢測最為重要。在無損檢測技術(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、敲擊辨聲的基礎(chǔ)上依靠研究人員經(jīng)驗定性判定木構(gòu)件的材質(zhì)狀況是當時主要的方法，這種方法操作簡單但存在一定的人為誤差且無法適應(yīng)大徑級構(gòu)件的檢測。隨著科技的發(fā)展、古建筑木構(gòu)件無損檢測對精度要求的提高，檢測手段從定性判定逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔每茖W儀器進行定量檢測，檢測技術(shù)也從表層探測逐漸過渡到深層分析。縱觀其發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下 3 個階段，第一是使用皮羅釘 （Pilodyn） 等進行的點探測，皮羅釘因其使用方便曾是國內(nèi)普遍使用的一種木材腐朽的檢測儀器，但其往往用于構(gòu)件的淺層檢測；第二為使用阻力儀（Resistograph） 等進行的線探測（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設(shè)備，其多點探測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 等進行的面探測（圖三），把該類探測歸為面探測主要是因為面與面之間連接是通過算法進行而不是非常精確的立體圖像。以上探測技術(shù)中，阻力儀和皮羅釘主要是利用探針進入木構(gòu)件內(nèi)部通過木構(gòu)件密度反映木構(gòu)件狀況；應(yīng)力波和Fakopp 主要是通過波的傳播速度來反映木構(gòu)件材質(zhì)狀況。但任何一項科學儀器都不是萬能的，有優(yōu)勢也必然有短處。比如，對于應(yīng)力波掃描儀而言，可以直觀顯示木構(gòu)件內(nèi)部缺陷，但無法準確區(qū)分空洞和腐朽，而利用阻力儀的補充探測則可迅速區(qū)分應(yīng)力波無法反映的空洞和腐朽；對于阻力儀而言，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)場檢測時應(yīng)盡可能采用多種儀器的結(jié)合使用方式進行檢測。

    綜上所述，在古建筑修繕修復(fù)工作中，前期木構(gòu)件無 （ 微 ） 損檢測是必不可少的重要環(huán)節(jié)，快速準確地判定木構(gòu)件的腐蝕程度及病害成因，為修繕設(shè)計提供依據(jù)，同時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)古建筑實現(xiàn)科學系統(tǒng)保護的基本前提。