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            行業(yè)資訊

            古建筑木屋架修復碳纖維加

            發(fā)布日期:2022/1/27 19:39:30 來源:

            木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑是我國珍貴的歷史文化遺產(chǎn),而隨著時代的變遷,一些木質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);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(qū)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(xù)歷史文脈,保護我國優(yōu)秀的文化遺產(chǎn),為現(xiàn)代人提供睹物思人的物質(zhì)載體,承載著現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式為輕型磚木結(jié)構(gòu),屋架部分為全木框架結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(gòu)成。筆者經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),第四榀木屋架局部曾有過較大的加固改造(見圖1)。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)性能。而情況最為嚴重的為第三榀屋架,該木屋架上弦側(cè)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(xiàn)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(cè)面有5mm×2300mm×11mm的干縮裂縫,微扭,表層輕微腐朽,有輕微蟲蛀現(xiàn)象,節(jié)點處有很多細小裂縫。木屋架與砌體結(jié)構(gòu)支座處木材含水率較高,有輕微腐蝕現(xiàn)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(jié)構(gòu)加固概述

            木結(jié)構(gòu)是我國傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式,在古代社會,工業(yè)文明不夠發(fā)達、機械化生產(chǎn)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(zhì)生產(chǎn)資源豐富,各種樹種的木構(gòu)件也登上了歷史的舞臺。隨著歷史的不斷演進,木結(jié)構(gòu)建筑的工藝水平也不斷發(fā)展,尤其是一些近代的歷史古建筑,外觀雄渾壯麗,內(nèi)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(xiàn)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(huán)境質(zhì)量下降,很多木結(jié)構(gòu)古建筑都出現(xiàn)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(gòu)件荷載能力的改變,甚至影響其特有的建筑結(jié)構(gòu)安全。因此,對木結(jié)構(gòu)古建筑的加固及修繕的意義重大。傳統(tǒng)的加固及修復木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)的原始結(jié)構(gòu)形式,讓這些木結(jié)構(gòu)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(gòu)件易腐蝕,加重了結(jié)構(gòu)承載力,并不是一種最優(yōu)的加固方案。

            3.2碳纖維加固技術的優(yōu)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(jié)合而成,其最早被用于航空航天領域。相對于傳統(tǒng)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(zhì)量更輕、強度更高,在保證加固質(zhì)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(wěn)定的分子結(jié)構(gòu),可以對抗自然環(huán)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(fā)現(xiàn),將碳纖維材料粘貼于木梁底部,可緩解木梁在受拉時所發(fā)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(yōu)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(zhì)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?shù)碾y度。

            3.3碳纖維加固技術的施工工藝

            優(yōu)秀的施工工藝是建筑結(jié)構(gòu)安全的關鍵,只有做到專業(yè)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(yǎng),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(zhì)量,充分關注細節(jié),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(yè)的檢測,筆者發(fā)現(xiàn)在此次待加固的木屋架中,主要存在的問題表現(xiàn)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(jīng)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(fā)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(jù)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(gòu)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(jié)構(gòu)膠與木料、碳纖維布的充分接觸,應盡可能地讓碳纖維結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yǎng)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(jīng)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(jīng)過加固改造后的木屋架不僅滿足了現(xiàn)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(nèi)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(diào)風管和裝飾鋁板的重量,又能拉結(jié)消防的噴淋管道。經(jīng)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(zhuǎn)換層,這樣,該屋架的荷載達80kg/m2,能滿足吊裝空調(diào)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(nèi)部卻是現(xiàn)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(jīng)濟效益。同時,該會議室多次轉(zhuǎn)播醫(yī)院手術室的現(xiàn)場視頻,為醫(yī)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(zhì)固件的加固而言,不需要現(xiàn)場涂刷防銹漆等涂料,對環(huán)境的污染。幌鄬τ诨炷恋募庸潭,現(xiàn)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(yōu)勢,與傳統(tǒng)的加固方法相比,碳纖維加固技術安全可靠、綠色環(huán)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(jié)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(nèi)涵品質(zhì)、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(nèi)涵,是多元文化的物質(zhì)基礎。現(xiàn)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(xiàn)代社會圖2 裝修改造后的大禮堂現(xiàn)場圖(圖片來源:作者自攝)的使用功能,實現(xiàn)客觀的經(jīng)濟價值,又能有效保護不同地區(qū)的各類文物,實現(xiàn)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(fā)展的要義,F(xiàn)代文明若在發(fā)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(jié)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(xiàn)代人的精神需求,讓人們記得住歷史、忘不了鄉(xiāng)愁,這樣的城市之美才會更豐滿、更立體、更多元。

            本文標題:古建筑木屋架修復碳纖維加

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