古建筑磚石結(jié)構(gòu)壽命預(yù)估及保護(hù)
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摘要：古建筑磚石結(jié)構(gòu)是人類最寶貴的文化遺產(chǎn)之一，數(shù)千年記之，以一貫之，成就輝煌。在古建筑磚石結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)估研究中，對建筑結(jié)構(gòu)整體損傷現(xiàn)狀的研究尤為重要。本文結(jié)合前人的研究，總結(jié)出古建筑磚石結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的主要方法，并且結(jié)合光岳樓整體院墻的殘破現(xiàn)狀和損傷原因，提出對古建筑磚石結(jié)構(gòu)的保護(hù)措施及修繕建議。
關(guān)鍵詞：古建筑；磚石結(jié)構(gòu)；壽命預(yù)估；殘破現(xiàn)狀；光岳樓
古磚石結(jié)構(gòu)建筑是我國古建筑文化遺產(chǎn)的重要組成部分，我國的許多古建筑物例如石塔、拱橋、院墻等古建筑物，均是由磚石結(jié)構(gòu)砌筑而成。對于如何預(yù)測古建筑的壽命，國內(nèi)外學(xué)者們經(jīng)過長期的探索和實(shí)踐，在理論方法方面取得了豐碩的成果。從國內(nèi)外大量文獻(xiàn)來看，對于古建筑壽命預(yù)估主要集中在對于木構(gòu)古建筑的預(yù)測，但是關(guān)于磚石結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測是少之又少，古建筑磚石結(jié)構(gòu)的研究主要集中在保護(hù)與加固等方面，現(xiàn)有的壽命預(yù)測方法以動態(tài)預(yù)測方法為主[1]。
1光岳樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
光岳樓結(jié)構(gòu)上由樓基和4層主樓組成，其總高度33米，臺高9米，樓高24米，底座邊長35.16米，占地1232平方米。主要構(gòu)造是具有傳統(tǒng)形式的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，四面由飛檐斗拱組成，外側(cè)設(shè)有圍廊。樓基由磚石砌筑而成，四個(gè)方向設(shè)有半圓拱門，高臺中心是交叉的十字形拱。光岳樓的建筑形式不僅保存了宋元時(shí)期的建筑風(fēng)格，又與和它同時(shí)建造的明初古建筑有較多相似之處。結(jié)構(gòu)上承襲了唐宋時(shí)期的傳統(tǒng)建筑的建造規(guī)則，它是由宋元時(shí)期向明清時(shí)期過渡的代表性建筑，是我國現(xiàn)存的明代時(shí)期的最古老最高的一座樓宇[2]。
2古建筑磚石結(jié)構(gòu)殘破現(xiàn)狀分析———以光岳樓為例
光岳樓歷經(jīng)滄桑，雖然歷年以來均有修繕，但是仍有磚石砌筑的部位年久失修，自然因素以及人為因素導(dǎo)致?lián)p壞嚴(yán)重，造成了嚴(yán)重的安全隱患。通過對光岳樓實(shí)地調(diào)研，整理得光岳樓典型的殘破現(xiàn)狀見表1。
2.1院墻的殘破現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為墻體表面出現(xiàn)風(fēng)化酥堿與裂縫鼓起現(xiàn)象，光岳樓部分墻體后經(jīng)過使用石灰砂漿抹面維護(hù)，由于風(fēng)化、濕度等自然因素的影響導(dǎo)致石灰砂漿仍出現(xiàn)鼓起開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重部位甚至出現(xiàn)了石灰砂漿脫落的現(xiàn)象。
2.2院內(nèi)卡子墻經(jīng)維護(hù)后保存較完好，但在卡子墻頂部出現(xiàn)裂縫，由于雨水作用，特別是酸雨，裸露在外面的墻體受腐蝕，并且雨后卡子墻所處環(huán)境潮濕，水汽通過裂縫進(jìn)入卡子墻內(nèi)部，對磚石材料造成了一定的腐蝕，導(dǎo)致墻頂部出現(xiàn)了不同程度的墻體剝落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響墻體承載能力。
2.3位于木構(gòu)柱下方的支撐結(jié)構(gòu)的柱頂石出現(xiàn)嚴(yán)重開裂，部分柱頂石裂縫寬度為5mm，并且由于柱頂石外側(cè)無保護(hù)層，磚石裸露在外面，由于年代久遠(yuǎn)且未能及時(shí)修繕。加上人為因素的損傷破壞，使得柱頂石出現(xiàn)多處裂縫，甚至部分出現(xiàn)石塊脫落的現(xiàn)象。
2.4光岳樓室內(nèi)墻體損壞較輕處出現(xiàn)灰縫脫落，風(fēng)化酥堿現(xiàn)象，主要原因是在于磚石墻體自身材料性能的缺陷，經(jīng)歲月的洗刷都會出現(xiàn)損壞。嚴(yán)重部位的墻體出現(xiàn)墻體通縫，已經(jīng)無法保證其墻體的使用功能，雖經(jīng)后期人工的修護(hù)，目前仍能繼續(xù)使用。殘破現(xiàn)象如圖1所示。
3磚石結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測方法
3.1磚石結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的主要方法-動態(tài)預(yù)測法
磚石結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)估應(yīng)該和壽命終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)以及磚石結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷速度相關(guān)聯(lián)。對于磚石構(gòu)件，測定其損傷速度是進(jìn)行壽命預(yù)估的關(guān)鍵一步，但是損傷速度的預(yù)估方法必須考慮時(shí)間因素的影響。在文獻(xiàn)[1]中主要介紹磚石結(jié)構(gòu)的動態(tài)預(yù)測法，對于預(yù)測構(gòu)件的損傷速度原理做出了說明，在某一時(shí)間T時(shí)，對磚石構(gòu)件進(jìn)行壽命的單一因素的狀態(tài)檢測，結(jié)果記為η1,再經(jīng)過時(shí)間t后，再使用與前一檢測方法檢測該因素的狀態(tài)，記為η2，則得出該因素的損傷速度為：式中：η1：單一因素狀態(tài)下壽命檢測結(jié)果；η2：經(jīng)過時(shí)間t后該因素狀態(tài)下的壽命檢測結(jié)果；VS：該因素狀態(tài)下的損傷速度。再根據(jù)目前對壽命終結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，記為ηγ,因此，得到磚石結(jié)構(gòu)的剩余壽命。式中：ηγ：壽命終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果；Y：磚石結(jié)果剩余壽命。
3.2古建筑的其他壽命預(yù)估方法
3.2.1人工智能算法。近幾年，隨著人工智能的興起，人工智能已經(jīng)應(yīng)用到許多研究中。王井利[3]在研究中結(jié)合人工蜂群的算法的全局尋優(yōu)能力以及Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性擬合能力，建立了對古建筑的壽命預(yù)估的模型。在此研究中，根據(jù)某歷史古建筑的構(gòu)建作為測試數(shù)據(jù)，對該古建筑物的實(shí)際檢測，建筑物的各個(gè)構(gòu)件都有不同程度的損壞。然后經(jīng)過測試計(jì)算得到古建筑物的剩余壽命。張廣斌[4]則以徽派古建筑為研究對象，在研究中針對基本的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在著訓(xùn)練速度慢，容易陷入局部極小值的特點(diǎn)，對基本的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了學(xué)習(xí)速度，并且改進(jìn)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能在全局范圍內(nèi)尋找最優(yōu)解，此方法最后結(jié)果表明能夠準(zhǔn)確地?cái)M合訓(xùn)練值并且能夠進(jìn)行有效的預(yù)估，能夠得到較好的應(yīng)用。
3.2.2非線性偏最小二乘法。在對古建筑壽命預(yù)估時(shí)，會存在觀測數(shù)據(jù)缺失的情況，并且影響古建筑的因素繁多，主要有自然原因下的物理因素、化學(xué)因素，并且自然原因影響古建筑的過程錯(cuò)綜復(fù)雜，自然原因下的因素間也可能存在非線性相關(guān)?；谶@幾種原因，路楊[5]給出一種基于數(shù)據(jù)缺失估計(jì)的PLSS古建筑壽命預(yù)估的方法，以解決更加完整的抽取觀測數(shù)據(jù)的觀測信息，并且將其方法應(yīng)用在古建筑壽命預(yù)估中。文獻(xiàn)中指出其預(yù)測過程：首先，將現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)缺失部分經(jīng)過算法完成缺失的觀測數(shù)據(jù)，再經(jīng)過樣條轉(zhuǎn)換將非線性問題轉(zhuǎn)換為擬線性問題，最后將研究通過仿真與實(shí)驗(yàn)分析得出的結(jié)果證明其方法的有效性，可以應(yīng)用在古建筑壽命預(yù)估的研究中。
3.2.3改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?？茖W(xué)的進(jìn)行預(yù)估古建筑的壽命，通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的可行性，但是標(biāo)準(zhǔn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有訓(xùn)練速度慢，全局能力低的問題。路楊[6]在文獻(xiàn)中對標(biāo)準(zhǔn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)，并且將此方法應(yīng)用到古建筑的壽命預(yù)估中。通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì)，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)以及訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證明此方法對古建筑的壽命預(yù)估是行之有效的，并且改進(jìn)后的模型誤差小、精度大，相比于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以更有效地應(yīng)用在古建筑的壽命預(yù)估中。
4古建筑磚石結(jié)構(gòu)的保護(hù)措施
4.1磚石結(jié)構(gòu)加固技術(shù)
由于地震作用的影響，古建筑物都會出現(xiàn)不同程度的損壞，導(dǎo)致墻體開裂以及剝落的現(xiàn)象。對于出現(xiàn)剝落的墻體可以進(jìn)行補(bǔ)砌，使用水泥砂漿進(jìn)行填充或者采用鋼筋網(wǎng)加水泥砂漿維護(hù)，在磚石結(jié)構(gòu)物表面進(jìn)行整體加固，保證磚石墻體的安全性能。對于后期修繕的磚石墻體出現(xiàn)損壞可以進(jìn)行墻體的加厚，提高提結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。此外，如古城墻上的城樓或者鼓樓均存在高臺基，高臺基是我國古建筑文化遺產(chǎn)的重要組成部分，加強(qiáng)高臺基的抗震可以減少地震作用對古建筑的影響與損壞。
4.2構(gòu)件替換
古建筑物易受物理因素如環(huán)境溫度、濕度以及日照強(qiáng)度的影響所發(fā)生損壞，還有一些生物因素如菌類、苔蘚等微生物附著在墻體或者地面表面，對其產(chǎn)生腐蝕或者破壞。這些因素在長期作用下，會使古建筑物某些易損構(gòu)件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞，對這種已損壞并且不可修復(fù)的古建筑磚石結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行替換，在替換過程中應(yīng)遵循不改變原狀的原則，合理選擇替換的材料，達(dá)到對古建筑物修繕的目的。
4.3基礎(chǔ)托換技術(shù)
為了解決由于地基承載力不足導(dǎo)致古建筑出現(xiàn)的傾覆問題以及新建建筑物對舊建筑物的影響，運(yùn)用基礎(chǔ)托換技術(shù)[7]進(jìn)行古建筑基礎(chǔ)的加固。對于古建筑的基礎(chǔ)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫和基礎(chǔ)底面積不足，導(dǎo)致古建筑的地基承載力不足或者變形過大時(shí)，可采取對古建筑進(jìn)行基礎(chǔ)加寬達(dá)到滿足原基礎(chǔ)的底面積地基承載力的要求。
4.4數(shù)字化保護(hù)技術(shù)
[8]。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外許多科研人員致力于對古建筑數(shù)字化技術(shù)的研究。該技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)技術(shù)手段狹隘的問題，也不需要使用儀器進(jìn)行測繪發(fā)現(xiàn)損壞部位。通過數(shù)字化進(jìn)行模擬，完善古建筑物的整體三維坐標(biāo)信息，在數(shù)字化模型上展現(xiàn)出損傷的構(gòu)件，然后再通過三維建模軟件對原有古建筑按照原比例進(jìn)行模型重建，得出原有構(gòu)件的部位以及材料性能，為后期進(jìn)行修繕提供了可靠的依據(jù)。該技術(shù)也使得現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)文化的有機(jī)結(jié)合，既保證了對古建筑物的修繕，又能遵循保持古建筑原狀的修繕原則。
5結(jié)論
磚石結(jié)構(gòu)作為古建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的部分，是人類歷史文明中的重要組成部分?，F(xiàn)存的古建筑磚石結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了歲月變遷、歷史變更，均出現(xiàn)了不同程度的損傷破壞，通過對光岳樓殘破現(xiàn)狀的研究分析發(fā)現(xiàn)，由于磚石結(jié)構(gòu)自重大，材料易受自然因素與人為因素的影響，出現(xiàn)墻體風(fēng)化酥堿、脫落等問題。因此，通過對古建筑磚石結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的研究，總結(jié)出結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)估準(zhǔn)確合理的方法，以達(dá)到對古建筑磚石結(jié)構(gòu)防護(hù)的意義。
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作者：郭慶龍 趙慶雙 單位：聊城大學(xué)