张涛 材料工程硕士，北京市古代建筑研究所

    张涛：材料工程硕士，国家文物保护工程责任设计师，就职于北京市古代建筑研究所从事古建筑科技保护研究工作，主要针对石质文物、油饰彩画、壁画进行科技保护和对古建筑结构安全及病害进行检测、分析。主持了多项全国重点文物保护单位的修缮设计工作。在课题研究方面，主持了《北京古建筑宫殿群院墙外立面颜色“宫墙红”色标研究》课题研究。作为技术骨干承担过大量课题研究：其中国家级课题1项；省部级课题3项；北京市文物局课题4项。参与标准编写行业标准1项，地方标准2项。发表专业论文10余篇。

   本文介绍了木结构古建筑的发展历程、木构件的腐蚀机理和木构件的无 （ 微 ） 损检测技术等。木材作为中国古建筑主要受力构件，早在六千年前就已被人类使用，木质古建筑具有重要的意义和价值。木构件的腐蚀与环境有关，根据腐蚀机理提出了相应的无 （ 微 ） 损检测方法。

    中国古代建筑以其历史悠久、技术精湛、装修华丽而闻名于世，是世界建筑宝库中的重要组成之一，其木结构明显区别于西方以砖石结构为主的建筑体系，是中国古建筑的核心和重要组成部分。木结构古建筑中木构件是其结构骨架，它的安全稳定与否直接关系到建筑的整体安全，而木材作为一种生物材料， 本身易腐、 易蛀的特性 （图一） ，又使其难以避免各种自然的和人为因素的损害，因此前期木构件腐蚀状况勘查及木结构安全性能分析成为了古建筑保护必不可少的重要环节。通过木构件腐蚀状况的探测，可直接为修缮设计服务，也为古建筑木结构健康档案建立提供依据。鉴于古建筑木结构的历史意义和现实价值，对木构件进行腐蚀勘查，最重要的原则是不能对所勘测的构件造成损伤 （ 极小以至可忽略不计的除外 ），即要做到无损 （ 或微损 ）。

    木结构古建筑的发展历程

    中国建筑与中国文明同样古老。中国建筑是世界上历史最长、生命最久、散布区域最广的建筑。现在发现最早的木构架建筑遗址是浙江余姚河姆渡遗址干栏式建筑的遗存，至今已有 6000 多年的历史；西安半坡遗址的木骨泥墙建筑距今约 5000 多年的历史。在河南安阳的殷墟考古时发现了大规模的木构宫室和陵寝，可见从殷商时期（公元前1400-1100 年）起就初步形成了中国特有的木构架体系和建筑风格。在其后的3000 多年中，在经历漫长的封建社会几十个朝代的更替，不断遭受外来的军事、文化和精神侵犯，引用古建筑史创始人梁思成先生的一段话“中国木构体系竟能在如此广袤的地域和长达四千年的时间中长存不败，且至今还在应用而不易其基本特征，这一现象，只有中华文明的延续性可以与之相提并论。因为，中国建筑本来就是这一文明的一个不可分离的组成部分。”这句话明确地讲到了文化、建筑及木结构的关系。

    木结构建筑是我国古代建筑的主流。木结构是全部或大部分用木材制成的工程结构，单纯由木材或主要由木材承受荷载。

    从地域分布上，我国各地的木结构古建筑由于自然地理气候环境的影响呈现出明显的地区差异，大致有南方和北方之分。北方地区出于防寒保温的目的，建筑的特点主要表现在墙体较厚、屋顶有保温层、椽檩枋用料较粗大、建筑外观厚重等方面。北京地区的木结构建筑属于北方地区建筑的典型代表，明清时期的官式建筑正是在此基础上制度化而形成。

    我国木结构古建筑基本结构体系有抬梁式和穿斗式两种。两种形式都是用立柱排列成平面柱网形成框架承托屋顶。北京地区的木结构古建筑一般采用抬梁式结构。

    抬梁式结构，又称梁柱式结构，即台上立柱，柱上支梁，梁上架梁，层层递减，形成人字形的屋架，梁头承檩，檩上架椽，各构件之间以榫卯连接，通过椽、檩、梁、柱等承重构件，将屋面荷载层层传递至建筑基础。整个结构中，只有梁柱等承重构件构成的框架承受荷载，这些承重构件被称为“大木作”。而墙体、门窗等围护结构不承重。

图一：木构件腐蚀

图二：阻力仪(Resistograph)进行的线探测

图三：应力波扫描仪Fakopp进行的面探测

    古建筑木构件的腐蚀机理

    1、酸性水解

    古建筑木构件的主要成分是纤维素，而酸性水解降解是纤维素的主要化学老化反应形式。此类降解反应是典型的多相反应。

    每个纤维素大分子根据聚合度不同，含有的羟基数目也各不相同，聚合度越大，所含有的羟基数目越大。纤维素的结构单元 D- 葡萄糖基含有三个羟基，羟基是亲水性基团，它决定了纤维素的吸湿润胀特性。而且木材的多孔特性也使其具有很强的表面吸附能力。除了吸附水汽外，它还会吸附空气中的SO 2 、 NO 2 等酸性气体， 降低体系的pH值，形成弱酸性水介质环境。纤维素可在弱酸性水介质环境下发生酸性水解降解，而引起木材的化学老化。

    纤维素是含有极性基团的高分子物质，它的 1,4- 苷键是缩醛键，对酸特别敏感，在适当的氢离子浓度、温度和时间作用下，糖苷键断裂、聚合度下降、还原能力提高，这种反应称为纤维素的酸性水解。部分水解后的纤维素称为水解纤维素。纤维素完全水解则生成葡萄糖。

    除了纤维素可以发生酸性水解外，木材中其它含有 C-O、C-N 等杂链的聚合物，在一定的水、温度和时间作用下，也易发生水解作用。

    2、微生物降解

    微生物通过它的代谢活动在环境中所表现出的主要化学作用有以下类型：氧化作用、还原作用、脱羧作用、脱氨基作用、 水解作用、 脱水作用、 酯化作用、缩合作用、氧化反应及乙酰化反应等。微生物的这些化学作用，都是微生物在新陈代谢中表现出来的，它的实质是酶的反应。

    由于木材本身具有适合菌类繁殖的各种物质条件，因此能分解木材的微生物有很多，以真菌为例，在适当的温度、湿度、日光和空气条件下，木材容易受到真菌的侵害而腐朽，其种类大致可分成三大类 : 木腐菌、着色菌和霉菌。

    木腐菌可分为白腐菌和褐腐菌。白腐菌主要破坏细胞中的木质素或改变木质素的性质，对纤维素的影响不大。褐腐菌主要破坏纤维素和半纤维素，使木材外观呈红褐色，质脆，易成粉末状。总之，木腐菌会改变所寄生木材的物理和化学性质，主要的变化是木材颜色、气味的改变和比重、强度的显著降低。

    着色菌可侵染木材使其变色。由于菌丝的颜色及其分泌的色素与木材的不同，而改变木材的颜色。对木材的力学性能影响并不大。但是，如果在木材表面发现着色菌时，就表明该木材存在适合于木腐菌滋生的物理环境。

    霉菌可在木材表面发生，产生棉花状生长物，其颜色为白色、淡褐色及黑色。霉菌的发生和传播需要适当的温度和较高的湿度。生霉的主要影响是使木材外观恶化，它只是导致木材表面变色，对其强度并无影响。而且木材表面生长的霉菌可以刷除。

    古建筑木构件无损检测技术概述

    古建筑木构件的无损检测，目前主要表现为对内部缺陷的检测和物理力学性能的判定，其中在现场勘查中又以内部缺陷检测最为重要。在无损检测技术发展早期，由于仪器设备和勘查条件的缺乏，利用手工传统方法在目测、敲击辨声的基础上依靠研究人员经验定性判定木构件的材质状况是当时主要的方法，这种方法操作简单但存在一定的人为误差且无法适应大径级构件的检测。随着科技的发展、古建筑木构件无损检测对精度要求的提高，检测手段从定性判定逐渐转变为利用科学仪器进行定量检测，检测技术也从表层探测逐渐过渡到深层分析。纵观其发展历程，大致经历了以下 3 个阶段，第一是使用皮罗钉 （Pilodyn） 等进行的点探测，皮罗钉因其使用方便曾是国内普遍使用的一种木材腐朽的检测仪器，但其往往用于构件的浅层检测；第二为使用阻力仪（Resistograph） 等进行的线探测（图二），阻力仪是目前为止古建筑木构件中最精确的线探测设备，其多点探测可以形成面及空间图像；第三为使用应力波扫描仪 （Impulse Tomograph ） 和 Fakopp 等进行的面探测（图三），把该类探测归为面探测主要是因为面与面之间连接是通过算法进行而不是非常精确的立体图像。以上探测技术中，阻力仪和皮罗钉主要是利用探针进入木构件内部通过木构件密度反映木构件状况；应力波和Fakopp 主要是通过波的传播速度来反映木构件材质状况。但任何一项科学仪器都不是万能的，有优势也必然有短处。比如，对于应力波扫描仪而言，可以直观显示木构件内部缺陷，但无法准确区分空洞和腐朽，而利用阻力仪的补充探测则可迅速区分应力波无法反映的空洞和腐朽；对于阻力仪而言，可以直观地在单路径上显示缺陷，但由单路径缺陷生成断面缺陷存在一定误差。所以在现场检测时应尽可能采用多种仪器的结合使用方式进行检测。

    综上所述，在古建筑修缮修复工作中，前期木构件无 （ 微 ） 损检测是必不可少的重要环节，快速准确地判定木构件的腐蚀程度及病害成因，为修缮设计提供依据，同时也为古建筑健康档案的建立提供基础数据，是木结构古建筑实现科学系统保护的基本前提。