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【转】打牮(jiàn)拨正——木架构古建筑纠偏工艺的传承与发展

来源:中国建筑加固改造与病害处理网 浏览:310次 发布日期: 2018-10-08 11:57

 

何为“打牮拨正”工艺?


木构架古建筑是人类宝贵的文化遗产,具有重要的文物保护和科学研究价值。从新石器时期的干栏式木屋到明清时期的宏伟殿堂,中国的木构架建筑在几千年的发展历程中形成了完善的结构体系和独特的建筑风格。


中国传统木构架建筑大多采用横向梁柱结构为承重构架,在每两个构架之间用檩、椽连成整体,构件之间的连接采用榫卯结合。由于榫卯节点为非整体性连接,木构架建筑的抗变形刚度较弱,在地震、强风或地基沉陷的作用下易发生节点松脱和构架歪闪。中国现存的木构架古建筑,大都存在不同程度的歪闪变形;对歪闪变形的木构架进行纠偏加固,是我国今后一段时期古建筑修缮加固的重点工作。



按照《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB50165-92),木构架的整体修缮与纠偏加固工程,可根据其残损程度分别采用下列工艺方法:(1)落架大修:全部或局部拆落木构架,修整、更换残损严重的构件,再重新安装,并在安装时进行整体加固。(2)打牮拨正:在不拆落木构架的情况下,使倾斜、扭转、拔榫的构架复位,再进行整体加固;同时对个别残损严重的构件进行更换或采取其他修补加固措施。(3)修整加固:在不揭除瓦顶和不拆动构架的情况下,直接对木构架的主要承重构件进行修整加固、补强或更换。


由于“落架大修”需要拆卸木构架,将损失较多的历史文物信息、占用较大的构件存放场地,仅适用于少量濒临损毁的古建筑;“修整加固”也仅适用于木构架变形较小、构件位移不大的维修工程;而“打牮拨正”可较多地保存古建筑的历史信息,又能基本解除木结构存在的隐患,是变形木构架纠偏加固优选的传统工艺方法。


自新中国成立以来,随着经济建设和社会文明的发展,大量的中国古建筑得到了整体修缮。“打牮拨正”工艺方法被广泛地用于重点建筑遗产的纠偏加固工程中,并取得了较好的效果。根据文献统计,在中国木构架古建筑保存量最多的山西省,于1949年~2005年期间,共完成了200多项古建筑修缮加固工程;其中,“落架大修”工程约20项,占全部工程的10%;“打牮拨正”工程约140项,占全部工程的70%。


经过长期的工程实践经验的积累,“打牮拨正”工艺方法已形成了一套较为合理的施工程序和技术控制要求,目前依然广泛地运用于木构架古建筑的修缮工程中。为了适应科学技术发展和文物保护的要求,应在归纳工程经验的基础上,加强对木构架纠偏工艺的工作机理研究,提出传统工艺的改进和优化方法。传统木构架“打牮拨正”工艺方法的科学提升,关键在于研制新型适用的机械化装置,引入现代测试技术和数值模拟技术,以进一步提高工艺的有效性和结构的安全性。


 

 “打牮拨正”的整体复位工艺


传统的“打牮拨正”通常包含两项基本工艺(图1):其一是“打牮”,是用“牮杆”(杠杆或千斤顶)抬起下沉的构件或支顶倾斜的构件,使其复位;其二是“拨正”,是用“拉索”(手动起重葫芦或花篮螺栓拉索)牵引倾斜、脱榫的构件,使其复位。对变形木构架进行整体纠偏加固时,“打牮”和“拨正”两项工艺可综合运用,按照完整的工艺进行设计。


图1 传统“打牮拨正”工艺示意图

 

对整体变形木构架的“打牮拨正”,可根据纠偏复位力系的布置和不同机械装置的运用,采用“水平顶推复位”、“水平张拉复位”、“顶推-张拉复位”、“顶升-撑拉复位”等工艺方法。



“水平顶推复位”工艺


“水平顶推复位”工艺,是在木构架的倾斜一侧设置具有一定刚度的支撑刚架,作为复位装置的支座或反力架(如图2所示);采用千斤顶作为顶推装置,布置在木构架的柱顶部位;通过对柱顶施加水平推力,使整个构架恢复到正确的位置。

图2 “水平顶推复位”工艺示意图


该工艺的复位力系简捷、工序简单,便于控制木构架的复位效果;但对支撑刚架的刚度和布置空间有较高的要求,通常适用于单层古建筑、且木构架倾斜一侧有较大的空间场地的情况。

 

“水平张拉复位”工艺


 “水平张拉复位”工艺的原理与“水平顶推复位”工艺基本相同,但施加的复位力为水平拉力;张拉装置通常采用钢丝绳拉索,一端固定于柱顶,另一端安置在木构架需复位一侧的加载刚架上;通过对柱顶施加水平拉力,使整个构架恢复到正确的位置(图3)。


图3 “水平张拉复位”工艺示意图


考虑到变形木构架的节点松弛,宜将张拉力系的作用点布置在木构架倾斜一侧的柱顶上(如图3中B轴的柱顶);以带动整个构架复位。

 

由于张拉力系的传递不受拉索长度的限制,其加载刚架不必紧贴着木构架布置,该工艺对有较大基座或外廊构架的古建筑较为适用。工程上通常利用施工脚手架兼作加载刚架,并采用斜拉索增加其刚度和稳定性,这对于两层或多层木构架古建筑更具实用性。

 

对于单层或体型较小的古建筑,也可将张拉钢索倾斜布置(如图1b所示),以简易的张拉装置代替较为复杂的加载刚架。

 

“顶推-张拉复位”工艺


木构架古建筑的结构为梁柱排架体系,易发生整体倾斜,且构件之间具有一定的牵连作用;将顶推装置与张拉装置综合运用,成对地布置在倾斜柱架之间,对两侧的柱子同时施加复位力系,可获得较为显著的复位效果。

 

某种“顶推-张拉复位”组合装置的示意图如图4所示,该装置由花篮螺栓拉索、千斤顶撑杆、节点套箍和钢板箍组成。花篮螺栓拉索安装在柱间的两侧,千斤顶撑杆沿柱间轴线布置;其中,花篮螺栓拉索用于张拉向外倾斜的柱子,千斤顶撑杆用于支顶向内倾斜的柱子。节点套箍用于连接千斤顶撑杆和花篮螺栓拉索,并防止木柱节点受力部位损坏。钢板箍安装在柱脚与地栿之间,用于固定柱底,保证柱顶有效复位。


图4  “顶推-张拉复位”装置


由于“顶推-张拉复位”装置可以布置在柱架之间,因此“顶推-张拉复位”工艺具有在建筑物内部实施复位的优点;其施工作业不受建筑物外部场地的制约,且可以对多层木构架建筑进行逐层复位施工。但需要注意的是,“顶推-张拉复位”装置以柱脚作为固定点施加复位力,应采取有效的措施保证柱脚部位及其下部结构的稳定和安全。

 

“顶升-撑拉复位”工艺


对于具有大型屋盖体系的古建筑或多层楼阁式古建筑,作用在倾斜柱架上的竖向荷重较大,施工时施加在柱架上的复位力也相应地增大,且易使柱架节点部位的损伤加剧。“顶升-撑拉复位”工艺是利用施工中的满堂脚手架作为支座,在其上安装“顶升-撑拉”复位装置,通过竖向顶升装置支承全部或部分上部结构传递给柱架的荷重,以减少水平顶推或张拉装置施加的水平复位力,减轻柱架节点的局部应力。

 

用于“顶升-撑拉复位”工艺的复位-安保多功能支架示意图如图5所示,其支架采用单体刚架和工作台板组装,可根据建筑物的空间位置和复位要求灵活布置,形成稳定的施工平台和安全支撑;复位装置由竖向千斤顶、水平撑-拉杆和水平滚轴导向板组合而成,安装在工作台板上,能有效地提供木构架复位所需的竖向和水平作用力,实现复位施工的精确控制。


图5 复位-安保支架立面示意图


施工时,先用竖向千斤顶(编号3)支顶柱头上的梁(编号8);然后,用水平撑-拉杆(编号5)对倾斜的柱子(编号7)实施复位操作。由于竖向千斤顶安置在局部安全支架内(编号4),支顶操作时不会倾覆;且在局部安全支架和工作台板(编号2)之间安装了水平滚轴导向板,能显著地减少复位摩阻力,便于柱架复位。柔性材料(编号6)用于包裹梁的顶升部位,以减轻顶升力对木材的局部损伤。

 

“顶升-撑拉复位”工艺具有在建筑物内部实施复位的优点,适用于大型单层木构架古建筑的复位和修缮工程。对于多层木构架古建筑,宜根据楼层变形情况自下而上逐层复位,并应在下层木构架复位稳定之后再继续施工。




《打牮拨正:木构架古建筑纠偏工艺的传承与发展》

作者:袁建力,杨韵

责编:惠雪,沈旭

北京:科学出版社,2017.4

ISBN:978-7-03-052414-0


中国木构架古建筑是世界建筑遗产的重要组成部分,具有宝贵的历史、艺术和科学研究价值。《打牮拨正:木构架古建筑纠偏工艺的传承与发展》结合文物保护和现代科学技术发展的需要,基于科学研究和工程实践成果,对木构架古建筑的传统纠偏工艺进行了系统的理论归纳和应用拓展。


全书由7章组成,在分析木构架古建筑构造与变形特征的基础上,介绍结构可靠性鉴定和构架纠偏的基本方法;以“打牮拨正”工艺为重点,论述木构架纠偏工艺的基本程序和技术要领,并给出应用实例;以“整体构架有效复位且构件应力增量最小”为目标,介绍木构架纠偏工艺的模型试验、计算机模拟和方案优选的方法;针对复位效率和施工安全性的要求,提供木构架纠偏新型装置的专利成果。书中论述的木构架古建筑纠偏工艺的基本理论和应用方法,遵循了文物保护和结构安全的原则,体现了传统工艺和现代科技的兼容性,可推广至砖木古建筑以及传统木构架民居建筑的保护性研究和修缮加固工程。

 

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