以碳纤维布在加固传统木结构方面的实际应用为例,探讨在古建筑保护中新材料新技术的运用

摘要：我国古代建筑主要采用木构架结构，轻巧美观，抗震性强，但由于木材在抗腐、防火上的局限，加之年代久远，现存的古建筑大多破损严重，亟待修缮。随着科技的发展，越来越多的新材料新技术运用于古建筑保护，在一定程度上给古建筑保护带来了便捷。碳纤维布加固技术是加固修复木结构的一条有效途径,能取得优良的加固与外观效果。本文通过这项技术在安徽省文物保护单位太白楼修缮过程中的引用实例，指出新材料新技术在古建筑保护中的运用前景。

关键词：碳纤维布加固技术新技术

古建筑对于现代人来说，是美丽的风景、文化的传承、历史的积淀，是我国悠久历史的实物例证。中国古建筑数千年来一直以独特纯粹的木构系统，树立文化标志，形成了不同于其他国家民族的建筑风格。不同时代的建筑，深深地打上了不同时代的烙印，反映出自己所属的时代特征，包括建筑风格，文化取值，道德风向，心理影响等。中国古建筑文化是中华民族优秀的文化遗产，具有明显的稀缺性和不可再生性，做好继承和保护工作势在必行、刻不容缓。

1.古建筑修缮原则

我国从20世纪30年代以来，已逐步意识到古建筑保护的重要性，总结了符合中国实际情况的修缮原则。1961年中华人民共和国国务院公布的《文物保护管理暂行条例》中明确规定：在古建筑及历史纪念建筑物、石窟寺等（包括建筑物的附属物）进行修缮、保养的时候,“必须遵守恢复原状或者保持现状的原则”。根据1982年颁布的《中华人民共和国文物保护法》第二章第十四条规定：“核定为文物保护单位的革命遗址、纪念建筑物、古建筑物、古墓葬、石窟寺、石刻等（包括建筑物的附属物），在进行修缮、保养、迁移的时候，必须遵守不改变文物原状的原则。”

古建筑修缮应遵循以下原则：

保持现状，局部恢复原状；严格考证，有据可依，尽可能根据历史资料集各种相关的遗存、遗物复原；可识别原则。修缮中更换添加的部分，可分别根据不同的材料采用刻字、墨书、模印等方法在适当部位作出标识；坚持原材料、原尺寸、原工艺原则，保护文物建筑的建筑风格和特点。

2．新材料新技术在古建筑修缮中的应用

2.1意义和原则

随着科技的高速发展，现代的材料、技术被越来越多的运用到古建筑维修中，但古建筑修缮中能不能采用新材料和新技术却一直颇受争议，似乎有悖于前面所述修缮原则。我国古建筑学家罗哲文先生认为，只要能够达到保存古建筑的文物价值的目的，古建筑的修缮不仅不排除新材料和新技术的使用，而且还要高度重视和积极研究这一课题。他认为只要新材料和新技术使用得当，能更多更好地保护原状，更有利原结构、原材料、原工艺技术的保存。但在使用新材料和新技术时必须明确一个原则，即所使用的新材料新技术能更好地保存古建筑的原形制、原结构、原材料，更有利于原工艺技术的操作，也就是更有利于原来的古建筑价值的保存。这些观点对古建筑修缮具有重要的指导意义。

《中国文物古迹保护准则》第二十二条指出：按照保护要求使用保护技术。独特的传统工艺技术必须保留。所有的新材料和新工艺都必须经过前期试验和研究，证明是最有效的，对文物古迹是无害的，才可以使用。

《古建筑木结构维护与加固技术规范》第2.0.4条规定：当采用现代材料和现代技术确能更好地保存古建筑时可在古建筑的维护与加固工程中予以引用，但应遵循下列规定：㈠仅用于原结构或原用材料的修补加固，不得用现代材料去替换原用材料；㈡先在小范围内试用再逐步扩大其应用范围，应用时除应有可靠的科学依据和完整的技术资料外，尚应有必要的操作规程及质量检查标准。

2.2列举几种新材料新技术

2.2.1高分子化学材料

应用高分子化学材料加固残坏的大小木构件的新技术，从70年代初开始推广。它既保持了古建筑的文物价值，又节约了木料。环氧树脂是许多国家使用最广泛、粘结强度最高的一种高分子化学材料，品种多达数十种，最为通用的是E－44环氧树脂。古建筑中残缺、朽烂的柱、梁、斗拱等，均可用环氧树脂进行修补粘结。南方许多木构古建筑遭受白蚁危害，柱身内部常被白蚁蛀蚀中空。维修时应用不饱和聚酯树脂加入适当的填料进行浇注加固，使此类木柱的绝大部分保留下来，继续承受原有的荷载，强度不亚于新木料。

2.2.2近景摄影测量

古建筑保护首先就是需要原始资料,所以古建筑测绘成为建筑保护的重中之重。近景摄影测量主要研究对各类近距离目标物进行摄影并确定其形状、大小的理论和技术。利用对近距离非地形目标拍摄的图像,测定被摄目标几何特性的技术。优点是相片信息量高,而且摄影与相片的摄影测量处理可分阶段进行,不受时间的限制，适合于不规则物体的外形测量、动态目标的测量。被广泛应用于建筑、采矿、地质、地理、考古等领域。

2.2.3信息化建模(BIM)

自2002 年来,国际建筑行业兴起了围绕BIM(信息化建模)为核心的建筑信息化应用。信息化建模与传统概念上3DMAX 建模有着质的飞跃,它的最大优势就是利用GIS(地理信息系统) 的思想把空间信息和非空间信息结合起来。与传统三维建模相比拥有GIS 思想的BIM 会在点击模型上某个构建时告诉人们,它的尺寸、水平位置、竖向位置等空间信息和名称、材料、年代等非空间信息。信息化建模目前在古建保护中的应用还处在初级阶段。

2.2.4碳纤维布

从上个世纪80年代起，美国研究人员研制出具有轻质、高强度、高模量、耐腐蚀、高抗疲劳等优越性能的碳纤维布，并被广泛应用于增强和加固工程中。我国于1997年正式开始对碳纤维加固修复土木建筑结构进行研究，并于1998年完成了第一例碳纤维布加固混凝土结构的工程应用。

3新材料新技术运用实例——碳纤维布加固技术在安徽省文物保护单位太白楼修缮过程中的应用

3.1碳纤维布加固技术

碳纤维布又称碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer简称CFRP）是一种新材料，它是由环氧树脂粘结高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有以下几个优点： ①强度高（强度约为普通钢材的10倍），效果好；②加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；③自重轻（约200g～300g/㎡），基于不增加结构自重及截面尺寸、柔性好、易于裁剪的特点，适用范围广；④施工简便（不需大型施工机械及周转材料），易于操作，经济性好；⑤施工工期短。碳纤维加固技术适用于各种结构类型，各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、简体、壳体等结构，也是木结构加固的首选材料。但CFRP材料也具有一定的局限性，通常表现为各向异性，纤维方向的强度和弹模较高，而垂直纤维方向的弹度和弹模较低，各方向上受力相差较大。CFRP材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的5%-20%，因此CFRP构件的连接就成为关键问题，连接部位是整个构件的薄弱环节。同时CFRP材料的防火性能较差，临界温度300℃左右。目前采用环氧树脂的CFRP材料，可以在树脂中掺入阻燃剂，表面进行防火处理。

近些年来，随着CFRP技术的不断完善，CFRP材料越来越多的被用在木结构的加固工程上。CFRP由于具有几何可塑性大、轻薄、易剪裁成型等优点，非常适用于非规则断面的传统木结构表面粘贴，而且用纤维布加固木结构后经油漆涂刷后不会影响外观，也几乎没有增加重量，是木结构加固的首选材料，能够有效提高木结构的承载力、刚度和抗震性能。

CFRP加固技术是一种新型的结构加固技术，适用于混凝土结构，砌体结构、木结构的梁、板、柱的抗弯、抗剪、抗压加固，采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使用两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，由此达到对建筑物进行加固、补强的目的。国际上首例采用CFRP加固的木结构为瑞士Sins木桥（1992年），该桥建于1807年，双跨拱桥2×31m，CFRP主要用于桥面板的加固。国内曾对天安门城楼大型木柱采用碳纤维布进行加固尝试。在天津玉皇阁的修缮中，也采用了碳纤维布对承载力不足的构件进行了加固补强（2002年）。

3.2实例

3.2.1项目背景

采石风景名胜区位于安徽省马鞍山市西南五公里的长江东岸，是一座国家重点风景名胜区、国家AAAA旅游区。而太白楼建筑群是其核心景区的核心景点，共三路院落，建筑面积1420m2。现存太白楼的中路主体为清末所留，楼为清末长江水师提督彭玉麟所建，楼基为清前期遗存，楼后的李白祠则是淮军领袖后任北洋大臣的李鸿章捐建，距今已有一百多年的历史。上世纪60年代被定为省级文物保护单位，近三十年虽经过一次大修和三次小修，但由于长期的风雨侵蚀，屋面漏雨、地面及环境土体滑移等问题严重。2003年底，东南大学朱光亚教授及马鞍山市有关文化专家对太白楼建筑群现状进行了全面的踏勘和检查，初步鉴定该建筑群存在着主体结构倾斜、屋面漏雨、地面破损、抱柱油漆剥落、土体滑移、安全隐患、陈列内容匮乏、周边环境不协调等八个方面的问题和隐患，鉴于太白楼及周边建筑群的破损程度和部分建筑需纠偏校正的情况，建议立即进行修缮。2005年，风景区管理处委托东南大学建筑设计研究院建筑历史和理论研究所对现存的太白楼及建筑群进行了详细的建筑测绘和修缮设计，编制了《太白楼建筑群修缮工程设计方案》。方案中针对太白楼木结构原支撑钢架严重影响建筑原貌的问题，建议采用碳纤维布加固这一新技术新工艺对太白楼主体结构进行重点加固。

太白楼屋面原采用的加固方式是在每个戗角翼角梁下方和明间山墙挑檐檩下方，用直径20毫米的钢管斜支撑，这既改变了太白楼的原状，又影响了美观。在进行太白楼主体结构修缮时，设计单位对太白楼原木结构做了仔细的勘测研究后，通过屋面荷载计算分析，认为各梁头的承载力和刚度均不能满足规范要求，为保证日后的安全使用，恢复结构的稳定状态，必须要对其进行加固。在对太白楼屋面加固问题做了专项研究设计后，建议采用结构胶粘贴碳纤维布的加固方式，增强梁头的承载能力和刚度。

3.2.2 工艺原理及操作要点

在太白楼加固修缮过程中，为保证结构安全性和稳定性，达到修缮的最佳效果，采用了碳纤维布对木结构的抗弯和抗剪承载力进行加固，对木柱和木梁的干缩裂缝进行约束补强。将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料（单向连续纤维），用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强粘贴材料与构件共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。

CFRP加固木结构施工前，施工单位严格按照《古建筑木结构维护与加固技术规范》（GB50165-92）、设计图纸和施工方案进行施工。首先对木构件做好表面处理，对于表面的蜂窝、虫孔、腐蚀、裂缝应进行剔除、灌缝或封闭处理，再用找平胶填平。在粘贴面上用毛刷分别打上底胶，干后再打上找平胶。待找平胶干后，刷上粘贴胶，铺上碳纤维布，用毛刷沿纤维方向多次涂刷，直至纤维布完全浸润并展开。等干后，再进行表面油漆和装饰。

3.2.2.1卸荷

加固前对于承受二次荷载的构件不需卸荷，不承受二次荷载的构件必需卸荷，采用拆除原有的吊顶、墙面装饰、地面面层、设备等方法，以达到卸静荷的目的。

3.2.2.2基底处理

表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，直至露出新的木材表面。对较大面积木材的缺损和大于20mm裂缝，采用同等材质的木条进行修补，然后用环氧树脂进行压力灌浆封闭处理；对较小的裂缝用环氧树脂胶直接进行表面封闭即可。构件表层要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状。再用吹风机将表面灰尘清理干净，用无水酒精进行清洗，注意保持干燥。

3.2.2.3涂底胶（使用材料为MSP底层树脂）

按主剂：固化剂＝2：l 的比例将主剂与固化剂先后置于容器中，使用电动搅拌器均匀搅拌，根据环境温度决定用量并严格控制使用时间，一般情况下1h 内用完。用滚筒刷均匀涂抹于构件表面，等胶固化后（以指触干燥为准），再进行下一步施工。一般情况下固化时间为2～3d。

3.2.2.4 用整平材料找平（使用材料型号为MSE找平树脂）

表面凹陷部位要用MSE填平，尽量减少高度差。转角的处理也应用MSE将其修补为光滑的圆弧。

3.2.2.5 粘贴碳纤维布（使用材料型号为MSR浸渍树脂）

按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布，除非特殊要求，碳纤维布长度一般应在3m之内。调配粘贴材料MSR浸渍树脂（使用方法同MSP底层树脂），然后均匀涂抹于所要粘贴的部位，厚度为1.5mm左右，不宜过薄，在搭接、拐角等部位要多涂抹一些。并在规定使用时间（一般为40min）内粘贴碳纤维布，在确定所贴部位无误后剥去离析纸，要平整、顺直，不得有波纹、皱折或位置偏差。然后用毛刷反复沿纤维方向涂刷，确保不浮空，使MSR浸渍树脂充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤，待纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹MSR浸渍树脂。碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm。碳纤维端部固定用粘贴横向碳纤维或粘钢固定。

3.2.2.6 保护

粘贴完毕后外覆塑料薄膜，用木模板压紧碳纤维布养护。养护期一般为1-2周，养护期间温度不低于环氧树脂的允许温度。为避免风吹、雨淋、人为扰动应遮挡封闭养护。养护完毕后的碳纤维表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。

4结语

碳纤维布加固技术在太白楼建筑群修缮过程中得到了成功运用，加固效果好，高强高效，耐腐蚀及耐久性能极佳。采用碳纤维加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸,符合古建筑修缮原则。而且其施工便捷，工效高，不需现场固定设施，施工占用场地少，在施工工期、施工条件方面具有明显的优势，是新材料新技术在古建筑保护中又一例证。

新材料新技术的运用是为了更好地保护古建筑，保护其文物价值。新材料的使用不是替换原材料，而是补强或加固原材料、原结构。新技术的应用大多不会改变文物本身，又能减少劳动量，减轻劳动强度和加快速度，具有广泛的应用前景，应予以提倡。

参考文献

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[4]王鲲.碳纤维增强材料（CFRP）加固古建筑木结构试验研究[D].西安建筑科技大学,2007年.

作者简介：

吴骏（1978-），女，安徽利辛人，工程师，从事园林工程技术工作。