基于典型构架体系的江南重要木构建筑遗产的关键预警指标及监测评估技术研究

Compared with the traditional timber buildings in the north of China, the architectural forms and configurations of the traditional timber buildings in the south of Yangtze River vary a lot, under the effect of internal and external factors such as the material and structural performance deterioration, frequent natural disasters and man-made factors, the threat to the structural safety is increasing. Therefore, it is urgent to study early-warning indicators and reasonable monitoring and evaluating method based on the clarification of typical structural systems of these traditional timber buildings, to ensure the scientific and long-term preventive conservation of these architectural heritages. This project is interdisciplinary research of architecture and structure, the major architectural forms and configurations of the typical structural systems of traditional timber buildings in the south of Yangtze river are analyzed firstly, and the typical damages and the causes are explored, based on the study results, the key monitoring parameters and reasonable early-warning indicators are sorted out, finally the monitoring techniques and the evaluation methods suitable for the typical structural systems of traditional timber buildings in the south of Yangtze river are provided, a scientific foundation for preventive conservation of the important traditional timber buildings in the south of Yangtze River is established. The results of this research will expand and deepen the study of traditional timber buildings, and promote scientific conservation of traditional timber buildings in the south of Yangtze river, the research methods and results will be extended to other areas, and this research has obvious economic and social benefits.

江南传统木构建筑与北方相比，在形制和构造上存在差别，在材料和结构性能劣化、灾害频发、人为因素等内外界因素作用下，安全威胁日益加重，因此，迫切需要在理清其典型构架体系的基础上，给出监测预警指标和合理监测评估方法，确保建筑遗产预防性保护的科学性和长效性。本项目通过建筑学和结构学的学科交叉研究，首先分析江南传统木构建筑典型构架体系的主要形制和构造特征，同时探明典型病害特征及成因规律，基于此梳理出关键监测参数及合理预警指标，最后建立起适用于江南传统木构建筑典型构架体系的监测技术和评估方法，从而为江南重要传统木构建筑遗产的预防性保护奠定科学基础。该研究成果将促进传统木构建筑研究的拓展和深化，推动江南传统木构建筑保护的科学化，其研究方法和成果可推广至其它地区,具有明显的经济和社会效益。

依据项目申请书和计划书，本项目通过对江南地区典型构架体系的木构建筑进行现场测绘和调研，总结出其建筑形制及榫卯构造的特点，主要包括江南地区宋元厅堂和殿堂木构建筑的形制特征、宋元木构建筑丁头拱的构造特征、赣西传统木构建筑的形制和构造特征等；基于断裂力学方法，提出了适用于木材开裂研究的应力强度因子计算方法和裂纹扩展判据；对8个斗拱缩尺试件进行人工模拟腐朽试验，制备了4种不同腐朽程度的试件，并进行竖向加载与水平加载试验，得到不同腐朽状态下典型斗拱试件的破坏机理。综合构件重要性与微损检测结果，建立传统木构建筑中腐朽斗拱的结构性能定量评估方法。基于真实构造结合理论推导，得出三种拼合木梁构件的极限弯矩计算模型，从而获得其受力预警值计算方法。通过对带铺作木框架的试验研究和有限元模拟分析，得出宋元木构建筑在部分柱失效时的极限承载力和极限变形，从而获得其受力和变形预警值计算方法。通过对宋元厅堂木构建筑和木拱廊桥的风洞数值模拟分析，建立起这两种典型木构建筑遗产在强风作用下的变形预警值计算方法。以典型江南传统木构建筑—甘熙故居津逮楼为例，采用有限元分析和结构动力特性测试的方法建立了考虑填充墙效应的该类型传统木构建筑的结构模型修正方法。以江南地区古城楼木构建筑的代表—南京鼓楼建筑为例，通过有限元数值模拟分析和现场动力特性测试，提出了考虑城台及围护墙结构效应的城楼建筑有限元计算修正方法。基于能量方法，提出了更加适合于江南传统木构建筑的降低弹性模量法构件重要性评价方法，从而得出江南地区典型构架体系的木构建筑构件层面的权重系数，建立了江南地区典型构架体系的木构建筑结构安全状态定量评估方法。此外，基于非线性静力推覆分析法，提出了适用于宋元厅堂木构建筑的抗震性能评估方法。研究成果已成功应用于保国寺大殿、泰顺廊桥、甘熙故居津逮楼、南京鼓楼、明孝陵享殿等一些典型的江南传统木构建筑中，初步编制了江南传统木构建筑预防性保护技术导则，为江南地区传统木构建筑的保护修缮提供了科学依据。