基于古代木梁拼合技術(shù)的梁芯修繕工藝

王崇恩　宮雅斐　胡川晉　許雷

關(guān)鍵詞：木梁；拼合；包鑲；增柱補(bǔ)芯；原位加固

毗盧殿始建于明萬(wàn)歷三十七年（1609年），原是河北正定崇因寺的主殿，1959年遷建于隆興寺第五進(jìn)院內(nèi)，彌陀殿后七十米。1996年對(duì)殿內(nèi)露明構(gòu)件進(jìn)行了油飾、彩畫(huà)。此殿坐北朝南，平面呈方形，重檐歇山頂。2015年，毗盧殿現(xiàn)狀整修工程項(xiàng)目開(kāi)始啟動(dòng)，本研究主要針對(duì)殿內(nèi)的桃尖順梁展開(kāi)。此梁并非整料梁，而是由數(shù)塊木料拼合而成的包鑲梁，實(shí)施中要想完整地保留構(gòu)件所攜帶的歷史信息，避免出現(xiàn)修繕性破壞，實(shí)現(xiàn)最小干預(yù)，就必須對(duì)木梁的殘損情況進(jìn)行勘察和評(píng)估，最終找到一種經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、易操作、可原位進(jìn)行的修繕技術(shù)。因此，基于此桃尖順梁的用材特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了增柱補(bǔ)芯的原位加固技術(shù)的可操作性，為傳統(tǒng)木梁的梁芯糟朽修繕提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

一、古代木梁的拼合技術(shù)

在古代，伐木造屋是一項(xiàng)重要的生產(chǎn)活動(dòng)，從木材的砍伐、集運(yùn)到加工均有著明確的規(guī)定，砍伐有時(shí)節(jié)，集運(yùn)有方法，加工有規(guī)制，為的便是減少耗費(fèi)，防止材盡。

宋《營(yíng)造法式》卷五·大木制作二：“凡方木小，須繳貼令大；如方木大，不得裁剪，即于廣厚加之……”；又卷十二：“務(wù)在就材充用，勿令將可以充長(zhǎng)大用者，裁割為細(xì)小名件”[1]。明代朝廷也對(duì)此有直接規(guī)定，據(jù)《明宣宗實(shí)錄》記載，宣宗六年（1431年）曾下令曰：“各廠所貯材木初采甚難，勞困軍民，殫極糧賞方得至此。朕故加意愛(ài)惜，卿亦當(dāng)體朕意有不當(dāng)用，切勿妄費(fèi)，若本大材而工匠斵小用之，罪亦不貸。時(shí)近有以其事聞?dòng)谏险?，故以此諭之”[2]。

由此可見(jiàn)，歷代朝廷都十分重視對(duì)木材的使用，主張物盡其用，杜絕鋪張浪費(fèi)。一根順直、無(wú)瑕疵的大料，需要漫長(zhǎng)的生長(zhǎng)期，為了滿足封建統(tǒng)治階級(jí)的需求，工匠們不得不竭盡所能，從而促使木結(jié)構(gòu)技術(shù)不斷發(fā)展。為了降低整料梁的消耗，逐漸發(fā)展了小料拼大料的方法，如宋《營(yíng)造法式》中記載的“合柱、繳貼”即為拼合柱、包鑲梁，但大規(guī)模的、普遍的使用拼合材料，則是明清以來(lái)[3]。拼合作法的流變不僅在于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累積，還與材料供給條件，建筑生產(chǎn)制度以及技術(shù)水平等外部因素密切相關(guān)，具有一定的時(shí)代特征性[4]。唐宋多為拼合梁，明清善用包鑲梁，在山西地方做法中更是衍生出斷梁做法。

（一）拼合梁

拼合梁一般由2－3塊木料累疊組成，主要通過(guò)增加截面高度來(lái)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)造簡(jiǎn)潔。早期典型的建構(gòu)方式是梁栿拼合，即在梁上面疊加單材或足材枋，上下木料接觸面用榫卯連接或用膠粘接。具體實(shí)例可見(jiàn)于河北省正定縣文廟大成殿，在不同部位、不同構(gòu)件上使用了不同的拼合構(gòu)造做法，如四椽栿上貼繳背，繳背即為足材枋；角梁上下疊單材枋（圖1）。

（二）包鑲梁

明代的包鑲做法稱為“幫品事”。據(jù)《明神宗實(shí)錄》卷四百四十二，明萬(wàn)歷三十六年（1608年）甲辰，工程左給事中胡忻列舉嘉靖時(shí)期包鑲做法節(jié)省成本之事，“監(jiān)察工程左給事中等官胡忻等，摘陳切要事宜：金柱明梁因材輳補(bǔ)，如世宗時(shí)金柱以杉代楠，其長(zhǎng)足圍不足，中心一根外輳八瓣共成一柱明梁，或三輳四輳為一根，此己事之可尋者”[5]。

至清代，隨著森林面積的減少以及金屬構(gòu)件的普及，使得包鑲做法在官式建筑中廣泛應(yīng)用。它區(qū)別于唐宋時(shí)期的拼合技術(shù)，制作更為精細(xì)，截面高度和寬度同時(shí)增大。主要作用于內(nèi)部，外觀完整，是在新制度下產(chǎn)生的新拼合理念。即在中間用一根較大、較好的木料，四周用數(shù)塊小料拼合，再用鐵箍緊固。一般鐵箍會(huì)嵌入小料中，使整體外觀平整。

此時(shí)，大梁外部的油飾彩畫(huà)工程也發(fā)生了新的轉(zhuǎn)變，披麻、掛灰、打地仗的技術(shù)發(fā)展起來(lái)，解決了拼縫保護(hù)和美觀的問(wèn)題[6]。具體實(shí)例可見(jiàn)于河北正定隆興寺毗盧殿（圖2）。

（三）斷梁

拼合梁、包鑲梁是官方擬定的木材拼合方式，廣泛應(yīng)用于各類大體量建筑中。而斷梁則是山西地區(qū)特有的構(gòu)造方法，利用直徑相同的短梁對(duì)接而成。具體實(shí)例見(jiàn)于山西高平崇明寺中佛殿內(nèi)斷梁（圖3），屬趴梁做法。梁頭置于前后檐斗栱上，梁端接縫位于中部，上、下置以順串栿與山面檐部斗栱相接，順串栿下有隨梁承托。整個(gè)梁架體系構(gòu)思精巧，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，充分地體現(xiàn)了“小材大用、余料充用”的理念和匠人們的精湛技藝。

二、桃尖順梁的現(xiàn)狀勘察與評(píng)估

桃尖梁源自清工部《工程做法》，是古建筑大木作構(gòu)件，因其端頭為“桃型”而得名，具有承重和拉結(jié)的雙重作用。用于帶斗栱的大式建筑中，連接金柱與檐柱，體形較為短小，相當(dāng)于小式建筑中的抱頭梁。安置在山面朝面闊方向時(shí)，稱為桃尖順梁。對(duì)桃尖順梁的現(xiàn)狀勘察和評(píng)估是制定合理修繕措施的基礎(chǔ)，主要包括法式勘察和殘損情況勘察。

（一）法式勘察

法式勘察主要針對(duì)木梁的原狀，包括原工藝、原做法、原形制、原材料等，尤其是能夠體現(xiàn)建筑時(shí)代特征、地域特征、結(jié)構(gòu)特征的信息。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，此桃尖順梁為包鑲梁，屬明代河北地區(qū)官式做法，總長(zhǎng)6.61米、總寬0.48米、總高0.78米。由一塊主料、兩塊板材及零星短材拼合而成。中部為楊木質(zhì)通長(zhǎng)主料，高46厘米，厚36厘米，頂部和底部貼松木板材，厚16厘米。梁身前后側(cè)以貼小塊料為主，規(guī)格不一。外設(shè)鐵箍3道，寬5厘米，厚0.3厘米，箍身嵌入梁內(nèi)，外表與梁齊平。

后尾設(shè)槽，槽內(nèi)埋扁鐵與金柱拉結(jié)。頂部板材上有記錄工匠籍貫和姓名的字跡，梁身遍施旋子彩畫(huà)，地仗為一麻五灰做法。梁下有隨梁枋，二者間用駝峰連接（圖4）。

（二）殘損情況勘察

殘損情況勘察主要針對(duì)木梁的殘損、病害、變形情況，包括定性表述及定量統(tǒng)計(jì)。主要通過(guò)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)觀察和現(xiàn)代科技檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如目測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)法、敲擊法和鉆孔探測(cè)法等。

目測(cè)發(fā)現(xiàn)桃尖順梁有斷裂、彎垂現(xiàn)象。斷裂位于童柱的垂直線上，由長(zhǎng)期受壓所致，是順著梁底拼合料紋理折斷，長(zhǎng)29厘米，高12厘米。基于順梁兩端無(wú)變形，經(jīng)定位放線測(cè)得梁身向下彎垂10厘米。

隨之用小斧輕敲梁身中部處，發(fā)現(xiàn)有空鼓音，進(jìn)而在梁身上表隱蔽處進(jìn)行鉆孔探測(cè)，從阻力感覺(jué)及帶出的木屑狀態(tài)，顯示梁芯有糟朽（圖5）。為了進(jìn)一步探明其殘損程度，將此梁的包鑲表皮揭開(kāi)一個(gè)探口，發(fā)現(xiàn)楊木主材有心腐現(xiàn)象，朽屑呈塊狀褐腐，結(jié)構(gòu)松散，易于粉碎。剔除朽木后，測(cè)得糟朽長(zhǎng)度為2.6米，深度為0.26米，朽面高度為0.22米，糟朽體積為0.149立方米，約占主材體積的14%。

根據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)承重木梁殘損點(diǎn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[7]：

①關(guān)于材質(zhì)劣化，當(dāng)僅有心腐或蟲(chóng)蛀時(shí)，無(wú)論ρ大小，均視為殘損點(diǎn)。

式中：ρ為腐朽和老化變質(zhì)（兩者合計(jì)）所占面積與整截面面積之比。

②關(guān)于彎曲變形，豎向撓度最大值ω₁，公式一，當(dāng)h/l＞1/14時(shí)，ω₁＞l2/2100h，則視為殘損點(diǎn)；公式二，當(dāng)h/l≤1/14時(shí)，ω₁＞l/150，則視為殘損點(diǎn)。

式中：l為計(jì)算跨度，h為構(gòu)件截面高度。

③關(guān)于梁身受損，當(dāng)跨中斷紋開(kāi)裂，有裂紋，或未見(jiàn)裂紋，但梁的上表面有壓皺痕跡，則視為殘損點(diǎn)。

將桃尖順梁的相關(guān)數(shù)值代入， h / l=0.78/6=0.13，大于1/14，故計(jì)算豎向撓度選用公式一。經(jīng)測(cè)量可知，ω1=0.1，具體的殘損點(diǎn)計(jì)算、評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)上述評(píng)估分析可知，此桃尖順梁同時(shí)存在心腐、垂彎和斷裂現(xiàn)象（圖6）。屬于重度殘損，已危及項(xiàng)目安全，應(yīng)立即采取措施。

三、桃尖順梁的原位加固技術(shù)

（一）基本原則及措施

《中國(guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》[8]提出不改變?cè)瓲?、真?shí)性、完整性、最低限度干預(yù)、保護(hù)文化傳統(tǒng)、使用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)技術(shù)以及防災(zāi)減災(zāi)的保護(hù)原則。其中恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)技術(shù)是指，使用經(jīng)檢驗(yàn)有利于文物古跡長(zhǎng)期保存的成熟技術(shù)，文物古跡原有的技術(shù)和材料應(yīng)當(dāng)保護(hù)；對(duì)原有科學(xué)的、利于文物古跡長(zhǎng)期保護(hù)的傳統(tǒng)工藝應(yīng)當(dāng)傳承；所有新材料和工藝都必須經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)，證明切實(shí)有效，對(duì)文物古跡長(zhǎng)期保存無(wú)害、無(wú)礙，方可使用。

關(guān)于梁底斷裂，一般采用型鋼加固或支頂木柱的修繕?lè)椒?。桃尖順梁上部荷載集中，在斷裂點(diǎn)增加支撐柱，將力傳遞到地面，是最安全有效的方法。此法雖然在一定程度上會(huì)影響毗盧殿的平面形態(tài)，但卻是對(duì)建筑本體擾動(dòng)最小的技術(shù)方案，是十分必要且可行的。

關(guān)于梁芯糟朽，一般有兩種修繕?lè)椒?，一是進(jìn)行抽換，能較為徹底地解決病害。但毗盧殿為重檐建筑，殿內(nèi)的桃尖順梁位于一層，結(jié)構(gòu)繁復(fù)，此法對(duì)建筑的擾動(dòng)極大，且會(huì)丟失原包鑲構(gòu)造、彩畫(huà)、墨書(shū)等信息。二是嵌補(bǔ)梁芯，是結(jié)合了傳統(tǒng)工藝和新技術(shù)的原位加固方法，主要從梁芯填充新木、化學(xué)灌漿等關(guān)鍵技術(shù)著手。充分利用拼合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在保證材料性能不變的情況下最大限度地保留了原有構(gòu)件信息，真正做到了原工藝、原材料、原做法。文物保護(hù)的目的是“延年益壽”，而非“返老還童”，所以采用增柱補(bǔ)芯的修繕?lè)椒ㄊ亲詈线m的，能有效地增強(qiáng)或調(diào)整安全性能不足的承重結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。

（二）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)新型材料不斷涌現(xiàn)，主要有鋼材和纖維類材料，如弧形鋼板、馬口鐵、鋼銷、U型扁鐵[9]；玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維等[10]。這些技術(shù)手段或作用于木構(gòu)件表面，會(huì)對(duì)其美觀造成一定影響；或在構(gòu)件內(nèi)部埋設(shè)鋼釘、螺栓、U型鋼等，會(huì)造成二次損傷，不符合修繕中的可逆性原則，同時(shí)還需考慮鋼材與木材接觸面銹蝕的問(wèn)題。而支頂木柱、嵌補(bǔ)新木的修繕?lè)椒?，新、舊材料都屬于自然材料，性能相近，可以完美地融合成一個(gè)新的完整實(shí)體。

順梁底部有斷裂紋，說(shuō)明此梁的力學(xué)性能已有問(wèn)題。支頂加固法可有效改善木梁內(nèi)力重分布，降低木梁跨中撓度和彎距，提高木梁的受荷性能[11]。此法看似用于解決斷裂問(wèn)題，實(shí)則能起到抑制梁身彎垂變形的作用，更是梁芯嵌補(bǔ)能夠順利實(shí)施的前提和關(guān)鍵。支頂柱設(shè)置在桃尖順梁約1/3處的位置，起到縮短跨距，緩解梁身壓力的作用，正好彌補(bǔ)了嵌補(bǔ)梁芯后梁身承載力有所下降的不足。兩種加固措施相輔相成，缺一不可。

原楊木主材質(zhì)軟，纖維結(jié)構(gòu)疏松，極易從樹(shù)心腐朽，使用壽命短?！稄V群芳譜》中記載：楊木“用為寺觀材，久則疏裂，不如松柏勁實(shí)也”[12]。若木料充裕，一般不會(huì)使用在重要位置。故而在同等自然狀態(tài)條件下，填充梁芯的新木選擇了與拼合板材相同的落葉松，以實(shí)現(xiàn)更加持久的修繕效果。落葉松為軟雜木，密度在0.5-0.8g/cm3之間，屬中等木材，有一定的強(qiáng)度，脹縮變形相對(duì)較小，耐腐蝕性強(qiáng)，耐久性好[13]。相較于新型材料而言，還具有物理性能好，導(dǎo)熱系數(shù)小、絕緣等優(yōu)點(diǎn)（圖7）。

新舊木材之間的空隙，選用改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料填充，它是一種熱固性材料，具有強(qiáng)度高、比重小、防腐性能好、加工成型方便等優(yōu)點(diǎn)。能夠使其內(nèi)部更加飽和，絕緣空氣，延緩腐朽，對(duì)外觀的影響很小。不僅能保證承載力，還能提高延展性。

（三）實(shí)際應(yīng)用

實(shí)施前，利用腳手架支頂童柱、天花梁等構(gòu)件，減輕桃尖順梁上部的荷載，保證修繕過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。鋼管與構(gòu)件接觸處用軟布包裹，避免損壞文物。

實(shí)施中：（1）安裝支頂柱。支頂柱直徑隨梁寬，柱礎(chǔ)石選用隆興寺內(nèi)保存的與毗盧殿內(nèi)柱礎(chǔ)形制相近的舊構(gòu)件。順梁與隨梁枋間設(shè)瓜柱支撐。安裝完成后隨色做舊，與殿內(nèi)其他木柱顏色一致。（2）剔凈朽木。開(kāi)鑿0.6米×0.3米的水平探口，將心腐部分砍刮至露出好木，并用軟刷清理木渣及碎屑。（3）填充新木。剔凈后的梁芯凹凸不平，先用小塊料局部找平；然后對(duì)新舊接觸面進(jìn)行防腐處理，具體做法是在其表面涂刷桐油2－3遍；再以落葉松方木填充；最后用板材補(bǔ)平探口。（4）化學(xué)灌漿。嵌補(bǔ)的新木與原梁內(nèi)部之間的空隙用改性環(huán)氧樹(shù)脂膠灌注充實(shí)，該粘結(jié)材料是環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑以重量比100：4的配比攪勻后加適量稀料配制。灌漿之前檢查梁身，若有縫隙用環(huán)氧膩?zhàn)臃舛聡?yán)實(shí)，在梁頂剔灌漿槽，分多次進(jìn)行灌注。（5）鐵箍緊固。新增鐵箍?jī)傻溃▓D8）。

實(shí)施后，依照梁身彩畫(huà)的原形制、原工藝補(bǔ)繪彩畫(huà)。具體方法是先對(duì)鐵箍進(jìn)行防腐，按傳統(tǒng)工藝做一麻五灰地仗。起譜子時(shí)選取繪制同樣彩畫(huà)的梁身進(jìn)行拓印，之后則按照傳統(tǒng)工藝方法繪制即可。

四、結(jié)論

本文在查閱國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐，對(duì)古代木梁的拼合機(jī)制、梁底斷裂、梁芯糟朽的勘察及修繕技術(shù)進(jìn)行研究，得出了以下結(jié)論：

（1）木梁拼合技術(shù)是社會(huì)發(fā)展的必然結(jié)果，從唐宋至明清，拼合技術(shù)不斷進(jìn)步。從簡(jiǎn)單的累疊技術(shù)發(fā)展到精美的藝術(shù)表達(dá)，突出了古代匠人對(duì)木材性能的研究之深、利用之廣。

（2）木梁的病害往往不是以單一形式出現(xiàn)，在木梁的勘察過(guò)程中，除了直接能觀察到的垂彎和斷裂問(wèn)題，還應(yīng)對(duì)梁身內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，看是否有梁芯糟朽的情況。

（3）勘察的評(píng)定結(jié)果決定著木梁病害應(yīng)選取的修繕措施，在滿足承載力要求的情況下，要盡可能保留原構(gòu)件，并優(yōu)先選用性質(zhì)相同或相近的材料進(jìn)行原位加固，減少擾動(dòng)。

增柱補(bǔ)芯的原位加固技術(shù)，在毗盧殿桃尖順梁的修繕中取得成功，在保護(hù)文物的同時(shí)，傳統(tǒng)材料的拼合手段也得以保存。完工至今已有7年，經(jīng)觀測(cè)并未出現(xiàn)新的病害，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了此修繕技術(shù)的可行性。