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【摘要】故宫又名紫禁城.因其历史悠久，文化底蕴丰厚，规模宏大而闻名于世。近年来故宫的修缮中使用的各种维修技术值得我们去深入研究。本文从木材的材料性能出发，介绍了故宫存在的损伤问题，分析了传统修复技术的优缺点，并对木结构修复新技术进行了介绍与展望。
【关键词】故宫；木结构；修复技术
故宫是中国古代的皇宫，于15世纪初建成，现保存完好，是我们中华民族标志性的文化遗产。明代京城建设期间，故宫实为建设重点，规模宏大，建筑奇伟。在历史上，故宫曾相继被火焚毁，延至正统四年，才重新修复。后三起三落，至天启七年，为明季最后一次大修。故宫在明清五百年间历经战乱、自然侵蚀、火灾焚毁，随时间推移，故宫木结构出现了诸多问题而多次翻修，但基本格局依旧保持创始时期的风格，屹立至今。
故宫的主体结构是木结构，木材自身有一定的局限性，尤其在长时间环境、荷载作用下会产生相应破坏。故宫用木量巨大，由此产生的木材残损、腐蚀、虫蛀问题也十分严重。作为历史意义重大的建筑典范，故宫的修复显得尤为重要，近年来随着社会各界对文化认识的加深，对故宫修缮技术的探索也不断向前。
1、木材特性
1.1易受外界环境的侵蚀
外部自然环境的侵蚀、虫类、蚁类的蛀蚀等不利因素都会影响木结构的性能。木材对环境较为敏感，根据所处环境的不同会产生一系列物理化学变化，使木结构性能衰减甚至破坏。由于一年四季空气的含水量不同，木材会随着周围空气湿度的变化而失水干缩或吸水湿胀，发展裂缝；木材中存在微生物，其代谢过程中发生生物酶反应，木材中的有机纤维会参与其中反应，例如木质素、纤维素和半纤维素会被生物酶降解，长链有机高分子聚合度变小，强度下降；建筑背光处的构件由于所处环境阴暗潮湿，会滋生真菌使木材发生糟朽，使构件载面有效承载面积减小而承载力降低，最终导致结构构件破坏；白蚁和土蜂对木结构危害极大，它们会蛀蚀构件，严重影响建筑的寿命与安全。
1.2木材、木结构的限制
木材在外荷载的长期作用下强度衰减较为严重，外荷载越大，构件寿命越短。根据相关规范，在荷载作用约30年左右后，木材的各项强度都会下降50%左右，弹性模量也有显著降低，截面刚度下降，构件的挠度，尤其是梁的挠度增大，对此应及时采取支撑加固措施，否则随着挠度的发展，构件会折断，甚至造成结构整体的失稳。木结构建筑的梁柱节点连接方式多种多样，故宫多采用榫卯连接，在风荷载、地震荷载等横向荷载的循环加载下，木结构横向变形不断往复，榫卯节点容易破坏，危险性极大。
2、故宫木结构损伤情况及修复措施
故宫中的木结构存在如下问题：
2.1开裂严重
对于木材构件上产生的干缩裂缝，当裂缝深度处于一定范围内时，可采用如下方法进行修补：当裂缝不超过3毫米时，可使用石膏填满缝隙并抹平构件表面当裂缝宽度在3到30毫米之间时，可加工出一与裂缝形状相近的木条，将其填入裂缝，注胶抹平；裂缝超过30毫米时，在填补木条后，还应在施工区域加设铁箍约束。
若裂缝深度过大，则应计算其剩余承载力，若剩余承载力足够，修补方式可按原方法进行，若不足，则应按增添支撑或架设加固构件，如：增设立柱或在破损处埋设钢支撑构件，若裂缝开展及其严重无法修补，要将整体构件换新。
2.2木材糟朽
故宫建筑的木框架底部支撑，柱脚和各个梁柱节点是糟朽现象经常发生的地方。对于局部糟朽，可仅剔除糟朽部分，用木屑胶水的混合材料进行填补，若强度不够则增设铁箍加固。若糟朽严重，则应整体替换后加固。
2.3构件挠度过大
主要采用下承式拉杆法和支顶加固法，他们通过在挠度过大的梁下架设拉杆或对梁架进行支顶，形成一组合梁结构，应力得到重新分布，原构件内力被支撑构件所分担，薄弱环节处的弯矩减小，挠度也得到了相应降低。
2.4梁柱节点的破坏
破坏不严重的位置可用木板或钢板进行加固，U型板材由于截面刚度高也经常被用于加固中。
2.5柱子倾斜
为了加强结构抗震能力，故宫木结构柱底一般浮搁于柱顶石上，加之梁柱节点间的榫卯连接容易松动，侧移无法被有效限制，柱子则会倾斜，影响结构稳定性。
修復一般在对柱体进行扶正校准后增设胶合板抗震墙、增设钢铁构框架、增设扶壁柱等，来提高建筑整体的刚度，使柱体之间相互联系，减少柱子倾斜的情况发生。
3、传统维修技术的特点
《古建筑木结构维护与加固技术规范》对古建筑的修复工作提出：古建筑的修复与加固，必须遵守不改变文物原状的原则，修缮过程中，应保存原始建筑所选木种、结构形式以及施工技术等。在遵循这一前提的原则下，传统维修技术仍旧是木结构文物建筑保护的主要手段。这些技术有着悠久的历史，是经历时间考证的有效修复方式，能够有效地保护古建筑的外观，沿袭其风格，保留其岁月感与风骨。坚持保护、传承传统技术，符合当代文物保护理念核心价值观。
然而在对传统技术给予肯定的同时，也应不断改善传统加固法的一系列不足之处。例如使用铁箍加固时，加设的铁箍都需嵌入木材构件内，使之与木材外表面齐平，这样才能保证刷上油漆后不改变其原貌。但若使用铁箍，之前必须进行防锈处理，而且防腐蚀药剂容易在进行抗腐蚀处理时对木结构造成二次损伤，此外还会大大增加施工周期。
木结构耐腐蚀性差，容易被害虫蛀蚀，因此防腐防虫害处理的步骤必不可少。防腐处理通常使用的是有一定毒性的防腐防虫药剂，通过对构件进行渗透扩散、喷涂或压注喷洒处理达到防腐目的。这些防虫药剂有着不同程度的毒性，有毒物质在空气中扩散，长此以往会对游客以及工作人员造成健康方面的影响。
增设拉杆、支顶、增设胶合板抗震墙、钢铁构框架、扶壁柱等加固措施时也改变了建筑原貌，不利于历史文化的传承。 3.1故宫修复新技术的应用
随着近代材料科技的发展，力学性能优异的新材料使用范围也越来越广，加固将不仅仅被木材、钢材、螺栓等常见形式所约束。
纤维增强材料就是一种新型材料，常使用的主要包括碳纤维材料、玻璃纤维材料和玄武岩纤维材料等。以上几种纤维材料中，碳纤维材料力学性能最优，不仅材质轻，其抗拉强度还能达到钢材的数十倍。将其制成碳纤维布，贴附在破损木结构外表面帮助构件承担拉力，可有效减小木构件的负担。施工工艺也不繁琐：对待加固的木构件进行表面处理：涂抹基底树脂，将碳纤维布完整地贴在木构件表面，使之与构件紧密贴合，最后进行彩饰与防护涂装即可。
结合计算机使用的一些先进技术和设备也被广泛的应用于木结构的修复中。三维应力波断层描技术：固定在在构件表面的应力波发射器发出应力波，经过构件后，该机械波由于遇到裂缝等缺陷而导致波形的改变，通过接收器处理该信号后，可绘制成图谱，继而从图谱中分析出构件缺陷的数量和种类；而与阻力检测技术相结合使用则能够解决三位应力波断层扫描技术一次只能扫描一个平面的局限，大大加快扫描进程，尤其对于故宫这类大规模建筑群，能够帮助人们快速发现缺陷并及时修复。
对于不易触及位置的构件可采用三维激光扫描技术，可在方便的位置进行扫描，獲取大量高精度三维坐标信息，它不受光环境影响，利用激光良好的精度和稳定性进行大范围扫描，扫描到的图形信息经计算机处理后转换成三维数据，并可以自动生成数据库。
3.2新技术的优点与展望
纤维增强材料加工制成的纤维布以其强度大、自重轻、方便施工等优点，适合黏贴于待加固的构造复杂的木结构构件表面。纤维布相比于常用的铁箍，不仅抗拉强度是其数十倍，而且施工过程中使用的粘结剂（环氧树脂）和纤维布自身耐腐蚀性能都很优异，因此木结构的防腐处理环节可以被省略。由此可见，纤维增强材料完全可以替代传统加固中的铁箍。
目前，纤维增强材料加固技术在欧美的木结构加固中应用较为广泛，但在故宫的修复工程以及中国大多古代木结构修复工程中都基本没有使用，其原因一方面是相应的施工技术的不成熟，另一方面是出于碳纤维材料高昂的造价：每千克碳纤维造价接近90元，而如果将此修复技术应用于规模如此恢弘的故宫中，势必需要大量投入制造，成本不容小觑。对此，碳纤维制造工艺的改进和降低生产成本则显得尤为重要，希望新材料在未来能够被广泛的被应用到中国古建筑的修复中去。
三维应力波断层扫描技术协同阻力检测技术扫描待监测部位，无需取样，不破坏原结构，高效快捷。与之相近的还有数十种木材无损检测检测技术，同样在不用剖开构件、破坏截面的前提下，对木材内部的裂缝、糟朽、残缺等损伤进行勘测。
传统测绘技术需要架设多部全站仪进行逐点测量，效率较低，而三维激光扫描技术可通过扫描的方式快速将整体结构信息集成到一起构成三维模型，精确纪录古建筑全部细节信息，省时省力。在计算机中可从各个角度观测该模型，直观了解构件表面的损伤程度和标高，以便及时修补和为日后的沉降、构件位移等参数比对提供参考。同时，对于破损严重的古建筑，可在此三维模型的基础上进行虚拟重建，最大程度上还原建筑原始样貌。
从社会角度来说，不仅仅是故宫，还有许多其他亟待维修的古代木结构建筑，若将这些先进技术推广到所有木结构的监测和修复中去，势必能够及时发现现存的一些结构损伤，避免不必要的破坏发生；对于已损结构，新材料、新补强技术因其所具有的良好力学性能及耐久性能，也是未来古建筑修复的大势所趋。
【关键词】故宫；木结构；修复技术
故宫是中国古代的皇宫，于15世纪初建成，现保存完好，是我们中华民族标志性的文化遗产。明代京城建设期间，故宫实为建设重点，规模宏大，建筑奇伟。在历史上，故宫曾相继被火焚毁，延至正统四年，才重新修复。后三起三落，至天启七年，为明季最后一次大修。故宫在明清五百年间历经战乱、自然侵蚀、火灾焚毁，随时间推移，故宫木结构出现了诸多问题而多次翻修，但基本格局依旧保持创始时期的风格，屹立至今。
故宫的主体结构是木结构，木材自身有一定的局限性，尤其在长时间环境、荷载作用下会产生相应破坏。故宫用木量巨大，由此产生的木材残损、腐蚀、虫蛀问题也十分严重。作为历史意义重大的建筑典范，故宫的修复显得尤为重要，近年来随着社会各界对文化认识的加深，对故宫修缮技术的探索也不断向前。
1、木材特性
1.1易受外界环境的侵蚀
外部自然环境的侵蚀、虫类、蚁类的蛀蚀等不利因素都会影响木结构的性能。木材对环境较为敏感，根据所处环境的不同会产生一系列物理化学变化，使木结构性能衰减甚至破坏。由于一年四季空气的含水量不同，木材会随着周围空气湿度的变化而失水干缩或吸水湿胀，发展裂缝；木材中存在微生物，其代谢过程中发生生物酶反应，木材中的有机纤维会参与其中反应，例如木质素、纤维素和半纤维素会被生物酶降解，长链有机高分子聚合度变小，强度下降；建筑背光处的构件由于所处环境阴暗潮湿，会滋生真菌使木材发生糟朽，使构件载面有效承载面积减小而承载力降低，最终导致结构构件破坏；白蚁和土蜂对木结构危害极大，它们会蛀蚀构件，严重影响建筑的寿命与安全。
1.2木材、木结构的限制
木材在外荷载的长期作用下强度衰减较为严重，外荷载越大，构件寿命越短。根据相关规范，在荷载作用约30年左右后，木材的各项强度都会下降50%左右，弹性模量也有显著降低，截面刚度下降，构件的挠度，尤其是梁的挠度增大，对此应及时采取支撑加固措施，否则随着挠度的发展，构件会折断，甚至造成结构整体的失稳。木结构建筑的梁柱节点连接方式多种多样，故宫多采用榫卯连接，在风荷载、地震荷载等横向荷载的循环加载下，木结构横向变形不断往复，榫卯节点容易破坏，危险性极大。
2、故宫木结构损伤情况及修复措施
故宫中的木结构存在如下问题：
2.1开裂严重
对于木材构件上产生的干缩裂缝，当裂缝深度处于一定范围内时，可采用如下方法进行修补：当裂缝不超过3毫米时，可使用石膏填满缝隙并抹平构件表面当裂缝宽度在3到30毫米之间时，可加工出一与裂缝形状相近的木条，将其填入裂缝，注胶抹平；裂缝超过30毫米时，在填补木条后，还应在施工区域加设铁箍约束。
若裂缝深度过大，则应计算其剩余承载力，若剩余承载力足够，修补方式可按原方法进行，若不足，则应按增添支撑或架设加固构件，如：增设立柱或在破损处埋设钢支撑构件，若裂缝开展及其严重无法修补，要将整体构件换新。
2.2木材糟朽
故宫建筑的木框架底部支撑，柱脚和各个梁柱节点是糟朽现象经常发生的地方。对于局部糟朽，可仅剔除糟朽部分，用木屑胶水的混合材料进行填补，若强度不够则增设铁箍加固。若糟朽严重，则应整体替换后加固。
2.3构件挠度过大
主要采用下承式拉杆法和支顶加固法，他们通过在挠度过大的梁下架设拉杆或对梁架进行支顶，形成一组合梁结构，应力得到重新分布，原构件内力被支撑构件所分担，薄弱环节处的弯矩减小，挠度也得到了相应降低。
2.4梁柱节点的破坏
破坏不严重的位置可用木板或钢板进行加固，U型板材由于截面刚度高也经常被用于加固中。
2.5柱子倾斜
为了加强结构抗震能力，故宫木结构柱底一般浮搁于柱顶石上，加之梁柱节点间的榫卯连接容易松动，侧移无法被有效限制，柱子则会倾斜，影响结构稳定性。
修復一般在对柱体进行扶正校准后增设胶合板抗震墙、增设钢铁构框架、增设扶壁柱等，来提高建筑整体的刚度，使柱体之间相互联系，减少柱子倾斜的情况发生。
3、传统维修技术的特点
《古建筑木结构维护与加固技术规范》对古建筑的修复工作提出：古建筑的修复与加固，必须遵守不改变文物原状的原则，修缮过程中，应保存原始建筑所选木种、结构形式以及施工技术等。在遵循这一前提的原则下，传统维修技术仍旧是木结构文物建筑保护的主要手段。这些技术有着悠久的历史，是经历时间考证的有效修复方式，能够有效地保护古建筑的外观，沿袭其风格，保留其岁月感与风骨。坚持保护、传承传统技术，符合当代文物保护理念核心价值观。
然而在对传统技术给予肯定的同时，也应不断改善传统加固法的一系列不足之处。例如使用铁箍加固时，加设的铁箍都需嵌入木材构件内，使之与木材外表面齐平，这样才能保证刷上油漆后不改变其原貌。但若使用铁箍，之前必须进行防锈处理，而且防腐蚀药剂容易在进行抗腐蚀处理时对木结构造成二次损伤，此外还会大大增加施工周期。
木结构耐腐蚀性差，容易被害虫蛀蚀，因此防腐防虫害处理的步骤必不可少。防腐处理通常使用的是有一定毒性的防腐防虫药剂，通过对构件进行渗透扩散、喷涂或压注喷洒处理达到防腐目的。这些防虫药剂有着不同程度的毒性，有毒物质在空气中扩散，长此以往会对游客以及工作人员造成健康方面的影响。
增设拉杆、支顶、增设胶合板抗震墙、钢铁构框架、扶壁柱等加固措施时也改变了建筑原貌，不利于历史文化的传承。 3.1故宫修复新技术的应用
随着近代材料科技的发展，力学性能优异的新材料使用范围也越来越广，加固将不仅仅被木材、钢材、螺栓等常见形式所约束。
纤维增强材料就是一种新型材料，常使用的主要包括碳纤维材料、玻璃纤维材料和玄武岩纤维材料等。以上几种纤维材料中，碳纤维材料力学性能最优，不仅材质轻，其抗拉强度还能达到钢材的数十倍。将其制成碳纤维布，贴附在破损木结构外表面帮助构件承担拉力，可有效减小木构件的负担。施工工艺也不繁琐：对待加固的木构件进行表面处理：涂抹基底树脂，将碳纤维布完整地贴在木构件表面，使之与构件紧密贴合，最后进行彩饰与防护涂装即可。
结合计算机使用的一些先进技术和设备也被广泛的应用于木结构的修复中。三维应力波断层描技术：固定在在构件表面的应力波发射器发出应力波，经过构件后，该机械波由于遇到裂缝等缺陷而导致波形的改变，通过接收器处理该信号后，可绘制成图谱，继而从图谱中分析出构件缺陷的数量和种类；而与阻力检测技术相结合使用则能够解决三位应力波断层扫描技术一次只能扫描一个平面的局限，大大加快扫描进程，尤其对于故宫这类大规模建筑群，能够帮助人们快速发现缺陷并及时修复。
对于不易触及位置的构件可采用三维激光扫描技术，可在方便的位置进行扫描，獲取大量高精度三维坐标信息，它不受光环境影响，利用激光良好的精度和稳定性进行大范围扫描，扫描到的图形信息经计算机处理后转换成三维数据，并可以自动生成数据库。
3.2新技术的优点与展望
纤维增强材料加工制成的纤维布以其强度大、自重轻、方便施工等优点，适合黏贴于待加固的构造复杂的木结构构件表面。纤维布相比于常用的铁箍，不仅抗拉强度是其数十倍，而且施工过程中使用的粘结剂（环氧树脂）和纤维布自身耐腐蚀性能都很优异，因此木结构的防腐处理环节可以被省略。由此可见，纤维增强材料完全可以替代传统加固中的铁箍。
目前，纤维增强材料加固技术在欧美的木结构加固中应用较为广泛，但在故宫的修复工程以及中国大多古代木结构修复工程中都基本没有使用，其原因一方面是相应的施工技术的不成熟，另一方面是出于碳纤维材料高昂的造价：每千克碳纤维造价接近90元，而如果将此修复技术应用于规模如此恢弘的故宫中，势必需要大量投入制造，成本不容小觑。对此，碳纤维制造工艺的改进和降低生产成本则显得尤为重要，希望新材料在未来能够被广泛的被应用到中国古建筑的修复中去。
三维应力波断层扫描技术协同阻力检测技术扫描待监测部位，无需取样，不破坏原结构，高效快捷。与之相近的还有数十种木材无损检测检测技术，同样在不用剖开构件、破坏截面的前提下，对木材内部的裂缝、糟朽、残缺等损伤进行勘测。
传统测绘技术需要架设多部全站仪进行逐点测量，效率较低，而三维激光扫描技术可通过扫描的方式快速将整体结构信息集成到一起构成三维模型，精确纪录古建筑全部细节信息，省时省力。在计算机中可从各个角度观测该模型，直观了解构件表面的损伤程度和标高，以便及时修补和为日后的沉降、构件位移等参数比对提供参考。同时，对于破损严重的古建筑，可在此三维模型的基础上进行虚拟重建，最大程度上还原建筑原始样貌。
从社会角度来说，不仅仅是故宫，还有许多其他亟待维修的古代木结构建筑，若将这些先进技术推广到所有木结构的监测和修复中去，势必能够及时发现现存的一些结构损伤，避免不必要的破坏发生；对于已损结构，新材料、新补强技术因其所具有的良好力学性能及耐久性能，也是未来古建筑修复的大势所趋。