略談對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的研究

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1應(yīng)縣木塔的建模與分析

全塔采用了四百多組構(gòu)筑奇巧的斗栱，是木塔最具特色的組成部分。木塔始建于公元1056年，經(jīng)歷了近千年的環(huán)境侵蝕和多次強(qiáng)地震作用，結(jié)構(gòu)變形和損傷嚴(yán)重，亟待修繕加固。應(yīng)縣木塔的維修加固是中國文物保護(hù)工作的重大課題。自1991年國家文物局批準(zhǔn)成立“山西省應(yīng)縣木塔修繕工程領(lǐng)導(dǎo)小組”以來，國家已組織了大量的人力、財(cái)力對(duì)應(yīng)縣木塔進(jìn)行了勘測、試驗(yàn)和研究。目前，應(yīng)縣木塔修繕方案的研究論證工作仍在繼續(xù)開展，運(yùn)用現(xiàn)代分析模擬技術(shù)進(jìn)行木塔保護(hù)研究，已取得了一批較豐碩的成果。徐燊等對(duì)應(yīng)縣木塔進(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模方法的研究，提出了可動(dòng)態(tài)修改的三維建模方法，以提高模型制作的效率。該方法由四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn):將木塔的構(gòu)件按斗栱、柱、梁栿進(jìn)行分類，找出相應(yīng)的規(guī)律性;以現(xiàn)有測繪數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)并依據(jù)《營造法式》的尺寸制度，以層為單位，構(gòu)建主體結(jié)構(gòu)的三維復(fù)原模型;將實(shí)測的變形值編入程序，對(duì)復(fù)原模型的坐標(biāo)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，得到符合現(xiàn)狀的殘損模型;將各層模型疊合，配上樓梯、欄桿、屋檐、塔頂?shù)葮?gòu)件，完成全部三維復(fù)原工作。張舵等在應(yīng)縣木塔有限元分析模型的研究中，通過引入梁單元組模擬斗栱連接，以解決虛擬半剛性單元難于反映實(shí)際構(gòu)造的問題。

在有限元模型中，把斗栱設(shè)為一個(gè)在結(jié)構(gòu)上與實(shí)際構(gòu)造相似的梁單元組合，斗栱的各個(gè)構(gòu)件均簡化為梁單元桿件并在端部采用剛性連接，通過調(diào)整梁單元的剛度來改變斗栱構(gòu)件的連接剛度。在此基礎(chǔ)上，他們建立了以梁單元為基本單元的木塔有限元模型，并結(jié)合木塔的實(shí)測模態(tài)結(jié)果確定了斗拱的剛度。杜雷鳴等在應(yīng)縣木塔的抗震性能研究中，將斗拱節(jié)點(diǎn)域簡化為剛接和鉸接兩種類型。采用有限元軟件ANSYS分別建立了節(jié)點(diǎn)域?yàn)閯偨雍豌q接的木塔整體有限元模型，并對(duì)這兩種簡化模型開展動(dòng)力特性分析。模型分析結(jié)果與木塔實(shí)測值的對(duì)比表明，兩種簡化模型的分析振型與實(shí)測振型基本吻合，且實(shí)測頻率介于兩種簡化模型的分析值之間，因此，可用兩種簡化模型的分析值來界定木塔地震響應(yīng)的范圍。王玨、施穎等依據(jù)陳明達(dá)專著《應(yīng)縣木塔》所提供的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場法式查勘和參數(shù)核對(duì)，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立了體現(xiàn)木塔“殿堂結(jié)構(gòu)”特征的斗拱-柱圈層疊式有限元模型。該模型具有以下特點(diǎn):將木塔的塔身分為五層明層和四層暗層，每一明層和暗層均可分為斗栱子結(jié)構(gòu)層與柱圈子結(jié)構(gòu)層，整個(gè)塔身為18個(gè)斗拱-柱圈子結(jié)構(gòu)層的豎向疊加;將全塔416朵斗栱根據(jù)鋪?zhàn)黝愋秃蜆?gòu)造特征分為22種建模，其中，明層斗栱層內(nèi)外槽共17種，暗層外槽斗栱5種。暗層內(nèi)槽鋪?zhàn)靼凑辗侥警B成的井干結(jié)構(gòu)考慮;柱的傾斜和位移是引起木塔整體變形的主要因素，通過確定全塔316根柱的實(shí)測坐標(biāo)，構(gòu)建出整塔的基本構(gòu)架;根據(jù)柱身裂縫開展的寬度和長度、額枋下?lián)虾投祟^壓損的程度以及斗栱變形破損的程度，分別采用有效截面或彈性模量折減的方法反映剛度的下降。該模型較好地表達(dá)了結(jié)構(gòu)變形和構(gòu)件損傷的實(shí)際狀態(tài)，可為木塔的安全評(píng)價(jià)和修繕加固提供參考。

2木結(jié)構(gòu)的數(shù)字化與信息技術(shù)

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在歸納古建筑木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征、提煉構(gòu)件的基本模數(shù)、運(yùn)用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息管理等方面開展了應(yīng)用性研究，并取得了初步成果，為古建筑木結(jié)構(gòu)通用建模系統(tǒng)的研制提供了有益的借鑒。JinWonChoi等基于“民族特征的即為世界共有的”理念，研制了韓國傳統(tǒng)建筑的數(shù)據(jù)模型庫和智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并利用因特網(wǎng)信息傳播的優(yōu)勢，推動(dòng)研究人員和學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)建筑知識(shí)的深化理解和創(chuàng)新運(yùn)用。這一基于網(wǎng)絡(luò)的智能系統(tǒng)名為“Kota-Sys”，面向四個(gè)應(yīng)用方面:公共信息、教育、設(shè)計(jì)和研究。類似中國古建筑的“斗口”模數(shù)制，“KotaSys”的數(shù)據(jù)模型庫以“Gongpo”(斗栱)為基本模數(shù)體系。“KotaSys”歸納了韓國重點(diǎn)古建筑中“Gongpo”的構(gòu)件分類、連接、安裝和組合等規(guī)則，運(yùn)用可視化技術(shù)和智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑的三維重建或創(chuàng)新研制王婉等探討了古建筑的數(shù)字化研究方法，將明、清建筑的模數(shù)分為“斗口”和“檐柱徑”兩種模數(shù)制。對(duì)使用斗栱的大式建筑，以“斗口”為基本模數(shù);對(duì)不使用斗栱的小式建筑，以“檐柱徑”為基本模數(shù);在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定構(gòu)件和各式建筑的基本參數(shù)，以生成不同的古建筑模型。參考《工程做法則例》，針對(duì)古代宮殿建筑進(jìn)行分析，得出了相應(yīng)的參數(shù)化描述，并運(yùn)用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)得到有層次和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，用VB編程生成宮殿建筑三維模型的腳本文件，在AutoCAD中運(yùn)行后生成古建筑模型。王茹針對(duì)古建筑工程結(jié)構(gòu)3D模型重建作業(yè)量巨大的問題，通過古建筑形制化集成的研究，提出了以“斗口”模數(shù)為基礎(chǔ)模數(shù)的古建筑3D通用構(gòu)件庫的構(gòu)建方法，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了構(gòu)件庫可視化應(yīng)用接口。該方法可建立工程級(jí)別的精細(xì)矢量三維模型，重建古建筑的外形和內(nèi)部工程結(jié)構(gòu)關(guān)系為古建筑的重建、修復(fù)提供了新的技術(shù)手段。

3結(jié)論

隨著社會(huì)文明的進(jìn)步、文化遺產(chǎn)保護(hù)投入力度的增加、以及多學(xué)科知識(shí)的交融綜合，現(xiàn)代模擬分析技術(shù)將在古建筑保護(hù)研究中發(fā)揮更加重要的作用。

作者：袁建力 單位：揚(yáng)州大學(xué)