應縣木塔綜合保護與研究項目


  2011-03-10
        1 應縣木塔綜合保護與研究項目背景
  應縣木塔是“山西應縣佛宮寺釋迦塔”的俗稱,建于遼清寧二年(公元1056年),塔高66.7米,外觀五層,底層為重檐,加繞一圈圍廊,底徑30.3米,為我國最具價值的多層木結構古建筑,是世界上現存年代最古老、結構最復雜、最高的木結構建筑遺產,在世界建筑史上具有重要的地位和意義。應縣木塔綜合保護與研究工程是當今文物建筑保護與研究領域所面臨的最大難題與挑戰之一,受到社會的極大關注。
  現階段,國家文物局對應縣木塔保護工作的指導意見是近期保護工作暫不考慮“落架大修”“上部抬升,下部落架維修”“現狀整體支撐加固”等較大規模的保護維修方案。應當針對木塔現存險情,認真研究、制定“現狀搶險加固”方案,采取必要的修繕保養措施。2007年4月10日,國家文物局在山西太原召開“應縣木塔修繕保護工程座談會”,建議應縣人民政府為應縣木塔修繕保護工程的法人單位。自2007起,受應縣人民政府的委托,我院分別承擔了應縣木塔整體保養性維修與監測方案設計、應縣木塔監測系統設計與實施、應縣木塔保養維修工程監理與技術指導等項目。與此同時,我院還陸續啟動了應縣木塔綜合保護工程技術難題科研攻關和數據庫建設等項目。

        2 應縣木塔現狀概況
  應縣木塔結構實為九層,其中有四個結構層為平坐層,也稱為“暗層”,夾在各明層之間,是一個中空的雙層環狀結構。在平坐層內柱子之間和內、外角柱之間架設不同方向的斜撐,形成桁架結構(TRUSS),有如一層剛性加強層,有效地增強了木塔整體結構的強度。中空的部分增加了明層的凈空高度,以便安置較高大佛像。其余五層為明層,每層都供奉佛像,除首層供奉的釋迦牟尼金身坐像高達11米外,其上四層佛像尺度相對較小。全塔共使用400余攢不同類型的斗拱,平面則采取內、外兩圈八邊形立柱,內圈主柱8根,外圈主柱24根,形成內外雙層套筒式的平面結構。內柱環繞的空間是佛堂,內外柱之間的空間稱為外槽,是供朝拜禮佛活動的通道,稱為外槽。外槽外面是各層出挑的平坐,外槽內由扶梯可供上下。

        佛宮寺應縣木塔結構構件數量眾多,為中國現存古建筑木結構之最。主要構件包括柱子658根(主柱312跟,直徑560mm~640mm;輔柱346根),闌額及普拍枋共有304根,梁栿248榀(截面尺寸為460mmx430mm),鋪作層枋子4800個(截面尺寸約為255mmx170mm),櫨斗424個,散斗大約9000個,上述結構構件數量合計約15434件(根),體積達2200立方米,木材重約1300多噸。由其用料量可知,木塔的實際體積很大,但由于每層都設置向外挑出的平坐與走廊,以及層層飛翹的塔檐,因而沒有笨重的感覺。凹進的斗拱與凸出的平坐、瓦當等物件,在陽光照耀下形成明暗對比,更增加了韻律上的情趣。

  

        應縣木塔已有逾950余年之歷史,雖多次遭受地震及人為破壞,至今其主體結構仍保持完整,結構殘損現狀如下。
  (1) 結構傾斜與扭轉
  現場殘損勘察和結構變形監測結果表明,應縣木塔結構傾斜和扭轉是其整體結構當前最為嚴重的安全隱患,其中以二層明層局部傾斜程度尤甚,傾斜柱最大傾角已達11.3°之多(注:意大利比薩斜塔的傾斜角度大約為5°)。

 

  3 監測系統設計與實施
  2007年8月,我院與合作單位工作人員進駐應縣木塔現場,于9月初完成現場工作,9月下旬完成《佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)監測方案設計》的任務,11月通過國家文物局組織的專家組的評審。

  1) 應縣木塔監測(一期)
  主要內容包括應縣木塔整體結構動力特性檢測、局部結構變形監測、環境監測和地面脈動監測及地震監測等。年底,項目組按照合同要求全面完成了各項任務,2009年3月提交了《應縣木塔監測年度報告(2008年)》,并經專家座談會討論。
  2) 應縣木塔監測(二期)
  項目內容主要包括整體結構變形監測、風荷載及風效應現場監測和補充局部結構變形監測等,項目主要工作至2010年底前基本完成。
  

 

  3) 現階段成果
  依據《佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)監測系統方案設計》,應縣木塔監測系統主要包括結構變形監測、整體結構動力特性檢測、環境監測和地面脈動及地震監測等內容。
  a) 變形監測
  (1)傾斜變形監測
  應縣木塔二層明層西南面、三層明層西面外槽柱內傾變形仍在發展,應采取有針對性的加固措施,以控制該變形的進一步發展。同時應重點關注,二層明層西南面外槽柱子的傾斜與二層平坐層西南面內槽柱頭斗拱外傾之間的聯系,在研究設計與制定加固方案的時候,需要考慮兩者之間的關系。應繼續加強該部位的連續變形監測。
  (2)鋪作(斗拱)壓縮變形監測
  監測周期內,該轉角柱頭鋪作壓縮變形趨勢是短期內(以月計)在變形平衡位置上下振蕩,中期(以年計)壓縮變形略有發展。轉角柱頭鋪作壓縮變形趨勢是振動下的持續發展,且發展趨勢明顯,回調空間不大。建議對該鋪作做全面的殘損勘察與受力分析,研究造成壓縮變形繼續發展的原因,并有針對性的研究制定加固處理措施,同時,對該鋪作繼續加強監測,以獲取進一步壓縮變形的數據。
  (3)梁枋彎曲變形監測
  該部位壓縮變形仍有繼續發展的趨勢,且壓縮變形并不均勻,存在壓縮變形差。監測開始階段,正是5.12四川汶川地震剛剛發生不久,變形發展迅速。進入2008年7月,變形趨勢趨緩。應設立有針對性的專題研究,分析汶川地震對應縣木塔本體結構的影響,獲取應縣木塔抗震性能的準確數據。應繼續加強監測,以獲取進一步的變形數據。
  該額枋已經嚴重彎曲,且具有劈裂殘損點,本期監測數據表明,彎曲仍在繼續發展中。
  (4)二層明層斗拱水平平面內變形監測
  2008年6月至2010年2月期間,二層明層斗拱層平面內變形反復振蕩,處于穩定狀態。
  b) 環境監測
  根據應縣木塔所在場地的環境監測實測數據資料統計,監測期間的極端最高氣溫41.3℃ (2009年6月25日),最冷月為12月,極端最低氣溫-20.9℃ (2009年12月19日)。
  應縣木塔地區最大瞬時風速為16.8 m/s(2009年4月15日),2分鐘平均風速的最大值為16.2m/s(2009年4月15日),10分鐘平均風速的最大值為13.6m/s(2009年4月15日)。
  c) 振動監測
  所記錄的地震事件為1300km以外的5月12日汶川8.0級大地震的余震,最大加速度峰值約0.05g。場地施工影響最強,特別是振動壓路機運行時可引起監控室附近的測震儀產生持續的0.10g甚至個別最大加速度峰值達到0.15g的振動,這對木塔會產生十分不利的影響。游客上下木塔或木塔北側鋼質臺階會引起脈沖型振動。
  d) 動力特性監測
  在有游客參觀和無游客參觀的兩種工況下,木塔東西向和南北向的第一階自振頻率和第二階自振頻率均相同,第三階自振頻率有所不同,木塔東西向和南北向兩個方向的一階、二階和三階自振頻率分別為0.635Hz、1.709 Hz、2.832 Hz和0.635Hz、1.709 Hz、2.783 Hz。應縣木塔結構阻尼比為0.07。
  4 養護維修工程
  2008年6月,受應縣人民政府委托。由中國文化遺產研究院負責木塔各層瓦面養護維修及鐘鼓樓維修的監理任務和現場施工技術指導的工作。2008年完成木塔副階屋面(工程實驗段)養護維修和鐘樓落架維修任務,2009年完成鼓樓落架維修工程。
  

  5 技術難題科研攻關
  我院高度重視應縣木塔綜合保護與研究的工作,自2007年承擔該項目開始,就將其列入我院基本科研業務費重點資助的研究方向,至2010年我院基本科研業務費共資助項目如下。
  1) 木結構古建筑木構件橫紋承壓增強加固技術研究
  2007年立項資助該項目,2008年結項。該課題采用試驗研究和數值分析的方法,針對應縣木塔橫紋承壓構件承載能力不足的問題,研究落葉松木材橫紋增強加固技術方法。課題成果解決了應縣木塔底部三層橫紋承壓構件增強加固的技術問題。
  2) 應縣木塔斗栱節點力學性能試驗研究
         2008年立項資助該項目,2010年結項。課題主要內容是應縣木塔斗栱節點隱蔽部位構造解析,1:1比例模型抗壓和抗測力力學性能試驗研究,應縣木塔斗栱節點承載能力及其破壞形式分析。在中國文化遺產研究院?中國建筑科學研究院聯合古建筑結構試驗室開展了試驗研究。課題主要成果是明確了應縣木塔斗栱結構層構造、掌握了斗栱結構層用工用料計算方法和斗栱節點力學模型,清楚了應縣木塔斗拱結構層在其整體結構抗震分析中的作用。
  

  3) 應縣木塔二層明層結構變形及其對整體結構安全影響研究
         2010年中國文化遺產研究院基本科研業務費立項資助該項目,目前該項目仍在進行中。現有研究成果與監測數據表明,應縣木塔明層傾斜(含局部傾斜和整體傾斜)是其結構體系當前最大安全隱患之一,其中二層明層尤為突出。然而其抗側力性能的研究尚待進一步深化。本項目擬在我院2007年度基本科研業務費資助項目《應縣木塔斗拱節點力學性能試驗研究》成果的基礎上,進而開展應縣木塔二層明層詳細測繪、試驗研究和計算機數值分析的工作,依據試驗和數值模擬的結果,研究應縣木塔二層明層傾斜變形的現狀及其成因,科學評價應縣木塔二層明層傾斜變形對本體結構安全的影響。
  6 應縣木塔現狀信息數據庫建設
  《應縣木塔現狀信息采集數據庫建設》項目于2008年8月立項。截至到2010年年初,按計劃完成一期工作,其內容包括:搭建2008年前應縣木塔研究保護成果數據化后臺信息庫;建立應縣木塔研究資料前臺數據搜索、查詢系統平臺;收錄為配合前期的成果所做的現狀勘測、攝影數據資料。
  在上述工作基礎上, 我院基本科研業務費于2009年立項資助了應縣木塔現狀信息采集系統建設(二期)項目。該項目將對近期的結構安全監測數據資料,以及之后進行的現狀攝影勘察資料、三維激光掃描成果數據,進行信息化整理后,導入應縣木塔后臺信息數據庫,并建立相應前臺信息檢索、查詢模塊,逐步完善應縣木塔信息化管理系統;建立、完善應縣木塔后臺數據管理系統,為參與應縣木塔保護工作的技術人員提供數據實時錄入、管理信息化平臺。
  

  7 結構安全性初步評估與工作展望
  基于現有的勘察、試驗、測繪和監測報告等技術資料,應縣木塔現狀結構安全性初步評估如下。
  1) 在沒有意外的突發事件(火災、強度超過7級的地震(近震)、超過10級的風災等)的正常情況下(即正常使用、正常的外界荷載作用下),應縣木塔整體結構是相對穩定的,當前還沒有發現整體結構突然倒塌的危險征兆。
  2) 應縣木塔現場初步結構勘查結果表明,四層和五層及其平坐層整體結構完整且狀態良好,構件變形不顯著,除漏雨外這些部位無明顯破壞特征。
  3) 應縣木塔二層、三層明層傾斜嚴重的柱子,在自重作用下產生的水平推力,將進一步導致應縣木塔向東北方向傾斜。而且傾斜越嚴重,水平推力越大,傾斜發展的速度就越快。這樣,在一定的外界作用下,這些柱子存在倒塌的風險。局部柱子的傾斜倒塌,將危及應縣木塔整體結構的安全。因此,為了確保應縣木塔的結構安全,當務之急是要控制二層明層傾斜柱傾斜變形的進一步發展。
  4)  應縣木塔底層墻體內部構造與缺陷不明,墻內柱子分布、材質狀況有待于進一步的勘察與研究。部分構件存在破壞性的變形與殘損,個別構件缺失,是應縣木塔整體結構構造的薄弱點之一。
  5) 應縣木塔平面為正八邊形,豎向結構剛度分布相對均勻,斗栱結構層又具有良好的減震耗能作用,其結構前兩階自振頻率分別為0.635Hz和1.709Hz,典型的柔性結構體系,整體結構具有良好的抗震性能,再考慮到應縣木塔塔基具有顯著的減震功能,正因為上述原因,歷史上應縣木塔才能夠成功抵御多次大地震而屹立不倒。然而,由于局部和整體結構變形的進一步發展,再加上歷史上的不當修繕,導致應縣木塔局部和整體結構抵抗強震、強風的能力降低。
  接下來的工作,將在現有工作成果的基礎上,采取合作方式,圍繞應縣木塔現狀搶險加固方案設計的任務,開展應縣木塔結構加固全面的、系統的、深入的分析與研究工作。在現狀搶險加固方案的實施過程中,充分考慮應縣木塔的結構特點,同時兼顧抗震和消防應急預案的需要。

供稿人:王林安,核稿人:侯衛東

  

  

  

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

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