给古迹“体检”！一探古建筑木结构常用无损检测方法及现代应用
给古迹“体检”！一探古建筑木结构常用无损检测方法及现代应用
中国古代建筑是中华文明非常重要的组成部分，体现了中华历史长河中人民积累的关于自然科学知识、人文知识的结晶，包括了技术、艺术、美学、宗教、礼制、价值观等广泛的文明成果。
古建筑的木结构维修和保护，不能破坏建筑原有的木构件，则需要采用无损检测的方法对其木结构的情况进行评估。无损检测技术主要通过检测木构件的残余强度和内部缺陷情况，为木结构建筑的可靠性、安全性以及使用寿命做出评估。
木结构的健康 “守护者”
木结构建筑是中国古代建筑的主流和传统，延续至今已有6000多年历史。
但木材作为一种生物高分子材料，材性会随着时间的延长而发生一些改变。尤其是经历了几十年、几百年、甚至上千年自然环境的侵蚀和人类活动的影响，古建筑木材会不可避免地发生腐朽、虫蛀、开裂和变形等,严重时会危及整体建筑的安全。
以往对古建筑木材的安全判断和检测手段较为单一，主要是凭借经验进行勘察或是进行破坏性检测，可能会对古建筑的完好保存产生某些负面影响;另一方面，过于粗放和简单的检测，所得出的检测结论不能保证准确性。这些问题凸显了传统检测手段的局限性，所以需要更科学更可靠的技术为古建筑木结构的保护与维修提供可靠的依据。
无损检测是以不破坏被检对象使用性能为前提的材料性能评估的科学技术。随着研究的深入，方法也越来越多样，如应力波法、超声波法、振动法、近红外光谱法(NIR)、静态弯曲法、X-射线检测法、声发射法和核磁共振法等。它们都是根据物理原理和化学反应，对各种材料进行检验和测试，借以评价其连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。并且还可以进一步探测材料或构件中是否存在缺陷，包括对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判断，提供组织分布、应力状态等信息 。
通过无损检测方法可以定期获得古建筑各木构件的“健康指标”，实施跟踪和建立古建筑木构件基础数据库，为重要木结构古建筑的保护维修提供科学依据。
应力波检测法
木材的声学特性构成了应力波无损检测的关键物理基础。当木材的一端承受敲击这种机械作用时，其内部便会引发应力波，也就是机械波的传播。借助特定的设备与装置，测定应力波传播时间的变化，能够有效判断木材的特性，比如是否存在腐朽、缺陷，还能计算出木材的动弹性模量等重要指标。
木材应力波无损检测技术主要涵盖横向应力波技术和纵向应力波技术。应力波纵向检测方式在古建筑木构件的强度性质检测方面发挥着重要作用。
其操作流程相对明确，首先，将两个传感器分别沿着木材的纹理方向，以 45 度的夹角钉入木构件的两端，深度约为 5 毫米。随后，使用专用锤敲击触发端，并准确记录应力波从传播到抵达接受端所耗费的时间。由于整个过程仅仅运用了两个传感器，因此这种方式通常被称作两点式检测。
需要特别关注的是，在完成这种方式的检测后，必须要进行时间校准试验。其目的在于消除检测过程中，应力波在与传感器相连接的金属传感器中传播滞后的时间给测试结果带来的影响。
具体的操作方法是：在相同的材料上，固定一个传感器的位置，然后以不同的间距来布置另一个传感器的位置展开测试。测试位置不少于 3 处，接着以间距作为横坐标，时间作为纵坐标，构建这些测试点的一元回归方程。该方程在纵坐标上的截距，便是滞后时间的值。最终，将应力波检测仪所显示的时间减去滞后时间，就能得到应力波在材料内部的实际传播时间。
阻抗仪检测法
阻抗仪检测方法在国内外已有很多应用实例，比如：贺军胜等人利用德国 Frank Rinn IML 公司最新生产的木材阻抗图波仪 Resistograph 3450-P/S 对北京故宫咸若馆的金柱、檐柱、山柱和中柱等进行勘测，然后根据木材阻力数据绘制出咸若馆木结构在不同高度上的腐朽状况简图，并进一步得出其结构的腐朽现状图。
阻抗仪检测方法在西藏布达拉宫的木结构安全检测评估和北京恭王府的木结构状况勘察等项目中也都有成功的应用，为制定古建筑木构件维修方案提供了重要的科学依据。
此外，通过比较阻抗仪检测数据和后续破坏性测定结果证明：该方法除了能实现缺陷诊断外，用阻力值预测木材诸如抗弯强度和抗压强度等性质也是可行的。与此同时，国外学者在他们发表的研究报告中也提到阻抗仪对腐朽、空洞及裂纹等缺陷较高的诊断能力和检测可靠性。该方法简单易行，检测结果精确，在美国、加拿大、日本和我国台湾等地区已被广泛使用。
木结构古建筑的梁、柱构架是整体建筑的承重体系，在长期受力及环境负面影响过程中，容易发生木材强度性能改变和木材腐朽、虫蛀等现象。
对于这类木构件的维修更换，除了使用常规手段控制质量外，补充采用纵向基频振动检测和应力波纵向检测来保证替换材料质量符合设计要求；在维修结束后，也需要定期采用本文所述的三种无损检测方法对关键部位进行安全检测，记录木构件的健康水平及当前动态强度值，重点是易损部位如柱根、檐口和木构件之间的连接。
对定期获得的动态强度值进行综合分析，构建古建筑木构件强度与时间的关系曲线 —— 当关系曲线的曲率急剧增大或大于临界值时，定义木构件需要维修处理。同时，以时间（年）除以木构件最初动态强度与当前动态强度的差值来表示木材强度的损失程度。损失程度显著增大时，提示该木构件应该得到重点关注。
无损检测技术无论是从结构安全监控方面、选材方面和保护维修设计方面，都为古建筑木构件的材质、材性检测鉴定提供了可靠的技术支持。综合运用多种无损检测方法，能优势互补，提高检测精度，并且有效提升对古建筑的保护水平。
X射线法
为了能够精准无误地了解木结构内部的损伤状况，一种行之有效的方法是采用 X 射线检测法对房屋木结构内部的缺陷展开检测。
X 射线法的原理在于充分利用 X 射线能够穿透木材的独特性质。要知道，木材内部的不同结构对于 X 射线的吸收程度存在显著差异。基于此，当 X 射线穿过木材时，会在成像板或探测器上形成相应的影像。对这些影像进行深入分析，我们便能清晰地洞察到木材内部的诸多细节，比如纹理的走向、节疤的分布、腐朽的程度、虫蛀的情况，还有内部连接件的具体状况等各类信息。
这种检测方法最为可贵之处在于，它能够在丝毫不破坏木材整体结构完整性的前提之下，精确且有效地检测出隐匿在木材内部那些不易察觉的缺陷和异常情形。通过 X 射线所形成的影像，内部的金属件和木节疤可以清晰地展现出来。
然而，当白蚁蛀蚀的情况不太严重时，其在影像中的显示可能就不太明显。这就需要检测人员在分析影像时保持高度的专注和敏锐，结合其他相关的检测手段和经验，进行综合判断，以确保不会遗漏任何可能影响木结构安全性和稳定性的细微问题。
毕竟，哪怕是看似微不足道的内部缺陷，在长期的使用过程中，都有可能逐渐扩大，给整个木结构带来不可预估的风险和损害。所以，X 射线检测法在保障木结构的安全性和可靠性方面发挥着至关重要的作用。
结语
古建筑木构件历经几十乃至几百年的使用，其中那些未出现腐朽等缺陷的正常木材，在自然老化的作用之下，其力学性能无可避免地会产生变化。如何通过无损检测迅速评估出古建筑正常木材所保有的主要力学性能，在近些年已成为研究的重点关注方向之一。
最新的研究成果显示，自然老化对于古建筑木材力学性质的影响存在着一条 “宏观 - 微观 - 化学组分” 的链条。也就是说，自然老化致使木材力学性质发生的改变，是由木材微观结构的变化所引发的，而微观结构的变化又源自化学组分的变动。
木材的自然老化属于一个繁杂的化学过程，会受到多种多样环境因素的左右。与此同时，木材本身具有极高的变异性，不同树种化学组分的相对含量存在较大的差异。尽管已有较多围绕自然老化对木材物理力学性能参数影响的相关研究。
然而，截至目前，对于自然老化对古建筑木材力学性能的影响规律，仍未形成清晰明确的认知。这使得在古建筑木材力学性能的研究和保护方面，仍面临诸多挑战，需要进一步深入探索和研究，以更好地保护和传承古建筑的价值。