应县木塔综合保护与研究项目


  2011-03-10
        1 应县木塔综合保护与研究项目背景
  应县木塔是“山西应县佛宫寺释迦塔”的俗称,建于辽清宁二年(公元1056年),塔高66.7米,外观五层,底层为重檐,加绕一圈围廊,底径30.3米,为我国最具价值的多层木结构古建筑,是世界上现存年代最古老、结构最复杂、最高的木结构建筑遗产,在世界建筑史上具有重要的地位和意义。应县木塔综合保护与研究工程是当今文物建筑保护与研究领域所面临的最大难题与挑战之一,受到社会的极大关注。
  现阶段,国家文物局对应县木塔保护工作的指导意见是近期保护工作暂不考虑“落架大修”“上部抬升,下部落架维修”“现状整体支撑加固”等较大规模的保护维修方案。应当针对木塔现存险情,认真研究、制定“现状抢险加固”方案,采取必要的修缮保养措施。2007年4月10日,国家文物局在山西太原召开“应县木塔修缮保护工程座谈会”,建议应县人民政府为应县木塔修缮保护工程的法人单位。自2007起,受应县人民政府的委托,我院分别承担了应县木塔整体保养性维修与监测方案设计、应县木塔监测系统设计与实施、应县木塔保养维修工程监理与技术指导等项目。与此同时,我院还陆续启动了应县木塔综合保护工程技术难题科研攻关和数据库建设等项目。

        2 应县木塔现状概况
  应县木塔结构实为九层,其中有四个结构层为平坐层,也称为“暗层”,夹在各明层之间,是一个中空的双层环状结构。在平坐层内柱子之间和内、外角柱之间架设不同方向的斜撑,形成桁架结构(TRUSS),有如一层刚性加强层,有效地增强了木塔整体结构的强度。中空的部分增加了明层的净空高度,以便安置较高大佛像。其余五层为明层,每层都供奉佛像,除首层供奉的释迦牟尼金身坐像高达11米外,其上四层佛像尺度相对较小。全塔共使用400余攒不同类型的斗拱,平面则采取内、外两圈八边形立柱,内圈主柱8根,外圈主柱24根,形成内外双层套筒式的平面结构。内柱环绕的空间是佛堂,内外柱之间的空间称为外槽,是供朝拜礼佛活动的通道,称为外槽。外槽外面是各层出挑的平坐,外槽内由扶梯可供上下。

        佛宫寺应县木塔结构构件数量众多,为中国现存古建筑木结构之最。主要构件包括柱子658根(主柱312跟,直径560mm~640mm;辅柱346根),阑额及普拍枋共有304根,梁栿248榀(截面尺寸为460mmx430mm),铺作层枋子4800个(截面尺寸约为255mmx170mm),栌斗424个,散斗大约9000个,上述结构构件数量合计约15434件(根),体积达2200立方米,木材重约1300多吨。由其用料量可知,木塔的实际体积很大,但由于每层都设置向外挑出的平坐与走廊,以及层层飞翘的塔檐,因而没有笨重的感觉。凹进的斗拱与凸出的平坐、瓦当等物件,在阳光照耀下形成明暗对比,更增加了韵律上的情趣。

  

        应县木塔已有逾950余年之历史,虽多次遭受地震及人为破坏,至今其主体结构仍保持完整,结构残损现状如下。
  (1) 结构倾斜与扭转
  现场残损勘察和结构变形监测结果表明,应县木塔结构倾斜和扭转是其整体结构当前最为严重的安全隐患,其中以二层明层局部倾斜程度尤甚,倾斜柱最大倾角已达11.3°之多(注:意大利比萨斜塔的倾斜角度大约为5°)。

 

  3 监测系统设计与实施
  2007年8月,我院与合作单位工作人员进驻应县木塔现场,于9月初完成现场工作,9月下旬完成《佛宫寺释迦塔(应县木塔)监测方案设计》的任务,11月通过国家文物局组织的专家组的评审。

  1) 应县木塔监测(一期)
  主要内容包括应县木塔整体结构动力特性检测、局部结构变形监测、环境监测和地面脉动监测及地震监测等。年底,项目组按照合同要求全面完成了各项任务,2009年3月提交了《应县木塔监测年度报告(2008年)》,并经专家座谈会讨论。
  2) 应县木塔监测(二期)
  项目内容主要包括整体结构变形监测、风荷载及风效应现场监测和补充局部结构变形监测等,项目主要工作至2010年底前基本完成。
  

 

  3) 现阶段成果
  依据《佛宫寺释迦塔(应县木塔)监测系统方案设计》,应县木塔监测系统主要包括结构变形监测、整体结构动力特性检测、环境监测和地面脉动及地震监测等内容。
  a) 变形监测
  (1)倾斜变形监测
  应县木塔二层明层西南面、三层明层西面外槽柱内倾变形仍在发展,应采取有针对性的加固措施,以控制该变形的进一步发展。同时应重点关注,二层明层西南面外槽柱子的倾斜与二层平坐层西南面内槽柱头斗拱外倾之间的联系,在研究设计与制定加固方案的时候,需要考虑两者之间的关系。应继续加强该部位的连续变形监测。
  (2)铺作(斗拱)压缩变形监测
  监测周期内,该转角柱头铺作压缩变形趋势是短期内(以月计)在变形平衡位置上下振荡,中期(以年计)压缩变形略有发展。转角柱头铺作压缩变形趋势是振动下的持续发展,且发展趋势明显,回调空间不大。建议对该铺作做全面的残损勘察与受力分析,研究造成压缩变形继续发展的原因,并有针对性的研究制定加固处理措施,同时,对该铺作继续加强监测,以获取进一步压缩变形的数据。
  (3)梁枋弯曲变形监测
  该部位压缩变形仍有继续发展的趋势,且压缩变形并不均匀,存在压缩变形差。监测开始阶段,正是5.12四川汶川地震刚刚发生不久,变形发展迅速。进入2008年7月,变形趋势趋缓。应设立有针对性的专题研究,分析汶川地震对应县木塔本体结构的影响,获取应县木塔抗震性能的准确数据。应继续加强监测,以获取进一步的变形数据。
  该额枋已经严重弯曲,且具有劈裂残损点,本期监测数据表明,弯曲仍在继续发展中。
  (4)二层明层斗拱水平平面内变形监测
  2008年6月至2010年2月期间,二层明层斗拱层平面内变形反复振荡,处于稳定状态。
  b) 环境监测
  根据应县木塔所在场地的环境监测实测数据资料统计,监测期间的极端最高气温41.3℃ (2009年6月25日),最冷月为12月,极端最低气温-20.9℃ (2009年12月19日)。
  应县木塔地区最大瞬时风速为16.8 m/s(2009年4月15日),2分钟平均风速的最大值为16.2m/s(2009年4月15日),10分钟平均风速的最大值为13.6m/s(2009年4月15日)。
  c) 振动监测
  所记录的地震事件为1300km以外的5月12日汶川8.0级大地震的余震,最大加速度峰值约0.05g。场地施工影响最强,特别是振动压路机运行时可引起监控室附近的测震仪产生持续的0.10g甚至个别最大加速度峰值达到0.15g的振动,这对木塔会产生十分不利的影响。游客上下木塔或木塔北侧钢质台阶会引起脉冲型振动。
  d) 动力特性监测
  在有游客参观和无游客参观的两种工况下,木塔东西向和南北向的第一阶自振频率和第二阶自振频率均相同,第三阶自振频率有所不同,木塔东西向和南北向两个方向的一阶、二阶和三阶自振频率分别为0.635Hz、1.709 Hz、2.832 Hz和0.635Hz、1.709 Hz、2.783 Hz。应县木塔结构阻尼比为0.07。
  4 养护维修工程
  2008年6月,受应县人民政府委托。由中国文化遗产研究院负责木塔各层瓦面养护维修及钟鼓楼维修的监理任务和现场施工技术指导的工作。2008年完成木塔副阶屋面(工程实验段)养护维修和钟楼落架维修任务,2009年完成鼓楼落架维修工程。
  

  5 技术难题科研攻关
  我院高度重视应县木塔综合保护与研究的工作,自2007年承担该项目开始,就将其列入我院基本科研业务费重点资助的研究方向,至2010年我院基本科研业务费共资助项目如下。
  1) 木结构古建筑木构件横纹承压增强加固技术研究
  2007年立项资助该项目,2008年结项。该课题采用试验研究和数值分析的方法,针对应县木塔横纹承压构件承载能力不足的问题,研究落叶松木材横纹增强加固技术方法。课题成果解决了应县木塔底部三层横纹承压构件增强加固的技术问题。
  2) 应县木塔斗栱节点力学性能试验研究
         2008年立项资助该项目,2010年结项。课题主要内容是应县木塔斗栱节点隐蔽部位构造解析,1:1比例模型抗压和抗测力力学性能试验研究,应县木塔斗栱节点承载能力及其破坏形式分析。在中国文化遗产研究院?中国建筑科学研究院联合古建筑结构试验室开展了试验研究。课题主要成果是明确了应县木塔斗栱结构层构造、掌握了斗栱结构层用工用料计算方法和斗栱节点力学模型,清楚了应县木塔斗拱结构层在其整体结构抗震分析中的作用。
  

  3) 应县木塔二层明层结构变形及其对整体结构安全影响研究
         2010年中国文化遗产研究院基本科研业务费立项资助该项目,目前该项目仍在进行中。现有研究成果与监测数据表明,应县木塔明层倾斜(含局部倾斜和整体倾斜)是其结构体系当前最大安全隐患之一,其中二层明层尤为突出。然而其抗侧力性能的研究尚待进一步深化。本项目拟在我院2007年度基本科研业务费资助项目《应县木塔斗拱节点力学性能试验研究》成果的基础上,进而开展应县木塔二层明层详细测绘、试验研究和计算机数值分析的工作,依据试验和数值模拟的结果,研究应县木塔二层明层倾斜变形的现状及其成因,科学评价应县木塔二层明层倾斜变形对本体结构安全的影响。
  6 应县木塔现状信息数据库建设
  《应县木塔现状信息采集数据库建设》项目于2008年8月立项。截至到2010年年初,按计划完成一期工作,其内容包括:搭建2008年前应县木塔研究保护成果数据化后台信息库;建立应县木塔研究资料前台数据搜索、查询系统平台;收录为配合前期的成果所做的现状勘测、摄影数据资料。
  在上述工作基础上, 我院基本科研业务费于2009年立项资助了应县木塔现状信息采集系统建设(二期)项目。该项目将对近期的结构安全监测数据资料,以及之后进行的现状摄影勘察资料、三维激光扫描成果数据,进行信息化整理后,导入应县木塔后台信息数据库,并建立相应前台信息检索、查询模块,逐步完善应县木塔信息化管理系统;建立、完善应县木塔后台数据管理系统,为参与应县木塔保护工作的技术人员提供数据实时录入、管理信息化平台。
  

  7 结构安全性初步评估与工作展望
  基于现有的勘察、试验、测绘和监测报告等技术资料,应县木塔现状结构安全性初步评估如下。
  1) 在没有意外的突发事件(火灾、强度超过7级的地震(近震)、超过10级的风灾等)的正常情况下(即正常使用、正常的外界荷载作用下),应县木塔整体结构是相对稳定的,当前还没有发现整体结构突然倒塌的危险征兆。
  2) 应县木塔现场初步结构勘查结果表明,四层和五层及其平坐层整体结构完整且状态良好,构件变形不显著,除漏雨外这些部位无明显破坏特征。
  3) 应县木塔二层、三层明层倾斜严重的柱子,在自重作用下产生的水平推力,将进一步导致应县木塔向东北方向倾斜。而且倾斜越严重,水平推力越大,倾斜发展的速度就越快。这样,在一定的外界作用下,这些柱子存在倒塌的风险。局部柱子的倾斜倒塌,将危及应县木塔整体结构的安全。因此,为了确保应县木塔的结构安全,当务之急是要控制二层明层倾斜柱倾斜变形的进一步发展。
  4)  应县木塔底层墙体内部构造与缺陷不明,墙内柱子分布、材质状况有待于进一步的勘察与研究。部分构件存在破坏性的变形与残损,个别构件缺失,是应县木塔整体结构构造的薄弱点之一。
  5) 应县木塔平面为正八边形,竖向结构刚度分布相对均匀,斗栱结构层又具有良好的减震耗能作用,其结构前两阶自振频率分别为0.635Hz和1.709Hz,典型的柔性结构体系,整体结构具有良好的抗震性能,再考虑到应县木塔塔基具有显著的减震功能,正因为上述原因,历史上应县木塔才能够成功抵御多次大地震而屹立不倒。然而,由于局部和整体结构变形的进一步发展,再加上历史上的不当修缮,导致应县木塔局部和整体结构抵抗强震、强风的能力降低。
  接下来的工作,将在现有工作成果的基础上,采取合作方式,围绕应县木塔现状抢险加固方案设计的任务,开展应县木塔结构加固全面的、系统的、深入的分析与研究工作。在现状抢险加固方案的实施过程中,充分考虑应县木塔的结构特点,同时兼顾抗震和消防应急预案的需要。

供稿人:王林安,核稿人:侯卫东

  

  

  

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

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