略談對木結構建筑的研究
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1應縣木塔的建模與分析
全塔采用了四百多組構筑奇巧的斗栱，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)境侵蝕和多次強地震作用，結構變形和損傷嚴重，亟待修繕加固。應縣木塔的維修加固是中國文物保護工作的重大課題。自1991年國家文物局批準成立“山西省應縣木塔修繕工程領導小組”以來，國家已組織了大量的人力、財力對應縣木塔進行了勘測、試驗和研究。目前，應縣木塔修繕方案的研究論證工作仍在繼續(xù)開展，運用現(xiàn)代分析模擬技術進行木塔保護研究，已取得了一批較豐碩的成果。徐燊等對應縣木塔進行了計算機建模方法的研究，提出了可動態(tài)修改的三維建模方法，以提高模型制作的效率。該方法由四個步驟實現(xiàn):將木塔的構件按斗栱、柱、梁栿進行分類，找出相應的規(guī)律性;以現(xiàn)有測繪數(shù)據(jù)為基準并依據(jù)《營造法式》的尺寸制度，以層為單位，構建主體結構的三維復原模型;將實測的變形值編入程序，對復原模型的坐標位置進行動態(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)葮嫾瓿扇咳S復原工作。張舵等在應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際構造的問題。
在有限元模型中，把斗栱設為一個在結構上與實際構造相似的梁單元組合，斗栱的各個構件均簡化為梁單元桿件并在端部采用剛性連接，通過調整梁單元的剛度來改變斗栱構件的連接剛度。在此基礎上，他們建立了以梁單元為基本單元的木塔有限元模型，并結合木塔的實測模態(tài)結果確定了斗拱的剛度。杜雷鳴等在應縣木塔的抗震性能研究中，將斗拱節(jié)點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)點域為剛接和鉸接的木塔整體有限元模型，并對這兩種簡化模型開展動力特性分析。模型分析結果與木塔實測值的對比表明，兩種簡化模型的分析振型與實測振型基本吻合，且實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的范圍。王玨、施穎等依據(jù)陳明達專著《應縣木塔》所提供的建筑結構數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)場法式查勘和參數(shù)核對，運用有限元軟件ANSYS建立了體現(xiàn)木塔“殿堂結構”特征的斗拱-柱圈層疊式有限元模型。該模型具有以下特點: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構層與柱圈子結構層，整個塔身為18個斗拱-柱圈子結構層的豎向疊加;將全塔416朵斗栱根據(jù)鋪作類型和構造特征分為22種建模，其中，明層斗栱層內外槽共17種，暗層外槽斗栱5種。暗層內槽鋪作按照方木疊成的井干結構考慮;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根柱的實測坐標，構建出整塔的基本構架;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。該模型較好地表達了結構變形和構件損傷的實際狀態(tài)，可為木塔的安全評價和修繕加固提供參考。
2木結構的數(shù)字化與信息技術
近年來，國內外學者在歸納古建筑木結構的構造特征、提煉構件的基本模數(shù)、運用數(shù)據(jù)庫進行信息管理等方面開展了應用性研究，并取得了初步成果，為古建筑木結構通用建模系統(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)模型庫和智能設計系統(tǒng)，并利用因特網(wǎng)信息傳播的優(yōu)勢，推動研究人員和學生對傳統(tǒng)建筑知識的深化理解和創(chuàng)新運用。這一基于網(wǎng)絡的智能系統(tǒng)名為“Kota-Sys”，面向四個應用方面:公共信息、教育、設計和研究。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?！癒otaSys”歸納了韓國重點古建筑中“Gongpo”的構件分類、連接、安裝和組合等規(guī)則，運用可視化技術和智能設計系統(tǒng)，實現(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。對使用斗栱的大式建筑，以“斗口”為基本模數(shù);對不使用斗栱的小式建筑，以“檐柱徑”為基本模數(shù);在此基礎上，進一步確定構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》，針對古代宮殿建筑進行分析，得出了相應的參數(shù)化描述，并運用數(shù)據(jù)庫管理技術得到有層次和結構的數(shù)據(jù)，用VB編程生成宮殿建筑三維模型的腳本文件，在AutoCAD中運行后生成古建筑模型。王茹針對古建筑工程結構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)為基礎模數(shù)的古建筑3D通用構件庫的構建方法，并在此基礎上開發(fā)了構件庫可視化應用接口。該方法可建立工程級別的精細矢量三維模型，重建古建筑的外形和內部工程結構關系為古建筑的重建、修復提供了新的技術手段。
3結論
隨著社會文明的進步、文化遺產(chǎn)保護投入力度的增加、以及多學科知識的交融綜合，現(xiàn)代模擬分析技術將在古建筑保護研究中發(fā)揮更加重要的作用。
作者：袁建力 單位：揚州大學