一種古建築下開口單材拱的拱口加固處理結構的製作方法

2023-06-26 11:14:26 1

本發明屬於古建築木構架體系中鬥拱構件的保護修繕，具體說的是一種古建築下開口單材拱的拱口加固處理結構。

背景技術：

鬥拱在古建築木構架體系中，是一個相對獨立的門類，清代木作中有專門的「鬥拱作」。

「單材拱」為古建築大木作鬥拱做法，即古建築橫拱和華拱用材大小和做法的稱謂，單材即為小於足材的用材。按宋式建築「材」的推算，「單材拱」為廣（高）十五分，厚十分，「單材拱」的背上不施栔。漢代時期的拱大多為「單材拱」，一般認為，「單材拱」源於兩個成因，一、是拱端部分安置散鬥，導致拱與拱或枋之間的空缺，形成單材拱的形式；二、是橫木（即早期的拱）本身，就是平直的枋木重疊演變而來的。

「拱口」是宋式建築大木作構件做法，即為了使拱與拱之間相交結合，而製作的榫卯結構。製作「拱口」的構件，據宋《營造法式》規定，包括華拱、泥道拱、瓜子拱、慢拱、令拱以及騎栿拱、絞昂拱等。「拱口」位於拱相交處，有上開口、下開口和上下均開口三種做法。漢至唐代的許多華拱為單材做法，至宋代才對「單材拱」進行分類，並繪製圖樣，規定尺寸，拱與拱相交，上層拱為下開口拱口，下開口的單材拱構造如圖1所示。

由於鬥拱構件的件數最多，而且是小構件，結構複雜，富於變化，各種構件互相搭交，鋸鑿榫卯，一般剩餘的有效截面都很小。整攢鬥拱由於外力作用，如簷桁向外滾動，柱子下沉，梁架歪斜等都能引起鬥拱的各構件因受力不均而發生位移，因之扭閃、變形，常常伴隨出現拱口擠裂，拱頭乾裂糟朽和折斷等現象。

目前，我國古建築下開口單材拱中拱口部位的加固修繕技術是：對於劈裂未斷的單材拱拱口，可採用化學粘結劑灌縫粘牢，並用鐵扒釘釘固。左右扭曲不超過3mm的可以繼續使用，超過3mm的應更換。對於拱口折斷的單材拱，則採用乾燥的硬雜木按原鬥拱的尺寸樣式進行補配更換。

對於鬥拱構件的更換，由於鬥拱構件是手工製作，原設計雖有一定的標準，但在製作過程時經過畫線、鋸截、錛鑿、開榫卯等工序，不可避免的產生一些小誤差，構件大的，不易查覺，構件小的就比較明顯了。

採用化學粘結劑灌縫並結合鐵扒釘釘牢的加固措施雖然在短期內剛度較強，但柔韌性、耐久性、抗扭轉能力不足。首先，化學粘接劑為一種膠體，在空氣中易氧化，耐久性較差，粘接在一起的下開口單材拱拱口，如果長時間暴露在大氣中，粘接劑易老化脆裂，導致灌縫處開裂，整體性降低；並且這種依靠鐵扒釘加固的結構，抗扭轉能力較弱，如遇地基不均勻沉降或地面震動，容易造成鐵扒釘與拱口左右之間的連接部位鬆動，造成下開口單材拱拱口連接處加固件失效，從而使鬥件的安全性仍受到威脅。其次，鐵扒釘釘固下開口單材拱拱口的過程中往往會破壞鬥拱構件；改變了古建築木結構的原材料及施工工藝，且金屬件加固木構件是通過「嵌入」或「固定」的方式達到加固的目的，這種不可逆的加固技術不僅不利於加固件的檢修或更換，也不利於木結構的保護。另外，對於採用完全更換的措施，則有悖於儘可能保持古建築木構件原真性的原則，失去了原有下開口單材拱所承載的歷史價值和文物價值。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供一種古建築下開口單材拱的拱口加固處理結構。在不改變原材料及施工工藝的基礎上，對古建築下開口單材拱構件中的拱口部位進行加固修繕處理。

為實現上述技術目的，所採用的技術方案是：一種古建築下開口單材拱的拱口加固處理結構，由中段拱身、以及插接在中段拱身兩端的左拱頭與右拱頭組成，所述的中段拱身為倒t型結構，中段拱身由中間的子蔭拱體、以及子蔭拱體兩側的拱身側翼組成，子蔭拱體和兩個拱身側翼的底面平齊，子蔭拱體的長度與拱口的長度一致，在子蔭拱體的前後兩側面中心位置分別開設子蔭，在子蔭的兩側分別開設有拱眼a，在子蔭拱體的左右兩斷面上各開設一條燕尾卯口a，左拱頭與右拱頭從斷面方向向拱頭端均開設卯口，卯口的形狀與拱身側翼相匹配，在卯口上方的左拱頭與右拱頭的前後兩側均開設有拱眼b，兩個拱身側翼分別插入兩個卯口內使拱眼a和拱眼b拼合為拱眼，卯口下部的左拱頭斷面為拱頭下斷面，拱頭下斷面的高度與拱口的高度相同，卯口上部的左拱頭斷面為拱頭上斷面，在拱頭上斷面上設有與燕尾卯口a對應設置的燕尾卯口b，與燕尾卯口a和燕尾卯口b相匹配的銀錠榫榫接入燕尾卯口a和燕尾卯口b中，將中段拱身與左拱頭、右拱頭在水平方向拉結為一體。

本發明所述的卯口的深度不小於下開口單材拱平出的末端位置。

本發明所述的銀錠榫由硬雜木製成。

本發明所述的卯口的高度為2cm。

本發明所述的卯口的截面為矩形或梯形。

本發明有益效果是：

本專利與現有技術比較：

首先，本專利能夠大大提高古建築下開口單材拱的整體穩定性，利用補配的硬雜木四稜柱體兩端的矩形凸榫與原下開口單材拱被分隔開的左右兩端拱身的矩形卯口進行插接接榫，可以加強這種單材拱在上下方向的整體強度和柔韌性，科學合理的受力分配可保證受力支點處產生的彎矩最小，並且單材拱拱口處所受剪力最小，大幅度降低了拱口撕裂或折斷的機率。通過銀錠榫插接，將單材拱左右兩端部與拱口所在的硬雜木稜柱體在左右及前後水平方向拉結固定，從而加強了拱口處的抗扭轉性能，降低了拱口兩側產生扭轉變形的風險。

其次，這種通過多種榫卯插接組合的固定方式大大提高了下開口單材拱拱口處的整體穩定性，如遇地震或突發振動，榫卯的相互擠壓和摩擦能消耗地震能量，減小對下開口單材拱結構整體的破壞，水平方向有銀錠榫來加強整體的拉結力，上下方向可由矩形榫卯插接接榫來抵抗拱口處所受的剪力，從而達到了加強下開口單材拱整體的強度，提高了其抗震性能。

最後，這種加固結構用料較少，加工十分方便，實際加固操作工序較簡單，既節省原材料，有利於環保，又大大降低維修施工的勞動強度，且在以後的古建築鬥拱保護修繕過程中，只需將所插接的硬雜木稜柱體、在前後和左右方向起拉結作用的銀錠榫更換即可。

綜上所述，可以反映出，這種通過多種榫卯插接組合的方式加固下開口單材拱拱口的處理結構，在保持單材拱拱口結構穩定性、抗扭轉性、抗震性以及修繕更換方面的巨大優勢，未來具有廣闊的發展前景。

附圖說明

圖1為現有技術的下開口單材拱結構示意圖；

圖2為本發明的爆炸結構示意圖；

圖3為本發明的另一種形式的爆炸結構示意圖；

圖4為圖2的組合後結構示意圖；

圖5為圖3的組合後結構示意圖；

圖中：1、中段拱身，101、子蔭拱體，102、拱身側翼，2、左拱頭，3、右拱頭，4、子蔭，5、拱頭，6、拱眼，7、平出，8、拱口，9、燕尾卯口a，10、燕尾卯口b，11、拱頭上斷面，12、拱頭下斷面，13、卯口，14、拱眼a，15、拱眼b，16、銀錠榫。

具體實施方式

如圖所示，一種古建築下開口單材拱的拱口加固處理結構，由中段拱身1、以及插接在中段拱身1兩端的左拱頭2與右拱頭3組成，中段拱身1、左拱頭2與右拱頭3不論哪部件損壞，均可進行單獨製作，可保留原下口單材拱未損壞的部分切割成型後繼續使用，所述的中段拱身1為倒t型結構，即水平段朝下設置，豎起段朝上設置，中段拱身1為一體成型，其由中間的子蔭拱體101、以及子蔭拱體101兩側的拱身側翼102組成，子蔭拱體101和兩個拱身側翼的底面平齊，子蔭拱體101的長度與拱口8的長度一致，在子蔭拱體101的前後兩側面中心位置分別開設子蔭4，在子蔭4的兩側分別開設有拱眼a14，在子蔭拱體101的左右兩斷面上各開設一條燕尾卯口a9，左拱頭2與右拱頭3均為一體成型，其端頭的形狀與原下開口單材拱的拱頭形狀一致，左拱頭2與右拱頭3從斷面方向向拱頭端均開設卯口13，卯口13水平開設有左拱頭2和右拱頭3內，卯口13的形狀與拱身側翼102相匹配，在卯口13上方的左拱頭2與右拱頭3的前後兩側均開設有拱眼b15，兩個拱身側翼102分別插入兩個卯口13內使拱眼a14和拱眼b15拼合為拱眼6，卯口13下部的左拱頭斷面為拱頭下斷面12，拱頭下斷面12的高度與拱口的高度相同，卯口13上部的左拱頭斷面為拱頭上斷面11，在拱頭上斷面11上設有與燕尾卯口a9對應設置的燕尾卯口b10，與燕尾卯口a9和燕尾卯口b10相匹配的銀錠榫16榫接入燕尾卯口a9和燕尾卯口b10中，將中段拱身1與左拱頭2、右拱頭3在水平方向拉結為一體。

所述的卯口13的深度不小於下開口單材拱平出7的末端位置，平出的首端在拱口的中心線處。

所述的銀錠榫16由硬雜木製成。

所述的卯口13的高度為2cm。

所述的卯口13的截面為矩形或梯形，相應的拱身側翼102的截面為矩形或梯形，當為矩形時，如圖2所示，當為梯形時為圖3所示。

利用硬雜木四稜柱體兩端的矩形凸榫與原下開口單材拱被分隔開的左右兩端拱身的矩形卯口進行插接接榫，可以加強下開口單材拱在上下方向的整體強度和柔韌性，原單材拱拱身左右兩端部的自重及其上層構件所承載的荷載會施加在所補配的硬雜木稜柱體兩端的矩形凸榫上，即在單材拱平出部位的末端上部形成受力支點，這樣可保證左右兩端接縫處產生的彎矩最小，而拱口處所受剪力最小，從而大幅度降低了拱口斷裂或折斷的機率。另外，通過銀錠榫插接，將單材拱左右兩端部與拱口所在的硬雜木稜柱體在左右及前後水平方向拉結固定，從而加強了拱口處的抗扭轉性能。

總之，這種通過多種榫卯插接組合的固定方式大大提高了下開口單材拱拱口處的整體穩定性，如遇地震或突發振動，榫卯的相互擠壓和摩擦能消耗地震能量，減小對下開口單材拱結構整體的破壞，水平方向有銀錠榫插接來加強下開口單材拱整體的穩定性和抗扭強度，上下方向可由硬雜木四稜柱體兩端的矩形凸榫與原下開口單材拱被分隔開的左右兩端拱身的矩形卯口進行插接接榫來抵抗拱口處所受的剪力，從而達到了加強下開口單材拱整體的強度，或利用梯形凸榫進一步減少剪力的作用。

實施例1

「華拱」古建築大木作鬥拱組件，宋式建築稱謂，明清建築稱「翹」，於鬥拱鋪作中，垂直於建築面闊方向，挑向裡外。「華拱」又稱為「抄拱」、「卷頭」、「跳頭」等，「華拱」有單材和足材之分，根據宋《營造法式》規定，凡柱頭或轉角鋪作，均採用足材「華拱」，補間鋪作均為單材「華拱」。漢代建築明器，所反映挑出的枋木，是後世「華拱」的原形。南北朝時期「華拱」，在保留漢代傳統的同時，流露出加長的跡象；隋唐建築出簷加深，導致多重出跳「華拱」的使用。

在古建築修繕工程中，「華拱」由於數量較多，對於下開口華拱而言其拱口被撕裂或折斷的現象非常普遍，可採用本專利技術進行加固修繕。

具體加固步驟如下：

①在堅持不改變古建築原材料及施工工藝原則的基礎上，將批裂或拱口折斷的下開口單材拱沿拱口的左右邊完全鋸開，在被分割開的單材拱拱身左右兩側部分，沿著拱眼部位下的截斷面上各開一個高2cm的卯口，卯口的深度不小於單材拱平出的末端位置（如圖2所示）。下開口單材拱通常沿泥道拱中線出裡跳和外跳，「出跳」的多寡，決定著整座建築出簷的深遠，出跳的拱必須是懸挑構件，而且懸挑構件端頭是上一構件的支點。因此，平出末端位置即為上層鬥拱的支點。

②用幹硬性的硬雜木，按照上述單材拱的截面尺寸製作一個四稜柱體，四稜柱長度大於或等於此單材拱兩倍的平出之長。在硬雜木四稜柱體的前後兩個側立面中間位置開子蔭槽口，尺寸樣式與原下開口單材拱子蔭相同。然後在此四稜柱體左右兩端距下表面2cm的位置處各鋸掉一個矩形木塊，使硬雜木四稜柱兩端面上形成兩個矩形凸榫即拱身側翼，凸榫的尺寸樣式與被分割開的單材拱拱身斷面上所開的卯口相同，得到中段拱身。

③在被分割開的單材拱拱身左右兩側部分的斷面上部中間的位置，各開一個豎直的燕尾卯口b，大尺寸在內小尺寸在外；再在硬雜木四稜柱體兩端截面上部中間的位置，也各開一個與拱身斷面相同的燕尾卯口a，同樣是大尺寸在內小尺寸在外；然後，利用硬雜木製作兩根銀錠插榫，尺寸與原拱身斷面和四稜柱截面上的燕尾卯口相同。

④將硬雜木四稜柱體兩端的矩形凸榫與原下開口單材拱被分隔開的左右兩端拱身的卯口進行插接接榫，使原拱身兩端與硬雜木四稜柱體在上下和左右方向連成一個整體。兩端拱身的自重及其上部承託的荷載均施加在硬雜木四稜柱體兩端的凸榫上，使兩端矩形凸榫成為此單材拱上層構件的兩個支點。在原單材拱拱身左右兩端部與補配的硬雜木四稜柱體結合處的上表面，用銀錠插榫插接將三者在前後和左右方向拉結在一起，防止原下開口單材拱遺存下來的左右兩側拱身與硬雜木稜柱體在水平方向發生相對位移，進一步加強三了者之間的整體穩定性。

⑤在補配的硬雜木四稜柱體側立面拱眼部位的接縫處鑿刻補全單材拱拱眼形狀，原單材拱左右兩側拱身與硬雜木四稜柱體通過榫卯拉結組合成為一個整體，其下部中間形成一個凹槽，即為此單材拱的拱口。

實施例2

「瓜子慢拱」宋式建築大木作鬥拱構件，清式建築稱「瓜子萬拱」。「瓜子慢拱」位於瓜子拱之上，因出跳的多少，可細劃為多跳位置上的「瓜子慢拱」，如一跳「瓜子慢拱」、二跳「瓜子慢拱」等。「瓜子慢拱」屬慢拱之列，做法與泥道拱相同，其長為九十二分，四瓣卷剎，單材形制。

對於古建築中下開口的瓜子慢拱，其拱口殘損往往較為嚴重，可採用本專利技術方案對其進行加固修繕，具體的加固修繕方法與步驟與實施例1相同。