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略谈对木结构建筑的研究

1应县木塔的建模与分析

全塔采用了四百多组构筑奇巧的斗栱,是木塔最具特色的组成部分。木塔始建于公元1056年,经历了近千年的环境侵蚀和多次强地震作用,结构变形和损伤严重,亟待修缮加固。应县木塔的维修加固是中国文物保护工作的重大课题。自1991年国家文物局批准成立“山西省应县木塔修缮工程领导小组”以来,国家已组织了大量的人力、财力对应县木塔进行了勘测、试验和研究。目前,应县木塔修缮方案的研究论证工作仍在继续开展,运用现代分析模拟技术进行木塔保护研究,已取得了一批较丰硕的成果。徐燊等对应县木塔进行了计算机建模方法的研究,提出了可动态修改的三维建模方法,以提高模型制作的效率。该方法由四个步骤实现:将木塔的构件按斗栱、柱、梁栿进行分类,找出相应的规律性;以现有测绘数据为基准并依据《营造法式》的尺寸制度,以层为单位,构建主体结构的三维复原模型;将实测的变形值编入程序,对复原模型的坐标位置进行动态修改,得到符合现状的残损模型;将各层模型叠合,配上楼梯、栏杆、屋檐、塔顶等构件,完成全部三维复原工作。张舵等在应县木塔有限元分析模型的研究中,通过引入梁单元组模拟斗栱连接,以解决虚拟半刚性单元难于反映实际构造的问题。

在有限元模型中,把斗栱设为一个在结构上与实际构造相似的梁单元组合,斗栱的各个构件均简化为梁单元杆件并在端部采用刚性连接,通过调整梁单元的刚度来改变斗栱构件的连接刚度。在此基础上,他们建立了以梁单元为基本单元的木塔有限元模型,并结合木塔的实测模态结果确定了斗拱的刚度。杜雷鸣等在应县木塔的抗震性能研究中,将斗拱节点域简化为刚接和铰接两种类型。采用有限元软件ANSYS分别建立了节点域为刚接和铰接的木塔整体有限元模型,并对这两种简化模型开展动力特性分析。模型分析结果与木塔实测值的对比表明,两种简化模型的分析振型与实测振型基本吻合,且实测频率介于两种简化模型的分析值之间,因此,可用两种简化模型的分析值来界定木塔地震响应的范围。王珏、施颖等依据陈明达专著《应县木塔》所提供的建筑结构数据,结合现场法式查勘和参数核对,运用有限元软件ANSYS建立了体现木塔“殿堂结构”特征的斗拱-柱圈层叠式有限元模型。该模型具有以下特点:将木塔的塔身分为五层明层和四层暗层,每一明层和暗层均可分为斗栱子结构层与柱圈子结构层,整个塔身为18个斗拱-柱圈子结构层的竖向叠加;将全塔416朵斗栱根据铺作类型和构造特征分为22种建模,其中,明层斗栱层内外槽共17种,暗层外槽斗栱5种。暗层内槽铺作按照方木叠成的井干结构考虑;柱的倾斜和位移是引起木塔整体变形的主要因素,通过确定全塔316根柱的实测坐标,构建出整塔的基本构架;根据柱身裂缝开展的宽度和长度、额枋下挠和端头压损的程度以及斗栱变形破损的程度,分别采用有效截面或弹性模量折减的方法反映刚度的下降。该模型较好地表达了结构变形和构件损伤的实际状态,可为木塔的安全评价和修缮加固提供参考。

2木结构的数字化与信息技术

近年来,国内外学者在归纳古建筑木结构的构造特征、提炼构件的基本模数、运用数据库进行信息管理等方面开展了应用性研究,并取得了初步成果,为古建筑木结构通用建模系统的研制提供了有益的借鉴。JinWonChoi等基于“民族特征的即为世界共有的”理念,研制了韩国传统建筑的数据模型库和智能设计系统,并利用因特网信息传播的优势,推动研究人员和学生对传统建筑知识的深化理解和创新运用。这一基于网络的智能系统名为“Kota-Sys”,面向四个应用方面:公共信息、教育、设计和研究。类似中国古建筑的“斗口”模数制,“KotaSys”的数据模型库以“Gongpo”(斗栱)为基本模数体系。“KotaSys”归纳了韩国重点古建筑中“Gongpo”的构件分类、连接、安装和组合等规则,运用可视化技术和智能设计系统,实现传统建筑的三维重建或创新研制王婉等探讨了古建筑的数字化研究方法,将明、清建筑的模数分为“斗口”和“檐柱径”两种模数制。对使用斗栱的大式建筑,以“斗口”为基本模数;对不使用斗栱的小式建筑,以“檐柱径”为基本模数;在此基础上,进一步确定构件和各式建筑的基本参数,以生成不同的古建筑模型。参考《工程做法则例》,针对古代宫殿建筑进行分析,得出了相应的参数化描述,并运用数据库管理技术得到有层次和结构的数据,用VB编程生成宫殿建筑三维模型的脚本文件,在AutoCAD中运行后生成古建筑模型。王茹针对古建筑工程结构3D模型重建作业量巨大的问题,通过古建筑形制化集成的研究,提出了以“斗口”模数为基础模数的古建筑3D通用构件库的构建方法,并在此基础上开发了构件库可视化应用接口。该方法可建立工程级别的精细矢量三维模型,重建古建筑的外形和内部工程结构关系为古建筑的重建、修复提供了新的技术手段。

3结论

随着社会文明的进步、文化遗产保护投入力度的增加、以及多学科知识的交融综合,现代模拟分析技术将在古建筑保护研究中发挥更加重要的作用。

作者:袁建力 单位:扬州大学

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