基于应力波无损检测技术的苏州历史建筑木构件健康评估研究——以吴宅为例

基于应力波无损检测技术的苏州历史建筑木构件健康评估研究

——以吴宅为例

杨芮 许彦菡 雷雁舒 冯靖茹 王诗若

苏州大学金螳螂建筑学院215000

摘要：在苏州市潮湿多雨的气候条件影响下，历史建筑木构件长期存在的虫蛀、糟朽、劈裂等病害，对其进行科学分析与保护修缮的需求日益迫切。然而，针对苏州历史建筑木构件仍然缺乏定量评估与诊断方法的现状，基于飞行时间法（time of flight），以吴宅为例，利用应力波检测技术对其木构件展开健康评估研究。通过对现场目视勘察，筛选病害程度较为严重的地梁和木楼梯为检测对象，获取的数据信息对吴宅木构件健康状态进行定量评估。同时对后期干预手段和策略的制定提供一定科学支撑。

关键词：应力波无损检测技术；苏州；历史建筑；木构件健康评估

1 研究缘由

由于受风雨侵蚀、人为活动和自然灾害等外界因素的影响，历史建筑的材料状态与结构性能随时间推移不可避免地出现不同程度的减弱或受损。苏州历史建筑木构件位于腐朽危害风险区[1]，即木构件极易发生虫蚀、腐朽等现象，部分虫蚀与腐朽现象发生在木材内部，为历史建筑整体维护埋下重大隐患，对其进行科学分析与保护修缮的需求日益迫切。

在近年来的保护修缮工程实践中，由于忽视了对木构件健康状态[1]进行准确的检测与评估的重要性，对于已经发生病损、但并未丧失材料与结构功能的历史木构件，多采取粗放处理或直接替换的应对方法。在这样的修缮进程中，历史材料缺乏定量评估，更不利于后续的干预保护进程。在此环境下，苏州古建筑木构件正面临“材料与本体”真实性及物质文化属性异化、衰减、甚至消失的现实挑战。自上世纪五十年代起，国内外已出现了采用应力波技术检测木构件内部缺陷的先例[2]-[6]，并在此基础上逐步扩大应力波检测技术使用范围，将其应用于预测木材材料性能参数中。时至今日，应力波技术在无损检测木构件病损情况的研究中已较为成熟。因此，采用以飞行时间法的应用为基础的应力波无损检测技术来进行古建筑木构件内部健康状况进行健康评估，能够达到对建筑木构件修缮前期进行详细准确的检测工作、以更好的指导后续修缮或保护工作的要求，从而达到延长历史材料的使用寿命的目的。

2 吴宅的现状勘察

2.1 建筑特征及保存现状

吴古亭故居（以下简称吴宅）位于苏州市姑苏区平江历史街区建新巷29号。建新巷西起临顿路，东至平江河，位于钮家巷南；历史上经多次改建扩道，现为沥青路面交叉车道。吴宅为光绪年间建成的砖木混合结构建筑，屋顶为近代建筑较为典型的四坡水屋顶，为传统歇山屋顶与西式四坡水屋面结合的产物（图1）。由于外廊、腰线、阳台等构筑物的存在，建筑的整体立面被清晰地分为基座、屋身、屋顶等部分；每层的高度依据功能要求而略有差异，在整体上呈现出横向的延展构图，并依据中线而呈左右对称。

在近代中国的混乱背景下几经辗转，由于时代局限，加之无人打理而日渐荒废，吴宅也在历史的不断发展中不可避免地面对不同类型的病损情况，并因不同的材质而有所分异。以吴宅南立面为例，砖石结构部分除大面积的表面粉尘与植物附着外，立面砖石材质表面粗糙化、边角圆化以及局部缺损等难以避免的材料老化问题也较常见。

图1 吴宅现状照片

相较于砖石材料而言，木材质构件则更易受环境和自身理化性质的影响。由于历史建筑木构件具有个体差异，且受材料自身的硬度、耐腐性、抗压性等相关因素的制约；另外，吴宅历史上也曾出现过因局部失火而导致整体结构损坏的现象。因此，我们对吴宅木构件开展了材料勘察：通过对木构件初步的肉眼观察，判定木构件所使用的基本都是针叶材；通过对不同类型的木构件进行树种取样检测分析，树种检测通过显微观察技术对木构件所使用的树木种类做出鉴定，进而可得知木构件的材料力学属性。

吴宅内部木构件的较为严重的病损类型主要包括腐朽、蛀蚀等：

2.1.1腐朽：腐朽是历史建筑木构件面对的最常见、最严重的缺陷之一。吴宅内部木构件存在大量且程度较深的腐朽现象，主要分布在地梁、木楼梯、屋架以及与地面、外界直接接触或隐藏在砌体内部的位置。对于木材承重结构来说，严重的腐朽可能会导致木材有效承载截面产生衰减，进而影响到木材的理化性质。根据木材所处位置不同、起结构或装饰功能等也不尽相同，木构件的腐朽程度也有所差异[7]。

未加以表面处理的历史木构件若直接接触空气，本就易受真菌侵蚀而产生腐朽；在外部条件发生变化，如空气含氧或含水率等升高或降低时，更易迅速发生恶化。图示残损的地梁处周边承重构件均有不同程度的腐朽现象出现，且相较吴宅内部其他位置，此房间内整体受损情况更加严重，推测其与房间朝向、位置及围护结构受损等情况有关。

2.1.2蛀蚀现象：除受真菌的侵蚀而腐朽外，昆虫的蛀蚀现象也是历史建筑内木构件极易出现的病害类型之一。以甲虫为主的昆虫在木构件表面上产卵，孵化成幼虫；幼虫蛀蚀木材内部，沿木材径向方向向外蛀蚀，在木材构件表面形成大小不一的虫孔。木材表面出现的虫眼和虫沟对于木材后续利用一般危害不大；而深度超10mm以及有密集小虫眼及蜂窝状孔洞分布的位置，则有着木材整体结构完整性被破坏的威胁；木材的力学性能和耐久性能降低，并成为引起木材变色和腐朽的通道

[8]。以木楼梯为例，表层已肉眼可见地出现了昆虫蛀蚀孔洞。而内部结构的复杂情况则难以判断。

在对吴宅内部历史木构件进行初步观察记录并判断后，最终确认所需进行应力波试验的木构件：1-位于建筑西侧的起居空间的地梁（结构构件）、2-位于交通空间的楼梯下梁（结构构件）以及3-楼梯扶手立柱（装饰构件）。并对其进行木材腐朽的初步分级。

表1：试验构件腐朽的目测分级[9]

3基于应力波技术的无损信息采集与分析

3.1 建筑特征及保存现状

为了实现针对木材中声波传播的定量检测，现已开发出不同的无损检测评估测试方法，用以记录和分析声波的传播。现有用于检测木材内部空隙和退化程度最常见、最简单的技术之一是测量应力波在材料内部的传导时间，即飞行时间法的应用（Time of Flight, ToF）。利用冲击锤击打被检测样品的一侧引起应力波，与其连通的传感器立即向计时器发出开始信号；当传导的应力波到达木材试样的另一端时，安装在正对着冲击位置一侧另一端的附加传感器将感知应力波的到来，并向计时器发送停止信号。依靠传导时间长短和撞击位置与第二传感器之间的已知距离这两项数据，可计算出应力波在材料内部的传导速度，并将其运用于评估内部物理条件中。

利用应力波无损检测技术检测与定位结构内部损伤的能力一般取决于缺陷的大小和恶化程度；一般情况下，处于结构衰变早期阶段的木材状态很难被检测到。此外，由于木材是一种自然生长的非均质材料，应力波在木材结构中的传导也受到材料本身的各种因素影响，包括木材种类、含水量(MC)和生长方向等。在基于应力波的木材评估中，一般从木材标本的一端或一侧激发，以利用沿单元结构长度的主要纵向应力波进行数据收集。纵向传播的应力波能够贯穿整体构件的跨度，因此，纵向冲击能够给以沿样品整个长度的平均整体应力波速度；相应的，对于横波的检测仅在实验对象的局部传播，并只能够呈现出木材构件的局部特性。

平均而言，横向传导的应力波速约为纵向值的五分之一到三分之一。前人根据实验结果，整理出各不同种类完好木材纵向应力波速（平行于纹理）与横向应力波速（垂直于纹理）的数据，作为实际判断的依据和参考。利用这些参考速度，在实际进行中可以粗略评估波速以及木材试样的内部条件。参考速度和测量速度之间的相对差值则表明应力波在两个传感器之间发生衰减，即木材内部结构发生损坏。

表3：落叶松和山毛榉健康木材应力波传导速率[10]

根据木构件不同检测部位的应力波传播速度,确定整个木构件的内部腐朽状况。同一木构件的不同检测部位,应力波的传播速度越小,该部位的腐朽越严重。通常情况下,当应力波传播速度减少 23%时,就意味着木材强度损失达50%;当应力波传播速度减少35%时,就意味着木材遭到了严重损害。[9]

3.2 试验步骤

3.2.1 试验设备：单路径应力波测试仪（Fakopp），含有接收器、检测探针传感器、检测锤以及数据线。经过检测可收集单路径下检测探针传感器的传播时间。

3.2.2 试验操作：为准确确测量结构木材中应力波传导时间，从而得出更加精确的实验结论，在以下实验步骤中需特别注意：

(1)选定合适的测试区域：应力波传播测试应在选定的出现病害的部位周边展开，本实验分别选取1-地梁、2-楼梯下梁以及3-楼梯扶手立柱等作为实验对象。在对已选定三处进行试验的木构件进行肉眼初步观察之后，推测内部空洞情况并选取传感器插入部分，对其分别进行纵向分段测试以及不同位置的径向测试。

(2)连接传感器与样本木材：将两个测量传感器分别使用钉子与实验对象相连，使得木材和传感器连接足够紧密且在实验过程中不发生相对移动。传感器沿木构件本身纹理的走向或沿其切面方向（图7），并对于切面为圆形的地梁，在其切向选取B-B、C-C两处截面进行试验。沿木材纹理方向，除分别对A-A进行总体测量外，同时进行分段测量，即对0-a、a-b、b-c、c-d、d-1分别进行多次测量，对木构件内部健康情况进行分段推测。

图7 测量时传感器位置及角度示意

（图片来源：作者自摄）

根据应力波所需的传播路径不同，传感器可安装在不同位置，测量直接纵向、间接纵向、横向或半直接声传播路径。根据应力波传输模式的不同，钉子应垂直于木材表面(用于直接纵向、横向和半直接声音传播捕捉)连接，或在传感器和木材表面之间以约45°(最大60°)的角度(用于间接纵波传播捕捉)连接。

在历史建筑木构件的应力波无损检测整体实验过程中，通过传感器收集多个实验样本，并将具有判定等级的应力波已知样本数据作为依据，整合并判别木构件内部空洞等级。

3.3 数据结果与讨论

3.3.1 地梁

对吴宅地梁木构件内部健康状况的评估分别集中于纵向与横向的分段讨论。测得实验数据如表4所示。A-A方向即木构件纵方向，B-B、C-C分别沿径向。

图8 地梁测量现场与选定位置示意

（图片来源：作者自绘）

表4 实验对象1地梁应力波测试数据

3.3.2 楼梯下梁

实验对象楼梯下梁较实验对象地梁、楼梯扶手立柱外观更完好，肉眼观察无虫眼，开裂痕迹较浅、较少；面层漆饰无大面积脱落。实验数据如表5所示。其中，A-A沿木构件纵方向，B-B沿径向。

图9 楼梯下梁测量选定位置示意

（图片来源：作者自绘）

表5 实验对象2楼梯下梁应力波测试数据

3.3.3 楼梯扶手立柱

为探究木构件残损状况是否与实验对象是否为结构构件有关，选取实验对象3-楼梯扶手立柱；实验数据如表6所示。其中，A-A沿木构件纵方向，B-B沿纵向。

3.3.4 数据整理与分析

已知针对同一木构件的不同检测部位，应力波传播速度越小，该部位的腐朽越严重[9]。整体数据显示，当材料内部空洞面积较小时，测得应力波传导时间处于正常波动范围之内；即应力波检测技术对于构件内部较小空洞面积并不敏感。考虑到实验对象边缘均会存在不规则的自然裂缝，故即便在无空洞条件下，各路径的波速也可能存在一定的差异性。

（1）地梁：从表4中1-A-A数据分析得，在室温32℃的条件下，地梁构件内获取到纵向应力波速测量平均值在1128.2m/s至1834.5m/s范围内，自0a段至d1段对应平均速度分别为1346.9、1180.5、1128.2、1182.1、1834.5（m/s）；纵向应力波速理应超过径向应力波速，但在与落叶松健康木材应力波传导速率（表3）进行比对后发现，测量结果基本在健康径向木材速度范围内，即低于健康木材的应力波纵向速度范围；在对径向应力波速计算的1-B-B、1-C-C处应力波速数据时，获取到1-B-B（径向）0-1处各点平均速度分别为304.3、246.9、352.7、223.9、283.8、253.7（m/s）；1-C-C（径向）0-1处各点平均速度分别为207.7、183.4、184.6、153.5、210.0、132.3（m/s）；将所得平均速度与落叶松健康木材应力波传导速率进行比对（表3），得构件各处波速衰减均超70%；即木材遭受损害状况较为严重[9]。

（2）楼梯下梁：从表5中2-B-B数据可得，在室温32℃的条件下，楼梯下梁构件内获取到径向应力波速测量平均值在1332.5m/s至2134.3m/s范围内，0至1段内各处测量点对应平均速度分别为2134.3、1553.7、1938.2、1955.8、2044.8、1332.5（m/s）；与落叶松健康木材应力波传导速率进行比对（表3），各段构件在误差范围内产生的波速衰减较少，集中于0-10%范围内，相对来说残损程度在较可控的范围内。从2-A-A（纵向）应力波速数据分析得，在室温32℃的条件下，楼梯下梁构件内获取到纵向应力波速测量平均值在3552.6m/s至6489.9m/s范围内，集中分布于测得的径向速度大小150%及以上比例数值附近，推测应力波在木构件内的传播速度受木材纹理影响；在相同条件下，径向传播速度远小于纵向传播速度。

（3）楼梯扶手立柱：从表6中3-B-B数据可得，在室温32℃的条件下，楼梯扶手立柱构件内获取到径向应力波速测量平均值在70.0m/s至372.4m/s范围内，自0段至d段对应平均速度分别为372.4、153.4、133.5、70.0（m/s）；与山毛榉健康木材应力波传导速率进行比对（表3），各段构件在误差范围内波速衰减现象分异大：取传导速度最大值时，计算得传导速度衰减约77.7%，取最小值时速度衰减程度高达95.8%。与3-A-A（纵向）测量数据对比，在相同条件下，不同方向的应力波传导速率差异过大，径向波速均衰减75%以上，而纵向波速甚至超过健康山毛榉内部传导速度。

由于具有空洞的实验对象内部材质会阻碍应力波沿直线传播，继而为应力波形成新的绕行路径，增加应力波在测点间实际传播的距离，从而造成平均波速的衰减。当空洞面积过大或空洞与空气相连时，应力波的衰减现象更加明显。测试结果易产生较大误差，从而带来检测过程中的困难。

4结论

实验数据表明，苏州市吴宅历史木构件保存现状并不理想。在测试选取的三处构件内部，特别是径向速度数据测量结果中，均显示出不同程度的波速衰减现象产生，衰减程度各异。其中，1-地梁、3-楼梯扶手立柱均出现较明显的波速衰减现象，推测其内部空洞腐朽等较为严重；2-楼梯下梁保存相对较好，波速衰减程度较轻。实验结果与最初的肉眼观察结论基本一致。

总体来说，利用应力波检测来评估结构木材的健康状态是一种简单有效的检测和定位损伤的技术。苏州市木结构古建筑数量繁多，类型丰富，但潮湿多雨的自然环境为历史资源的保护带来一定的挑战。基于应力波的无损检测技术评估的应用应当始终作为综合状况评估程序的一个组成部分，应用于在不破坏木结构原有连接形式和受力状况的前提下对于历史建筑木构件的腐朽程度等方向的定向监测。这些基础工作为之后编制保护方案、进行修缮利用等提供了依据。

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[9] GB/T 28990-2012.古建筑木构件内部腐朽与弹性模量应力波无损检测规程[S].

# 基金项目：江苏省大学生创新训练项目（202310285110Y）

① “健康”是指历史建筑材料仍然维持良好的材料与结构性能，不会影响建筑安全问题。