故宫“偷梁换柱”,文物修复中的智慧与创新

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故宫“偷梁换柱”,文物修复中的智慧与创新

偷梁换柱

“偷梁换柱”是一个与古建筑相关的成语,后来该词多指以假代真,用欺骗的手段改变事物的性质。然而,在以故宫为代表的古建筑工程领域,“偷梁换柱”却属于一种科学实用的修缮加固方法。

梁、柱

故宫古建筑中,梁是截面形状为长方形的木料,且木料的长度尺寸远大于截面尺寸。梁为水平向放置,两端的底部有支撑构件。梁主要用于承担建筑上部构件及屋顶的全部重量,并把这些重量向下传给支撑构件。

柱子即为梁两端的支撑构件。柱子截面形状一般为圆形,长度尺寸远大于截面直径。柱子为竖向放置,主要用于承担上部梁传来的重量,并向下传递给下部的梁或直接传至地面。

梁与柱采用榫卯形式连接,形成稳固的大木结构体系。位于屋架内的若干梁在竖向被层层往上“抬”,上下梁之间由短柱支撑,最底部的梁由立于地面的立柱支撑。梁、柱均为中国木结构古建筑的核心受力、传力构件,缺一不可。

“偷梁换柱”的科学原理

对于古建筑而言,位于地面之上的立柱,或因长期承受上部结构传来的重量而产生开裂残损,或因柱底部位长期受到地面潮气影响而出现糟朽残损,使得木柱强度下降,无法正常支撑梁。在上述情况下,可采用“偷梁换柱”的加固方法。

故宫“偷梁换柱”,文物修复中的智慧与创新

“偷”是“托”的谐音,“偷梁换柱”实际就是“托梁换柱”。其基本做法为:首先将“假柱”(即临时的竖向支撑构件)安装在梁底部、原柱(原有立柱)旁边;再抽去原柱,使得梁传来的重量由“假柱”承担, 且“假柱”将该重量向下传给地基;然后安装新柱,新柱的材料、尺寸及安装位置与原有立柱相同;最后将“假柱”移去。

古建筑领域中,完善的“偷梁换柱”加固方法具有科学性,可有效地用于残损木柱加固,其原理主要包括以下三个方面:

故宫“偷梁换柱”,文物修复中的智慧与创新

其一,从梁的角度而言,其为水平受力构件,并在两端把外力向下传给立柱。梁只有保持水平稳定状态,才能保证整个大木结构的稳定。在加固古建筑时,“偷梁” 实际为“托梁”,即由原柱、假柱、新柱分别支托梁,整个过程中梁始终受到支托, 因而能始终保持水平稳定状态。

其二,从柱的角度而言,其为竖向支撑构件,并最终把上部构件的重量传给地基。立柱只有充足的承载力,且与梁有可靠连接时,才能有效承担梁传来的作用力。“换柱”加固过程中,技术人员虽然将原柱抽去,但是预先将“假柱”设立于原柱附近,让“假柱”代替原柱发挥支撑作用,因而“换柱”过程对结构整体的稳定基本无影响。“换柱”完成后,新柱与原柱有着同样的材料、尺寸,且与梁有着相同的可靠连接方式,完全能够代替原柱发挥支撑作用, 因而可以将“假柱”移去。

其三,从梁、柱整体结构角度而言, “偷梁换柱”方法对整体结构扰动小,且能达到良好的加固效果:原柱被新柱原位替换,新柱不仅有很好的支撑作用,而且与梁仍有可靠连接;“假柱”仅用于加固过程的临时支撑,且在原柱被撤去后,能够与梁组成临时稳定的结构体系。因此,在“偷梁换柱”过程中,梁、柱结构整体始终处于稳定状态。

中国古代兵法三十六计之第二十五计为“偷梁换柱”,古人把军阵中的“天衡”比作梁, “地轴”比作柱,站立在“梁”“柱”上的兵力均为主力。在战场上,把对方的主要军力引开,频繁地更换对方军队阵容,即“偷梁换柱”,等对方力量变弱时,再乘机进攻并战胜之。

“偷梁换柱”与《史记》卷三之《殷本纪第三》内容密切相关。原文载有,“纣倒曳九牛,抚梁易柱也”,意思就是纣王力大无穷, 可以拽着九头牛,手托着梁换柱子。

工程实例

“偷梁换柱”的加固技术在中国古建筑保护维修中得到了充分运用,其典型工程实例即为故宫太和殿某立柱的加固。2004 年工程技术人员在对太和殿进行勘查时, 发现有一根立柱的下部出现了糟朽问题, 该立柱与梁的连接方式类似于上页示意图的虚线框部分。施工技术人员采取了“偷梁换柱”方法对该立柱进行了加固,具体过程如下:①揭露→②偷梁→③抽柱→④换柱。

故宫“偷梁换柱”,文物修复中的智慧与创新

① 揭露

使出现问题的立柱“暴露”出来,以利于下一步加固工序的操作。这根立柱位于太和殿西北角,且被砌筑在墙体内。立柱的直径约为1 米,由若干木料包镶在一起,再用铁箍约束成一个整体。建筑施工人员揭去表皮砖层后,发现立柱下部1 / 3 的位置出现了严重糟朽,且原有约束立柱的铁箍也产生了严重锈蚀。

② 偷梁

即“托梁”,采用假柱托住原柱上部的梁。假柱为完好的木料,被安装在原有立柱附近,用于临时支撑梁。原有立柱支撑了两根梁,因而施工人员采用了两根“假柱”进行支托。这样一来,即使原柱被移去,上部的梁架也不会因此受到明显的影响。其主要的机制在于,梁及其上部构架的重量,已由假柱承担,并通过假柱把该重量向下传至地基。另假柱顶面与梁底接触位置增设了一块面积较大的木板,以把梁的重量均匀地传至木柱顶面。

故宫“偷梁换柱”,文物修复中的智慧与创新

③ 抽柱

把柱子底部糟朽部分抽去,以便于用新柱代替。原柱糟朽部分去掉后,剩余的部分做成巴掌形:底部伸出柱子直径1 / 2 的截面、柱子直径1 . 5 倍的长度,与新柱搭接。抽柱后,原柱处于架空状态,无法发挥作用,但是这并不影响上部结构的安全。

④ 换柱

用新柱替换原柱的糟朽部分。新柱与被抽去的糟朽部分同材料、同形状、同尺寸,且顶部亦做成巴掌榫形状。这样一来, 新柱与原柱的剩余部分搭接后,不仅仅在外观形成一个整体的立柱,而且在竖向形成一定长度的搭接面。随后,施工人员在搭接长度范围内用铁箍箍牢立柱,有利于新柱、原柱之间相互挤紧,协同发挥支撑作用。换柱后,再把“假柱”拆除,即完成了原有立柱的加固。

在清代官员平步青(1832-1896)撰写的《霞外攟屑》卷四之《夫栘山馆戢闻》部分, 有“偷梁换柱”的记载,他说当房屋的某根原柱产生损坏需要更换时,为节省工料,并不会对原柱进行原位替换,而是在原柱旁边设一根新柱,再撤去原柱,这种加固方式俗称“偷梁换柱”。尽管该文献记载的立柱加固措施并不完善(新柱并非原位替换原柱), 但可以说明在古代的房屋修缮工程中,有“偷梁换柱”的做法。

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