廖春晖，张厚江，黎冬青，孙燕良

(北京林业大学工学院，北京100083)

我国是四大文明古国之一，大量的木结构古代建筑是中国历史文化的传承。同时，作为国家重要的文物和珍贵的历史文化遗产，古建筑受到国家的重点保护。我国的古代建筑多为木结构或者内部使用大量木材的建筑，被世界各国誉为三大建筑体系之一和唯一以木结构为主的建筑体系。而木材的缺点在于它是一种生物材料，由各种纤维素、半纤维素和木质素等有机物组成，长期使用的过程中，有害生物容易迅速繁殖，是木材发生腐朽虫蛀，其物理力学性能降低，最终造成木结构的损毁［1］。

木材无损检测是一种新兴的、综合性的木材非破坏性检测技术，可在不破坏木材及木质复合材料本身形状、原有结构和动力状态以及最终用途的前提下，对木材的缺陷和腐朽情况以及基本物理力学性质进行测定［2］，因而在古建筑木结构缺陷检测方面具有重要的现实意义。相比传统的检测方法，无损检测方法能够在不破坏检测对象原有特性的前提下进行检测，并且能够连续的在短时间内获得检测结果，这也是无损检测方法最大的特点。

1 传统检测方法

1.1 目测法［3］

目测法是最古老也是最简单的无损检测方法，这种无损检测方法至今仍在使用，对于判断和验证无损检测结果有很大的帮助。利用这种方法对一些如破裂碎片、机械破坏、后期腐朽和严重的虫蛀等情况进行观察判断，根据检测结果来确定检测对象是否存在缺陷。

1.2 其他微损检测法

一些微小损坏的检测方法经常与目测法和辨别声音结合着应用:

(1)通过辨别锤子敲击检测对象时发出的声音判断木构件或原木是否存在空洞、裂纹、腐朽等缺陷。

(2)除去部分待检测部位的树皮，检查其木材表面的硬度大小，根据检测结果对该树木的腐朽程度进行初步判断［3－4］。

(3)利用生长锥获取木心来检测其腐朽深度，很多类似的微损检测法也可以为目测法提供信息帮助。

现阶段针对我国木结构古建筑的缺陷检测，大多采用目测法或敲击辨声法来判断木结构中的空洞、裂纹、腐朽等缺陷。这些方法的检测结果有时不够准确，过于依赖检测人员的经验。

2 近年新发展的检测方法

2.1 应力波检测方法

先将连接在显示仪上的两个钢钉 (传感器)垂直钉入木材或木质构件中 (相隔一段距离)，利用锤子轻轻撞击其中一个钢钉以获得木结构内部的应力波，根据检测到应力波的传播时间计算其传播速度，判断木结构内部是否存在缺陷［5］。由于木构件的交叉连接点会对应力波产生阻滞从而使结果不准确，所以该技术在古建筑木结构的缺陷检测中尚难应用。

2.2 皮罗钉检测方法

皮罗钉检测法是一种检测木质材料表面腐朽状况的工具，在国内已经得到广泛的应用。其测定原理是利用之前设置好的能量把一根钢针打入被测木材中，由于木材存在腐朽状况，因而其表面木质会有软化现象，而且程度不一。根据钢钉进入木材的深度判断被测木材表面硬度的下降程度，从而检测和评估木材材质表面的腐朽状况，结果也比较可靠，但是这种检测方法只能对木材表面的腐朽情况进行判断。在对木结构古建筑勘察检测时，通常会与其他检测方法综合应用［6］。黄荣凤、伍艳梅等人［7］利用皮罗钉检测法故宫武英殿前殿维修时替换下来的柱、五架梁、单双步梁爪柱等局部腐朽的旧木构件进行试验。实验结果显示随着木材腐朽程度的加深，木材密度降低，径向、弦向打入深度显著加大，各腐朽等级间差异极显著。

2.3 超声波检测方法

用超声波对古建筑作缺陷检测的方法与用声应力波基本相同。其测定原理与应力波检测仪相似，不同点在于应力波检测法是利用敲击钢钉产生机械波，而超声波检测法是依靠其探测头自己产生的超声波来进行检测。根据不同的 (传播时间、速度、频率、能量峰值)超声波参数，检测木结构便面的缺陷和结构腐朽等。Tiitta等［8］采用贝叶斯(Bayes)理论，K－近邻方法 (K-Nearest Neighbor)和神经网络方法 (Neural Network)三种方法分别对超声波检测腐朽进行研究，并收集了腐朽材检测中波速、衰减、波型、频率四种信号，对采样单一信号和多信号进行对比，结果发现上述三种方法都能较好地检测腐朽情况。中国林业科学院研究所［9］已经应用过超声波检测法对大钟寺博物馆某钟架结构进行实验，检测此钟架是否存在空洞、腐朽、裂缝等缺陷，并与目测勘探结果对比，检测结果比较准确。

2.4 微钻阻力检测方法

微钻阻力仪的测定原理是将一根长约45 cm的钻头，在通电情况下匀速加力打入木结构内部，另一端，与钻头连接的电池组会自动打印出记录纸，记录钻头进入木材内部的阻抗曲线 (一般是两条)，其中阻力大小和被测木材的密度直接相关。根据得到的记录结果判断木材内部具体位置的木材密度、缺陷等情况，为判断木结构内部是否存在空洞、裂纹、腐朽等缺陷提供可靠的科学依据。微钻阻力仪是一种近似无损的检测设备，在对古建筑木结构进行缺陷检测时，在尽可能小的程度破坏古建筑的情况下快速获得被测木结构内部的缺陷状况。贺军胜等人利用德国RINN TECH公司最新生产的木材阻抗图波仪Resistograph 3450-P/S对北京故宫咸若馆的金柱、檐柱、山柱和中柱等进行勘测，然后根据木材阻力数据绘制出咸若馆木结构在不同高度上的腐朽状况简图，并进一步得出其结构的腐朽现状［10］。黄荣凤、王晓欢［11］等人用微钻阻力仪对故宫武英殿维修时替换下来的局部旧木构件进行了相关实验。用目测法将试件划分为未腐朽及4个腐朽等级，共5个等级，测定了试件的气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度，并对抗弯强度试件进行了阻力仪检测，结果表明，随着腐朽程度的加深，木材密度、抗弯强度、顺纹抗压强度及阻力仪检测值均显著降低，5个腐朽等级间差异显著。与此同时，国外学者在他们发表的研究报告中也提到阻抗仪对腐朽、空洞及裂纹等缺陷较高的诊断能力和检测可靠性［12－13］。

2.5 应力波断层成像法

应力波断层扫描仪主要由传感器和计算系统组成。该仪器原主要用于树木内部缺陷的检测，引进后用于古建筑木结构材质状况的勘查。其工作原理:通过敲击安装在被检测木构件上的传感器，使之产生应力波，根据应力波的传播速度，经计算机处理，直接显示木构件内部缺陷的图像，用以判定木材内部质量［14］。应力波断层扫描仪是针对树木设计的，由于树木与古建筑木结构的含水率不同，此技术还不能完美的应用在古建筑木构件缺陷检测当中。李华、刘秀英［14］等人以楠木立柱为实验对象，发现应力波断层仪能清晰的检测出立柱的缺陷图形，与立柱实际缺陷形状、位置相吻合。

在断层成像仪器的使用当中发现［15］，当树木心材的主要缺陷是腐朽时仪器往往会低估其缺陷程度，但是当树干中存在裂缝时，仪器会高估其腐朽的程度。这是断层成像仪器目前存在的缺陷，而这一缺陷在古建筑木结构缺陷检测时可能也会造成检测结果不真实的情况，这是检测人员当前急需解决的一个重要问题。

3 结束语

在古建筑木结构缺陷检测中，先进的无 (微)损检测技术已经逐渐取代传统的定性目测法和简单敲击法成为我国主要采用的技术手段。应力波检测、超声波检测、微钻阻力检测，三维断层成像等技术在缺陷检测中都较为常用，不过每种技术都存在一定的缺陷，这需要在今后的检测当中采用多种方法联合检测，提高检测结果的精度和准确度，让无损检测技术在古建筑缺陷检测中得到更好的应用。

［1］陈允适，刘秀英，李华等.古建筑木结构的保护问题［J］.故宫博物院院刊.2005(5):332－343.

［2］孟令联，赵钟声，刘一星.木材无损检测技术及其应用与展望［J］.林业机械与木工设备.2001(9):4 －6.

［3］Jozef Bodig.The process of NDE research for wood and wood composites［J］.NDT.Net，2001，6(3).

［4］Ross R J，Pellerin R F.Nondestructive Testing of Assessing Wood Members in Structures［R］.USDA，Forest Products Laboratory，FPL-GTR-70，1997.

［5］杨学春，王立海.应力波技术在木材性质检测中的研究进展.森林工程，2002，18(6):11 －12.

［6］于子绚，王 骞，李 华，等.我国古建筑木结构材质勘察技术现状与进展［J］.木材加工机械.2007，(2):45 －47.

［7］黄荣凤，伍艳梅，李 华，等.古建筑旧木材腐朽状况皮罗钉检测结果的定量分析［J］.林业科学.2010，46(10):114 －118.

［8］Tiitta M E，Beall F C，Biernacki J M.Classification study for using acoustic-ultrasonics to detect internal decay in glulam beams［J］.Wood Science and Technology，2001，35(1/2):85 － 96.

［9］李 华，刘秀英.大钟寺博物馆钟架的超声波无损检测［J］.木材工业，2003，17(2):33 －36.

［10］贺军胜，李 华，刘秀英.木材无损检测技术在建筑木结构上水平的应用研究［J］.中国木材，2009，1:28 －30.

［11］黄荣凤，王晓欢，李 华等.古建筑木材内部腐朽状况阻力仪检测结果的定量分析［J］.北京林业大学学报，2007，29(6):167－171.

［12］Frank Rinn.Resistographic inspection of construction timber poles and trees［A］.Proceedings of Pacific Timber Engineering Conference［C］.Gold Coast，Australia，1994(2):468 －478.

［13］Laurence R C，Stephen L Q.Detection of wood decay in blue gum and elm:an evaluation of the resitograph and the portable drill［J］.Jounal of Arboriculture，1999，25(6):1 －9.

［14］李 华，刘秀英，陈允适等.古建筑木结构的无损检测新技术［J］.木材工业，2009，3(2):37 －42.

［15］Xiping Wang，Jan Wiedenbeck，Shanqing Liang.Acoustic tomography for decay detection in black cherry trees［J］.Wood and Fiber Science，2009，41(2):127 －137.