一种古建筑上开口单材拱的拱口加固修缮结构的制作方法

本发明属于古建筑木构架体系中斗拱构件的保护修缮，本发明涉及在不改变原材料及施工工艺的基础上，对古建筑上开口单材拱构件中的拱口部位进行加固修缮处理。

背景技术：

斗拱在古建筑木构架体系中，是一个相对独立的门类，清代木作中有专门的“斗拱作”。

“单材拱”为古建筑大木作斗拱做法，即古建筑横拱和华拱用材大小和做法的称谓，单材即为小于足材的用材。按宋式建筑“材”的推算，“单材拱”为广（高）十五分，厚十分，“单材拱”的背上不施栔。汉代时期的拱大多为“单材拱”，一般认为，“单材拱”源于两个成因，一、是拱端部分安置散斗，导致拱与拱或枋之间的空缺，形成单材拱的形式；二、是横木（即早期的拱）本身，就是平直的枋木重叠演变而来的。

“拱口”是宋式建筑大木作构件做法，即为了使拱与拱之间相交结合，而制作的榫卯结构。制作“拱口”的构件，据宋《营造法式》规定，包括华拱、泥道拱、瓜子拱、慢拱、令拱以及骑栿拱、绞昂拱等。“拱口”位于拱相交处，有上开口、下开口和上下均开口三种做法。汉至唐代的许多华拱为单材做法，至宋代才对“单材拱”进行分类，并绘制图样，规定尺寸，上开口的单材拱构造如图1所示。

由于斗拱构件的件数最多，而且是小构件，结构复杂，富于变化，各种构件互相搭交，锯凿榫卯，一般剩余的有效截面都很小。整攒斗拱由于外力作用，如檐桁向外滚动，柱子下沉，梁架歪斜等都能引起斗拱的各构件因受力不均而发生位移，因之扭闪、变形，常常伴随出现拱口挤裂，拱头干裂糟朽和折断等现象。

目前，古建筑上开口单材拱中拱口部位的加固修缮技术是：对于劈裂未断的单材拱拱口，可采用化学粘结剂灌缝粘牢，并用铁扒钉钉固。左右扭曲不超过3mm的可以继续使用，超过3mm的应更换。对于拱口折断的单材拱，则采用干燥的硬杂木按原斗拱的尺寸样式进行补配更换。

对于斗拱构件的更换，由于斗拱构件是手工制作，原设计虽有一定的标准，但在制作过程时经过画线、锯截、锛凿、开榫卯等工序，不可避免的产生一些小误差，构件大的，不易查觉，构件小的就比较明显了。

采用化学粘结剂灌缝并结合铁扒钉钉牢的加固措施虽然在短期内刚度较强，但柔韧性、耐久性、抗扭转能力不足。首先，化学粘接剂为一种胶体，在空气中易氧化，耐久性较差，粘接在一起的上开口单材拱拱口，如果长时间暴露在大气中，粘接剂易老化脆裂，导致灌缝处开裂，整体性降低；并且这种依靠铁扒钉加固的结构，抗扭转能力较弱，如遇地基不均匀沉降或地面震动，容易造成铁扒钉与拱口左右之间的连接部位松动，造成上开口单材拱拱口连接处加固件失效，从而使单材拱的安全性仍受到威胁。其次，铁扒钉钉固上开口单材拱拱口的过程中往往会破坏斗拱构件；改变了古建筑木结构的原材料及施工工艺，且金属件加固木构件是通过“嵌入”或“固定”的方式达到加固的目的，这种不可逆的加固技术不仅不利于加固件的检修或更换，也不利于木结构的保护。另外，对于采用完全更换的措施，则有悖于尽可能保持古建筑木构件原真性的原则，失去了原有上开口单材拱所承载的历史价值和文物价值。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种古建筑上开口单材拱的拱口加固修缮结构，在坚持不改变古建筑原材料及施工工艺原则的基础上，对古建筑上开口单材拱构件中的拱口部位进行加固修缮处理。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种古建筑上开口单材拱的拱口加固修缮结构，由左修整拱头、右修整拱头、修缮拱体、u型榫和银锭榫组成，左修整拱头和右修整拱头对称设置，左修整拱头和右修整拱头之间设有上部拱口，上部拱口的宽度与拱口宽度相等，修缮拱体为设置左修整拱头和右修整拱头下方的一条宽度不变的长条型修缮木构件；

在左修整拱头的下刹部位开设一个用于放置修缮拱体一端的卡口a，在右修整拱头的下刹部位开设一个用于放置修缮拱体另一端的卡口b，修缮拱体的两端分别与卡口a和卡口b相匹配，从拱口至单材拱端部方向，卡口a和卡口b从拱口延伸至平出未端，从拱头的前侧至后侧方向，卡口a贯通左修整拱头的前后两侧，卡口b贯通右修整拱头的前后两侧，在修缮拱体的中部开设一条贯通修缮拱体前后两侧的矩形槽，矩形槽的宽度与拱口的宽度相等，矩形槽与上部拱口相对齐，矩形槽与上部拱口的高度之和与拱口的高度相等，在矩形槽的左右两侧的修缮拱体的上表面分别开设一条燕尾卯口a，在左修整拱头和右修整拱头的下表面分别开设一条与燕尾卯口a对应设置的燕尾卯口b，与燕尾卯口a和燕尾卯口b组合成的燕尾卯口相匹配银锭榫插入燕尾卯口内，将左修整拱头和右修整拱头固定在修缮拱体的两端；

在左修整拱头与右修整拱头的前后两侧均开设有l型卯口a，在左修整拱头与右修整拱头相接合的修缮拱体两端的前后两侧均开设有l型卯口b，l型卯口b与l型卯口a对应设置，并拼合成u型卯口，与u型卯口相匹配的u型榫榫接入u型卯口内，将左修整拱头、右修整拱头和修缮拱体在左右水平方向拉结为一体。

本发明所述的卡口a与卡口b的大小相等。

本发明所述的修缮拱体的截断面为正方形。

本发明所述的u型榫由硬杂木制成。

本发明有益效果是：本专利与现有技术比较：

首先，本专利能够大大提高古建筑上开口单材拱的整体性，通过银锭榫穿带插接可以加强这种单材拱在前后及上下方向的整体强度和柔韧性，科学合理的受力分配可保证拱口处所受剪力最小，大幅度降低了拱口撕裂或折断的几率。通过u型榫插接，将单材拱左右两端部与拱口所在的硬杂木棱柱体在左右水平方向拉结固定，从而加强了拱口处的抗扭转性能，降低了拱口两侧产生扭转变形的风险。

其次，这种通过榫卯插接组合的固定方式大大提高了上开口单材拱拱口处的整体性，如遇地震或突发振动，榫卯的相互挤压和摩擦能消耗地震能量，减小上开口单材拱结构整体的破坏，水平方向有银锭榫和u型插榫组合加强整体的拉结力，上下方向可由银锭榫穿带和硬杂木棱柱体拉结来抵抗拱口处所受的剪力，从而达到了加强上开口单材拱整体的强度，提高了其抗震性能。

最后，这种加固结构用料较少，加工十分方便，实际加固操作工序较简单，既节省原材料，有利于环保，又大大降低维修施工的劳动强度，且在以后的古建筑斗拱保护修缮过程中，只需将所插接的硬杂木棱柱体、在前后和上下方向穿带插接的银锭榫和左右拉结的u型插榫更换即可。

综上所述，可以反映出，这种榫卯插接组合的方式加固上开口单材拱拱口的处理结构，在保持单材拱拱口结构稳定性、耐久性、抗震性以及修缮更换方面的巨大优势，未来具有广阔的发展前景。

附图说明

图1为现有技术结构示意图；

图2为本发明的爆炸结构示意图；

图3为本发明的安装结构示意图；

图中：1、左修整拱头，101、卡口a，2、右修整拱头，201、卡口b，3、修缮拱体，301、矩形槽，4、银锭榫，5、u型榫，6、上部拱口，7、拱口，8、燕尾卯口a，9、燕尾卯口b，10、l型卯口a，11、l型卯口b，12、平出，13、上留，14、下刹，15、拱眼，16、拱头。

具体实施方式

如图2、3所示，一种古建筑上开口单材拱的拱口加固修缮结构，未修缮前的单材拱由两侧的拱头16，以及拱头16之间的拱口7组成，在拱头16上设有拱眼。

修缮后的结构由左修整拱头1、右修整拱头2、修缮拱体3、u型榫5和银锭榫4组成，左修整拱头1和右修整拱头2对称设置，左修整拱头1和右修整拱头2之间设有上部拱口6，上部拱口6的宽度与拱口7宽度相等，修缮拱体3为设置左修整拱头1和右修整拱头2下方的一条宽度不变的长条型修缮木构件；修缮拱头3可采用硬杂木锯成，左修整拱头1、右修整拱头2和修缮拱体3拼成的结构与原单材拱的结构尺寸完全相同。

在左修整拱头1的下刹部位开设一个用于放置修缮拱体3一端的卡口a101，在右修整拱头2的下刹部位开设一个用于放置修缮拱体3另一端的卡口b201，修缮拱体3的两端分别与卡口a101和卡口b201相匹配，从拱口至单材拱端部方向，卡口a101和卡口b201从拱口7延伸至平出未端，从拱头的前侧至后侧方向，卡口a101贯通左修整拱头1的前后两侧，卡口b201贯通右修整拱头2的前后两侧，在修缮拱体3的中部开设一条贯通修缮拱体3前后两侧的矩形槽301，矩形槽301的宽度与拱口7的宽度相等，矩形槽301与上部拱口6相对齐，矩形槽301与上部拱口6的高度之和与拱口7的高度相等，在矩形槽301的左右两侧的修缮拱体3的上表面分别开设一条燕尾卯口a8，在左修整拱头1和右修整拱头2的下表面分别开设一条与燕尾卯口a8对应设置的燕尾卯口b9，与燕尾卯口a8和燕尾卯口b9组合成的燕尾卯口相匹配银锭榫4插入燕尾卯口内，将左修整拱头1和右修整拱头2固定在修缮拱体3的两端；通过银锭榫穿带插接可以加强这种上开口单材拱在前后及上下方向的整体强度和柔韧性，原单材拱左右两端部的自重及其上斗件所承载的荷载会施加在下部所补配的硬杂木棱柱体的两端，即原单材拱平出部位的末端，这样可保证拱口处所受剪力最小，大幅度降低了拱口断裂或折断的几率。

在左修整拱头1与右修整拱头2的前后两侧均开设有l型卯口a10，在左修整拱头1与右修整拱头2相接合的修缮拱体3两端的前后两侧均开设有l型卯口b11，l型卯口b11与l型卯口a10对应设置，并拼合成u型卯口，与u型卯口相匹配的u型榫5榫接入u型卯口内，将左修整拱头1、右修整拱头2和修缮拱体3在左右水平方向拉结为一体。通过u型榫插接，将单材拱左右两端部与拱口所在的硬杂木棱柱体在左右水平方向拉结固定，从而加强了拱口处的抗扭转性能。这种通过榫卯插接组合的固定方式大大提高了上开口单材拱拱口处的整体性，如遇地震或突发振动，榫卯的相互挤压和摩擦能消耗地震能量，减小上开口单材拱结构整体的破坏，水平方向有银锭榫和u型插榫组合加强整体的拉结力，上下方向可由银锭榫穿带和硬杂木棱柱体拉结来抵抗拱口处所受的剪力，从而达到了加强上开口单材拱整体的强度。

本发明所述的卡口a101与卡口b201的大小相等。

本发明所述的修缮拱体3的截断面为正方形。

本发明所述的u型榫5由硬杂木制成。

实施例1

“瓜子拱”古建筑大木作斗拱组件，宋式建筑称谓，清式建筑称“瓜拱”。“瓜子拱”只有单材做法，上承瓜子慢拱。在华拱出跳的上端，为五铺作及其以上出跳的横向构件，由于“瓜子拱”上与华拱或昂相交，承挑里外延伸的檩枋，在泥道拱与令拱之间，因此，四铺作以下的斗拱不用此构件。“瓜子拱”出现于隋唐时期，元代以后铺作层每跳均置“瓜子拱”。宋《营造法式》规定“瓜子拱”长为六十二分，广十五分，单材做法。

在古建筑修缮工程中，“瓜子拱”由于数量较多，对于上开口瓜子拱而言其拱口被撕裂或折断的现象非常普遍，可采用本专利技术进行加固修缮。

加固步骤如下：

①在坚持不改变古建筑原材料及施工工艺原则的基础上，将批裂或拱口折断的上开口单材拱沿拱口的左右边完全锯开，在被分割开的单材拱左右两部分沿着截断面下部高出拱口顶面2cm的位置，各锯掉一个矩形的木块，截去部分的长度至单材拱平出部位末端的位置止。

②用干硬性的硬杂木，按照上述单材拱左右两侧被锯掉的矩形木块断面尺寸制作一个正四棱柱的修缮拱体，正四棱柱长度等于此单材拱两倍的平出之长。在硬杂木四棱柱体的上表面中间位置，按照原单材拱拱口的平面尺寸开一深度为2cm的凹槽，在凹槽左右两侧的棱柱体上表面前后对称线位置上开通长的燕尾卯口a，再在原单材拱拱口两侧被锯开的端部下表面开相同的通长燕尾卯口b。然后，用硬杂木制作两根银锭插榫，尺寸与上下燕尾卯口相同。通过银锭插榫穿带将原单材拱被锯开的左右两端部与补配的硬杂木四棱柱体在前后与上下方向牢牢地固定在一起。

③用硬杂木制作四个u型榫，在原单材拱左右两端部与补配的硬杂木棱柱体结合处开设l型卯口a和l型卯口b，l型卯口a与l型卯口b拼合成的u型卯口与u型榫完全匹配，采用这种u型榫插接入u型卯口内，防止此单材拱左右两端部与补配的棱柱体在左右水平方向发生相对位移，并能有效抵抗拱口两侧的扭转变形。

实施例2

“泥道慢拱”宋式建筑大木作斗拱构件，清式建筑称“正心万拱”，位于泥道拱之上，属慢拱之列，处在檐槽的中线，其上部为柱头枋，因宋式建筑的斗拱空挡多为土坯封闭，故称“泥道慢拱”，其长九十二分，拱端四瓣卷刹，单材做法。对于古建筑中上开口的泥道慢拱，其拱口残损往往较为严重，可采用本专利技术方案对其进行加固修缮，具体的加固修缮方法与步骤与实施例1相同。