一种古建筑下开口单材拱的拱口加固处理结构的制作方法

本发明属于古建筑木构架体系中斗拱构件的保护修缮，具体说的是一种古建筑下开口单材拱的拱口加固处理结构。

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，拱与拱相交，上层拱为下开口拱口，下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，我国古建筑下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，粘接在一起的下开口单材拱拱口，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，造成下开口单材拱拱口连接处加固件失效，从而使斗件的安全性仍受到威胁。其次，铁扒钉钉固下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，失去了原有下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下开口单材拱的拱口加固处理结构。在不改变原材料及施工工艺的基础上，对古建筑下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：一种古建筑下开口单材拱的拱口加固处理结构，由中段拱身、以及插接在中段拱身两端的左拱头与右拱头组成，所述的中段拱身为倒t型结构，中段拱身由中间的子荫拱体、以及子荫拱体两侧的拱身侧翼组成，子荫拱体和两个拱身侧翼的底面平齐，子荫拱体的长度与拱口的长度一致，在子荫拱体的前后两侧面中心位置分别开设子荫，在子荫的两侧分别开设有拱眼a，在子荫拱体的左右两断面上各开设一条燕尾卯口a，左拱头与右拱头从断面方向向拱头端均开设卯口，卯口的形状与拱身侧翼相匹配，在卯口上方的左拱头与右拱头的前后两侧均开设有拱眼b，两个拱身侧翼分别插入两个卯口内使拱眼a和拱眼b拼合为拱眼，卯口下部的左拱头断面为拱头下断面，拱头下断面的高度与拱口的高度相同，卯口上部的左拱头断面为拱头上断面，在拱头上断面上设有与燕尾卯口a对应设置的燕尾卯口b，与燕尾卯口a和燕尾卯口b相匹配的银锭榫榫接入燕尾卯口a和燕尾卯口b中，将中段拱身与左拱头、右拱头在水平方向拉结为一体。

本发明所述的卯口的深度不小于下开口单材拱平出的末端位置。

本发明所述的银锭榫由硬杂木制成。

本发明所述的卯口的高度为2cm。

本发明所述的卯口的截面为矩形或梯形。

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下开口单材拱的整体稳定性，利用补配的硬杂木四棱柱体两端的矩形凸榫与原下开口单材拱被分隔开的左右两端拱身的矩形卯口进行插接接榫，可以加强这种单材拱在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受力支点处产生的弯矩最小，并且单材拱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。通过银锭榫插接，将单材拱左右两端部与拱口所在的硬杂木棱柱体在左右及前后水平方向拉结固定，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，这种通过多种榫卯插接组合的固定方式大大提高了下开口单材拱拱口处的整体稳定性，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，减小对下开口单材拱结构整体的破坏，水平方向有银锭榫来加强整体的拉结力，上下方向可由矩形榫卯插接接榫来抵抗拱口处所受的剪力，从而达到了加强下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、在前后和左右方向起拉结作用的银锭榫更换即可。

综上所述，可以反映出，这种通过多种榫卯插接组合的方式加固下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、抗扭转性、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为现有技术的下开口单材拱结构示意图；

图2为本发明的爆炸结构示意图；

图3为本发明的另一种形式的爆炸结构示意图；

图4为图2的组合后结构示意图；

图5为图3的组合后结构示意图；

图中：1、中段拱身，101、子荫拱体，102、拱身侧翼，2、左拱头，3、右拱头，4、子荫，5、拱头，6、拱眼，7、平出，8、拱口，9、燕尾卯口a，10、燕尾卯口b，11、拱头上断面，12、拱头下断面，13、卯口，14、拱眼a，15、拱眼b，16、银锭榫。

具体实施方式

如图所示，一种古建筑下开口单材拱的拱口加固处理结构，由中段拱身1、以及插接在中段拱身1两端的左拱头2与右拱头3组成，中段拱身1、左拱头2与右拱头3不论哪部件损坏，均可进行单独制作，可保留原下口单材拱未损坏的部分切割成型后继续使用，所述的中段拱身1为倒t型结构，即水平段朝下设置，竖起段朝上设置，中段拱身1为一体成型，其由中间的子荫拱体101、以及子荫拱体101两侧的拱身侧翼102组成，子荫拱体101和两个拱身侧翼的底面平齐，子荫拱体101的长度与拱口8的长度一致，在子荫拱体101的前后两侧面中心位置分别开设子荫4，在子荫4的两侧分别开设有拱眼a14，在子荫拱体101的左右两断面上各开设一条燕尾卯口a9，左拱头2与右拱头3均为一体成型，其端头的形状与原下开口单材拱的拱头形状一致，左拱头2与右拱头3从断面方向向拱头端均开设卯口13，卯口13水平开设有左拱头2和右拱头3内，卯口13的形状与拱身侧翼102相匹配，在卯口13上方的左拱头2与右拱头3的前后两侧均开设有拱眼b15，两个拱身侧翼102分别插入两个卯口13内使拱眼a14和拱眼b15拼合为拱眼6，卯口13下部的左拱头断面为拱头下断面12，拱头下断面12的高度与拱口的高度相同，卯口13上部的左拱头断面为拱头上断面11，在拱头上断面11上设有与燕尾卯口a9对应设置的燕尾卯口b10，与燕尾卯口a9和燕尾卯口b10相匹配的银锭榫16榫接入燕尾卯口a9和燕尾卯口b10中，将中段拱身1与左拱头2、右拱头3在水平方向拉结为一体。

所述的卯口13的深度不小于下开口单材拱平出7的末端位置，平出的首端在拱口的中心线处。

所述的银锭榫16由硬杂木制成。

所述的卯口13的高度为2cm。

所述的卯口13的截面为矩形或梯形，相应的拱身侧翼102的截面为矩形或梯形，当为矩形时，如图2所示，当为梯形时为图3所示。

利用硬杂木四棱柱体两端的矩形凸榫与原下开口单材拱被分隔开的左右两端拱身的矩形卯口进行插接接榫，可以加强下开口单材拱在上下方向的整体强度和柔韧性，原单材拱拱身左右两端部的自重及其上层构件所承载的荷载会施加在所补配的硬杂木棱柱体两端的矩形凸榫上，即在单材拱平出部位的末端上部形成受力支点，这样可保证左右两端接缝处产生的弯矩最小，而拱口处所受剪力最小，从而大幅度降低了拱口断裂或折断的几率。另外，通过银锭榫插接，将单材拱左右两端部与拱口所在的硬杂木棱柱体在左右及前后水平方向拉结固定，从而加强了拱口处的抗扭转性能。

总之，这种通过多种榫卯插接组合的固定方式大大提高了下开口单材拱拱口处的整体稳定性，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，减小对下开口单材拱结构整体的破坏，水平方向有银锭榫插接来加强下开口单材拱整体的稳定性和抗扭强度，上下方向可由硬杂木四棱柱体两端的矩形凸榫与原下开口单材拱被分隔开的左右两端拱身的矩形卯口进行插接接榫来抵抗拱口处所受的剪力，从而达到了加强下开口单材拱整体的强度，或利用梯形凸榫进一步减少剪力的作用。

实施例1

“华拱”古建筑大木作斗拱组件，宋式建筑称谓，明清建筑称“翘”，于斗拱铺作中，垂直于建筑面阔方向，挑向里外。“华拱”又称为“抄拱”、“卷头”、“跳头”等，“华拱”有单材和足材之分，根据宋《营造法式》规定，凡柱头或转角铺作，均采用足材“华拱”，补间铺作均为单材“华拱”。汉代建筑明器，所反映挑出的枋木，是后世“华拱”的原形。南北朝时期“华拱”，在保留汉代传统的同时，流露出加长的迹象；隋唐建筑出檐加深，导致多重出跳“华拱”的使用。

在古建筑修缮工程中，“华拱”由于数量较多，对于下开口华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。

具体加固步骤如下：

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下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拱身左右两侧部分，沿着拱眼部位下的截断面上各开一个高2cm的卯口，卯口的深度不小于单材拱平出的末端位置（如图2所示）。下开口单材拱通常沿泥道拱中线出里跳和外跳，“出跳”的多寡，决定着整座建筑出檐的深远，出跳的拱必须是悬挑构件，而且悬挑构件端头是上一构件的支点。因此，平出末端位置即为上层斗拱的支点。

②用干硬性的硬杂木，按照上述单材拱的截面尺寸制作一个四棱柱体，四棱柱长度大于或等于此单材拱两倍的平出之长。在硬杂木四棱柱体的前后两个侧立面中间位置开子荫槽口，尺寸样式与原下开口单材拱子荫相同。然后在此四棱柱体左右两端距下表面2cm的位置处各锯掉一个矩形木块，使硬杂木四棱柱两端面上形成两个矩形凸榫即拱身侧翼，凸榫的尺寸样式与被分割开的单材拱拱身断面上所开的卯口相同，得到中段拱身。

③在被分割开的单材拱拱身左右两侧部分的断面上部中间的位置，各开一个竖直的燕尾卯口b，大尺寸在内小尺寸在外；再在硬杂木四棱柱体两端截面上部中间的位置，也各开一个与拱身断面相同的燕尾卯口a，同样是大尺寸在内小尺寸在外；然后，利用硬杂木制作两根银锭插榫，尺寸与原拱身断面和四棱柱截面上的燕尾卯口相同。

④将硬杂木四棱柱体两端的矩形凸榫与原下开口单材拱被分隔开的左右两端拱身的卯口进行插接接榫，使原拱身两端与硬杂木四棱柱体在上下和左右方向连成一个整体。两端拱身的自重及其上部承托的荷载均施加在硬杂木四棱柱体两端的凸榫上，使两端矩形凸榫成为此单材拱上层构件的两个支点。在原单材拱拱身左右两端部与补配的硬杂木四棱柱体结合处的上表面，用银锭插榫插接将三者在前后和左右方向拉结在一起，防止原下开口单材拱遗存下来的左右两侧拱身与硬杂木棱柱体在水平方向发生相对位移，进一步加强三了者之间的整体稳定性。

⑤在补配的硬杂木四棱柱体侧立面拱眼部位的接缝处凿刻补全单材拱拱眼形状，原单材拱左右两侧拱身与硬杂木四棱柱体通过榫卯拉结组合成为一个整体，其下部中间形成一个凹槽，即为此单材拱的拱口。

实施例2

“瓜子慢拱”宋式建筑大木作斗拱构件，清式建筑称“瓜子万拱”。“瓜子慢拱”位于瓜子拱之上，因出跳的多少，可细划为多跳位置上的“瓜子慢拱”，如一跳“瓜子慢拱”、二跳“瓜子慢拱”等。“瓜子慢拱”属慢拱之列，做法与泥道拱相同，其长为九十二分，四瓣卷刹，单材形制。

对于古建筑中下开口的瓜子慢拱，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。