柏威夏寺遗址建筑结构变形机理分析与研究.docx

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引言建于公元10世纪中叶至12世纪初的柬埔寨柏威夏寺,是高棉帝国时期最具代表性的大型石宫建筑物之一,艺术成就堪比吴哥城的诸多名刹殿宇。因其选址建造具有极佳的地势,其建筑充分融合了自然景观与宗教功能,于2008年被世界文化遗产委员会批准为世界文化遗产。当今以吴哥窟为代表的世界遗产的旅游业促进了柬埔寨及地方经济的飞速发展,柬埔寨当局开始关注目前境内仅有的吴哥地区以外的第二座世界文化遗产地——柏威夏寺的科学保护及其旅游开发工作。自1998年中国政府开始援助柬埔寨吴哥古迹进行保护修复工作至今,已开展了包括周萨神庙和茶胶寺在内两期的无偿援助保护与维修工作,目前二期茶胶寺的保护与维修工作已进行过半。柬方有意邀请中方在二期援助工作结束后继续对柬埔寨的文化古迹保护工作施以援手,并于2014年12月3日在柬埔寨暹粒省成立并召开了第一届柏威夏寺国际协调委员会。会议决定由中国和印度作为协调委员会联合主席国。由于前期中国政府援助的两处保护维修寺庙均在吴哥地区范围内,柏威夏寺遗址的建筑特征及其保存现状等研究工作对于中国援柬吴哥古迹保护工作队来说还是一纸空白。为继续在援助吴哥古迹保护的国际行动中发挥积极的作用,继续谱写中柬友谊的新篇章,代表中国进行援柬古迹保护工作的中国文化遗产研究院提前启动了下一步援助工作的前期考察工作。在此背景下,中国文化遗产研究院成立专项研究课题组针对柏威夏寺遗址建筑及目前保存现状等方面进行前期研究工作。柬埔寨于2006年专门成立了柏威夏寺保护管理局,下设遗址与考古部、旅游发展部、环境保护部、治安管理部4个主要管理部门负责遗址区的保护及日常管理工作。虽然保护与管理部门早在2006年成立,但由于柬泰两国对于柏威夏寺所有权的争端一直悬而未决,两国在柏威夏寺附近地区冲突时常发生,直至2013年底争端才最终得以解决。而对于柏威夏寺遗址的各项保护工作计划于2014年才开始正常启动。近千年的自然环境和人为因素的影响,柏威夏寺遗址建筑已处于岌岌可危的保存状态。众多学者研究也表明,户外大型建筑遗址的变形破坏自然地质环境及其建筑结构特征是建筑变形破坏的重要影响因素[1-3]。因此,课题组对柏威夏寺的自然地质环境、遗址区病害、建筑变形破坏机理等方面进行了调查及分析研究,基本探清了柏威夏寺遗址建筑变形破坏的成因及影响因素,为未来开展柏威夏寺遗址的保护修复工作提供了科学依据与技术参考。1 柏威夏寺及其环境地质概况针对柏威夏寺遗址建筑变形破坏病害的成因,对柏威夏寺赋存的自然地质环境进行了调查研究。,柏威夏寺建造于扁担山山脉中段的一处“鹰喙”式摩艾丹崖顶,“喙尖”朝向柬埔寨,“喙根”朝向泰国。柏威夏寺所处山峰海拔高度625m,山顶长800m,宽400m的阶梯状高地为遗址核心分布区,寺庙建筑区自南向北至山脚可分为4级平地、4级缓坡。峰顶南侧紧邻崖壁,为区内最高点。北侧为缓坡,由南向北地势逐级降低,东、西两侧则为相对陡峭,局部为陡崖。根据山坡地势特征,神道分布于缓坡处,5道塔门及各单体建筑对称分布于中轴线两侧或中轴线的平台之上,见图1[4]、图2[5]。图1 柏威夏寺遗址寺庙区地形地貌[4] ThetopographyofPreahVihearTemple图2 柏威夏寺遗址建筑剖面及平面分布图[5] TheprofileandplanedistributionmapofPreahVihearTemplebuilding(Boisselier,1966),建筑遗址依山势而建,地表被第四纪坡积土覆盖,坡积土层厚度不均,坡面局部上侏罗纪—白垩纪砂岩石基岩裸露。整个坡面自然状态时可分为4级阶地,阶地前方为小型陡坎,后期柏威夏寺建造者对坡面局部地形进行了规整,坡面每一陡坎处均进行了砂岩条石挡土墙的修建,内部回填杂填土形成地基平台,地基平台南侧与坡面自然结合。,全年大部分时间处于高温之中,东北部山区相对较为凉爽。年平均气温为27℃,其中以12月或1月最冷,月平均气温为24℃。季风交替控制了柬埔寨的气候,整体可分为旱季和雨季。每年的5月至10月期间为柬埔寨雨季,西南季风导致了降雨比较集中,约占全年降雨量的90%。柏威夏地区气候变化年度月平均值见表1[6]。图3[7]中平均年降雨量数据显示,柏威夏地区平均年降水量在1500mm左右。图3 柬埔寨年平均降雨量分布[7] TheaverageannualrainfalldistributionofCambodia表1 柏威夏地区全年气候变化统计表[6]根据遗址区内地势的高低,柏威夏遗址区从南至北存在2条分水岭,将遗址区划分成东部、中部、西部3个雨水径流区,降雨径流区分布图见图4。对遗址区建筑影响最大的为东部径流区,此径流区几乎覆盖整个寺庙,降雨整体自南向北径流贯穿整个寺庙,而局部的流向非常复杂,形成了雨水汇集滞泄区域。区域内大部分降雨径流流向遗址区南侧柬泰边境的水库。图4 ,柬埔寨位于中南半岛板块中部,远离板块交界处及欧亚地震带。~,区内历史上很少有地震活动。柬埔寨境内全年无地震、台风、海啸等自然灾害,主要发育的自然灾害为气候变化引起的干旱和降雨引起的洪涝灾害。由于柏威夏寺处于扁担山脉一处山峰之上,遗址区无洪水等自然灾害影响。2 柏威夏寺建筑遗址病害现状对柏威夏寺建筑遗址进行现状调查得知,目前柏威夏寺建筑主要存在的病害为建筑遗址的结构变形塌落病害,见图5~图12。3 柏威夏寺建筑变形破坏机理由于柬埔寨境内几乎无地震、台风等不良地质灾害影响,引起柏威夏寺古建筑遗址变形破坏、坍塌的因素主要包括建筑结构自身特征、自然环境和生物三大方面。自然环境因素主要为降雨,建筑结构自身因素则指建筑特有的局部结构特征引起的结构较易发生变形的因素,生物病害影响因素主要包括植物、动物(虫蚁)两类。图5 塔门V结构变形塌落现状(张念,2014年10月摄) ThestructuraldeformationandcollapsesituationofGopuraV(,)图6 神道地面石不均匀沉降变形(金昭宇,2014年10月摄) Thedeformationofunevensettlementofgroundstoneofthecauseway(-yu,)图7 塔门IV墙体结构变形(张念,2014年10月摄) ThestructuraldeformationsituationofGopuraⅣ(,)图8 Thestructuraldeformationsituationofthesmalltower图9 塔门Ⅲ右侧“U” Thestructuraldeformationof“U”longhall图10 Thestructuraldeformationsituationoftherectangularhall图11 塔门I后室墙体结构倾斜变形破坏(张念,2014年10月摄) ThestructuraldeformationsituationoftheGopuraI(,),建筑遗址依山势而建,地表被第四纪坡积土覆盖,坡积土层厚度不均,坡面局部砂岩石基岩裸露。整个坡面自然状态时可分为4级阶地,阶地前方为小型陡坎,后期柏威夏寺建造者对坡面局部地形进行了规整,坡面每一陡坎处均进行了砂岩条石挡土墙的修建,内部回填杂填土形成地基平台,地基平台南侧与坡面自然结合。然后在地基平台上修建各层塔门及两侧长厅、藏经阁、回廊等建筑基础及主体结构。图12 Thestructuraldeformationsituationoftheablutionhallonbothsidesofthecentraltower局部地基及基础内填土土层厚度不均匀,此结构特征在降雨渗透和冲蚀、虫蚁搬运等因素影响下导致基础的不均匀沉降,进而引起了上部结构的变形破坏。此外,在建筑基础结构与上部建筑主体间组合特征方面,部分建筑上部的结构直接坐落于基础内部填土之上,而非于基础边墙上部连续砌筑而成。对于建筑变形影响因素来讲,也可认为是建筑结构特征上的一种缺陷,形成建筑上部结构与基础间的共同作用导致结构变形。)砌筑建造特征。高棉古建筑中宗教的古塔、藏经阁、回廊、塔门等为必不可少的建筑类型。不同类型建筑的建造结构特征不一,也影响着建筑破坏形式和破坏程度。砂岩石砌建筑建造过程中,石构件间没有任何粘结材料,仅靠石构件间接触面上的摩擦线、石构件间布设的榫卯、榫槽以及石构件间的错缝咬合维持墙体的稳定。2)建筑墙体门窗的布设。根据单体建筑墙体布设窗体与否的结构特征,可分为实心墙体与带门窗墙体。实心墙体主要为院落围墙、藏经阁局部、长厅局部、须弥台墙体、回廊局部及塔体墙体等。对于单一砂岩实心墙体,单一砂岩石构件间的强度特征均一,其建筑的变形破坏主要是由于基础的不均匀沉降变形所引起。对于砂岩、角砾岩两种材料共建的实心墙体,随着气候环境因素的影响,由于墙体单一石构件间强度及其抗风化程度的不均匀性,角砾岩石构件遇水、风化引起强度的超前降低破坏,进而导致建筑结构局部变形破坏。含窗体的墙体除受基础沉降等其他因素导致窗体发生结构变形破坏外,一部分是由于窗体承受上部墙体荷载后转角等接触面处自身强度不够,导致窗框、横向过梁发生残损破坏,进而引起上部墙体变形破坏。门窗的布设导致了墙体整体结构性变差。此外,伴随高棉建筑艺术的发展和不断完善,高棉建筑门窗结构设计经历了矩形平面接触和45°斜角榫卯咬合交接等多种结构形式,见图13和图14。门窗的左右边框、上下横梁及其交接点均为结构稳定性脆弱点,不同的结构设计特征,门窗墙体发生结构变形破坏的难度也不同,45°斜角榫卯咬合交接设计相对于矩形平面接触更容易发生变形破坏。图13 高棉早期建筑门窗边框与横梁接触方式(a)及榫卯结构示意图(b) ThecontactstyleofjambandbeamattheearlyperiodofKhmer图14 高棉晚期建筑门窗边框与横梁接触方式(a)及榫卯结构示意图(b) ThecontactstyleofjambandbeamatthelateperiodofKhmer3)梁柱结构。高棉建筑中多建有回廊、长厅等单体建筑,回廊、长厅中经常出现立柱与横梁的组合体形成建筑结构中的一侧墙体,使内部与外部空间保持开放,横梁上支撑建筑结构的屋顶部分。此外建筑单体的出入口也属于梁柱结构。梁柱结构使建筑呈现了一个更加开放的空间,增加了建筑内部的采光率、建筑室内的内支撑柱梁则使建筑内部空间跨度更加宽广,但也带来了建筑结构较易发生变形失稳的隐患。梁柱结构变形破坏成因也可分为两种,一种为被动倾倒变形破坏,一种为主动残损断裂破坏。梁柱结构对于其基础的变形较为敏感,由于接触面积相对较小,基础微小的沉降变形常会导致梁柱结构的整体坍塌破坏,此类型的结构破坏为被动倾倒变形破坏。主动残损断裂破坏主要为梁柱等结构单元由于选材及使用上的不当,在结构荷载作用下,结构构件沿岩石中的软弱结构面或层里面发生的劈裂或断裂等变形破坏。引起石构件发生主动残损断裂破坏的因素有两种:一种为自然环境引起的石构件风化进而导致结构单元的强度降低,荷载超过梁柱结构单元的强度后导致断裂破坏;另一种因素为受限于古代建造师们对建筑材料性质认识的欠缺,石料加工后,梁柱主受力方向与层里面或软弱结构