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木结构屋顶修缮保护研究

木结构屋顶修缮保护研究

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1 工程概况


始建于1958年的江苏师范大学云龙校区师源楼,为徐州市历史建筑,总建筑面积6 015㎡,主体4层、裙房3层,主体结构采用砖混结构,顶层为砖木混合结构,四坡屋顶。


(1)大屋面施工作法。采用豪式木屋架,在木结构檩条上钉40 mm×60 mm木椽条,椽条间距400 mm,木椽条上方铺1层15 mm厚木望板,木望板上做1道油毛毡防水层,再做25 mm×25 mm挂瓦条,铺平瓦屋面。


(2)檐口作法。出檐悬挑用30 mm×40 mm平顶筋,中线间距400 mm,平顶筋下钉40 mm宽的木板条,木板条面层上再抹反手灰,紧贴平顶筋前端钉有30 mm×50 mm木条,木条外口再钉20 mm×250 mm的封檐板,屋面瓦由檐口铺至屋脊,封檐板就成了瓦面檐口的落脚点,相当于瓦口板的功用。


(3)四坡屋面排水体系。通过坡屋面的瓦面层将雨水排至各向屋檐檐口,通过檐口处的集水槽收集雨水,集水槽内做好返水坡度,雨水有组织的排向建筑边角处的落水槽,从而使屋面水有秩序的排至地面,避免雨天出现较大的下水帘。


2 使用情况及出现问题


建成以来,该建筑一直作为教学楼使用至今,2019年9月使用单位反映屋面有多处漏雨。经过实地勘察发现,屋面不平且整体有起伏,约20 %的屋面瓦出现缺损松动,瓦件间有较大缝隙;脊线不顺直,脊瓦多处松动破损,坐瓦的水泥砂浆酥碱风化失去对脊瓦的约束;檐口存在多处小面积脱落,封檐板表面油漆整体失光褪色,多处漆饰起皮脱落。


从房屋内部看,木望板受潮腐朽变形,表面有盐碱渍、泛白痕迹等水痕污染,病害量约占总量的90 %,木椽条表面有水痕污染,病害量约占总量的60 %,由此可推断,油毛毡防水层的可靠程度降低,已无法防住屋面渗漏下的雨水;部分弦杆、腹杆、木檩等木构件存在干缩裂缝,弦杆与腹杆以及构架体系相互搭接处铁扒钉、铁板对插螺栓等金属构件出现锈蚀(图1)。


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(a)                              (b)

图1 江苏师范大学云龙校区师源楼出现的部分问题

(a)屋面整体有起伏;(b)檐口存在多处小面积脱落


为此,委托具有相应资质的鉴定单位对建筑进行残损等级评估,本建筑残损等级定为c'级,有中度残损点,已影响该建筑的安全;其中木椽望残损等级为c'级,木望板、木椽条上部受潮腐朽较普遍,已影响屋面层的结构安全;上木结构体系定为b'级。


3 原因分析


该建筑作为教学楼使用已有62年,且始终没有经过大修,鉴于现场勘查情况进行原因分析如下。


从表面看,屋面瓦间有较大缝隙、油毛毡损坏导致屋面防水几乎失效,雨水渗入屋面层内部,进而引起木望板、木椽条等木构件出现严重水污染,室内出现漏雨现象。


从更深层次分析,屋面瓦间之所以会出现缝隙,很大一部分原因是屋顶结构出现变形。弦杆、腹杆、木檩等木构件出现干缩裂缝,节点金属构件出现松脱、锈蚀以及残损等级评估也验证了这一分析。长期负荷并受自然因素影响下,木材的强度会大幅减弱,金属构件也会出现松脱、锈蚀等现象,影响屋架稳定性,引起屋面变形,进而引发屋面瓦出现起伏、瓦件间出现较大缝隙、脊瓦不顺直等。同时,屋面出现渗漏后加大了对木构件的损伤,降低材料强度、破坏屋面结构,如此周而复始,形成恶性循环,如图2所示。

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图2 屋顶结构变形原因分析


综上分析,此次渗漏问题的根本原因在于木屋架的结构变形,屋面渗漏只是表面问题。


4 修缮过程


4.1 主要修缮内容及秉承原则


经过上述分析,修缮工作小组决定对建筑屋面进行揭顶修缮,本次修缮主要包括以下两方面内容。

(1)更换防水层及屋面瓦,解决屋面渗漏问题。


(2)结构加固,对屋顶木结构进行修整加固,解决结构变形问题。由于本建筑为徐州市历史建筑,承载了独特性的历史信息,具有独特的文化内涵和价值,因此此次修缮秉承“修旧如旧”的理念,尽可能地做到“原材料、原形制、原工艺、原作法”,坚持不改变历史建筑原状、适度保护、最低限度干预的原则,排除局部险情、修整损伤部位、加固屋顶结构,保护好历史建筑,使其处于健康的状态,从根本上解决由于屋顶的安全隐患所带来所有问题。


4.2 施工过程


4.2.1 拆除

依次拆除屋面瓦、挂瓦条、油毛毡、木望板等屋面覆盖层,露出木屋架,拆除过程中对屋面瓦按规格、损坏程度分别码放,进行分类整理。


4.2.2 木构件保护层修复

对裸露的木屋架进行除灰除尘、涂抹2遍桐油、喷涂白蚁防治剂,新置换的木椽条、木望板、挂瓦条等木构件涂刷两遍桐油、喷涂白蚁防治剂后才能安装。


4.2.3 结构修整加固

屋面揭顶后首先检查木构件情况,设计人员对木梁、弦杆、腹杆、木檩、木椽条、木望板等木构件进行一一甄别,对不同情况提出针对性的修整加固方案。

(1)木构件加固。木构件裂缝超过GB/T 50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术规程》要求的进行环氧树脂木条嵌补,并用碳纤维布进行粘贴箍牢加固等,确保满足受力要求下旧料的最大利用。

屋面揭顶后,发现木屋架与墙体连接良好、木梁基本完好,木檩、弦杆主要出现裂缝问题,仅少量部位被雨水侵蚀,经加固后可以满足受力要求。经统计,共139处裂缝,裂缝宽度为0.4~2.0 mm,主要集中在0.5~1.0 mm,此区间的裂缝占所有裂缝的71.02 %。经设计人员现场甄别,主要采用绑扎法和加紧法进行加固,用环氧树脂嵌缝后再采用碳纤维布箍牢、增加抱箍、两梁交接松动处用木楔塞紧等加固保护措施。


(2)更换木构件。糟朽、劈裂、挠度下弯超过修缮加固标准的木构件按原木材品种原形制进行添配。经甄别,木椽条、木望板、挂瓦条受潮腐朽严重,决定更换有水痕、糟朽的木椽条,并在原木椽条空档处新加1道尺寸相同的木椽条;木望板和挂瓦条全部更换,尺寸与原尺寸相同。


(3)节点处理。重新紧固铁扒钉、对穿螺栓等金属构件,表面涂抹除锈防锈漆;对于锈蚀严重处,重新增加金属构件,表面涂抹防锈剂;对于节点松脱较为严重处,用木楔塞紧或增加铁扒钉等金属构件,对节点松动处进行有效的扒结或锚固。


4.2.4 防水层修缮

拆除已失效的防水材料,用SBS防水卷材代替油毛毡作为防水材料敷设在木望板表面。


4.2.5 屋面瓦施工

更换全新的木质挂瓦条,固定在SBS防水卷材表面,将屋面瓦固定在挂瓦条上。为保持原有立面效果,尽量使用原有屋面瓦。最终更换的屋面瓦面积约300 ㎡,占屋面总面积17 %,新置换的屋面瓦从附近农村购买,外表面尽可能保持一致,并穿插使用,尽量保证视觉上的一致性。


4.2.6 檐口修复

检修封檐板、檐口方木、木板条等檐部木构件,修补残损木料、更换糟朽变形的木料,重做木料表面油漆;原状保留反手灰,局部病害处针对性修补。反手灰表面油漆选用灰白色,与周边檐口近似,保证整体环境的协调统一。


5 修缮要点


5.1 保持原有结构体系不变

木梁、木檩、木椽条、木望板、屋面瓦的结构体系得以完全保留。修复时对结构的所有木构件进行一一甄别,尽量保留原有材料,对于损害严重的木构件进行加固或更换。


5.2 尽量保留原有施工工艺

屋面瓦修复时,仍采用木质挂瓦条挂瓦施工的工艺,檐口部分仍采用木板条表面抹反手灰的做法。


5.3 用现代化材料对结构进一步加固

屋面揭顶后,根据甄别情况,将开裂的木檩、弦杆、腹杆用环氧树脂嵌缝、碳纤维布粘贴箍牢等,增强可靠性,使结构加强,保证使用安全;所有木构件喷涂白蚁防治剂,增强耐久性。


5.4 用现有较好材料代替原有较落后材料

在修缮过程中,大部分材料仍沿用原有材料品种,仅防水材料发生了变化。原有防水材料油毛毡在市场上已不多见,且经长期实践,防水性一般,经修缮工作小组研究决定,用SBS防水卷材代替油毛毡作为防水材料。


6 修缮保护成果


工程完工至今已历经两个雨季,每次大雨天气学校基建部门都会对顶层每个房间进行检查,未发现一处漏雨现象。防雷、排水等设施恢复原状,均正常运行。此次修缮不仅解决了漏雨问题,更对建筑物结构进行重新加固,使历史建筑重新焕发生机,保证了历史建筑保护与再利用的可持续性。


7 结论


对于木结构建筑的修缮要重点关注结构问题,木材在长期负荷和自然因素影响下强度会大幅减弱,引发结构问题。因此要加强对木结构房屋的维护,定期涂抹防护剂、金属除锈防锈漆,进行白蚁防治等,如发现节点处金属构件出现松脱,及时紧固。


屋面渗漏是建筑物较常见的病害之一,引起的原因非常复杂,可能是防水层本身,也可能是其他问题,必须根据建筑物的特点,从根本上寻找原因才能彻底解决问题。


历史建筑的修缮不仅要解决建筑物存在的质量问题,更要考虑如何保护建筑物的历史信息。修缮前要充分了解历史建筑的构造、材料、施工工艺及其承载的文化内涵,秉承“修旧如旧”的理念,尽可能做到原材料、原形制、原工艺、原作法。


摘自《建筑技术》2023年5月,刘 宁


延伸阅读:

Dengo Store项目:重木结构的建造挑战和解决方案 钢木组合桁架拱结构体系在公共建筑中的应用 干货分享|刘敬疆《木结构建筑政策与标准》

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