郑州文庙大成殿整体抬升保护技术

郑州文庙位于郑州市东南部，现存的大成殿为单檐歇山绿琉璃瓦顶的抬梁式木结构建筑，面阔七间，进深四间，建筑面积300余m²（图1）。随着城市的迅速发展，周围的道路在建设中被一次次垫高，文庙院内地势相对较低，形成一个“盆地”，致使周边雨水汇集与此，造成建筑基础长期处于水浸及潮湿状态，出现了墙体酥碱、内柱糟朽等病害，对文物建筑的保存十分不利。因此，选择对建筑的整体抬升成为一种必要的保护手段。

图 1 郑州文庙大成殿平面图

1．整体抬升设计

大成殿通面阔七间，为24m，通进深四间，12.8m，通高11m，面积307.2m²。单檐歇山式建筑，绿琉璃瓦顶（图2）。

图 2 郑州文庙大成殿立面图

对该建筑的原地整体抬升设计主要是为了一劳永逸的解决其地势低洼、积水造成的危害。通过对周边的勘察，抬升高度设计为1.72m。

1.1抬升方式选择

建筑抬升在古建维修中的做法通常与传统“打牮拨正”方法类似，采用千斤顶或撬杠将梁架一缝一缝地先后抬升；而在现代建筑中整体抬升方法一般是采用建筑基础的整体托换，多组液压千斤顶组成顶升设备，由计算机控制实施。考虑到古建筑榫卯构件材料的柔性特点，我们设计了一种螺杆式起臂抬升设备，通过旋转螺帽，使螺杆上的对丝上升带动柱子的升高，实现古建筑梁架的整体提升。这样不仅对古建筑结构的扰动较小，还可最大程度上保留文物建筑的原真性。

1.2抬升要素测算

整体抬升设计主要从建筑总重量、单个柱子的最大承重量、抬升设备承重要求、承台的设计与制作等方面来进行考虑。

1.2.1建筑总重量测算

根据建筑各个构件的重量，估算整座建筑的重量。其中，木材按8KN/m³、灰浆按17KN/m³、瓦件按1.2KN/m²、灰背按0.15×17=2.6KN/m²、望砖按0.035×19=0.7KN/m²、椽飞按0.12×0.12×8=0.1KN/m（14个/m）计算，根据构件数量和面积，建筑物总重量为501.32吨（10KN=1吨力计算）；

根据上述建筑及屋顶的总重量，计算出抬升时柱子需负载重量如下：每根金柱载重量=17.53KN/m×1.2=21.04吨、每根檐柱载重量=8.35×1.2=10.02吨、每根角柱载重量=14.25×1.2=17.12吨。

1.2.2抬升设备承重测算

（1）倒链工具测算

倒链作为抬升的辅助工具，作用是将柱子与柱础石分离，安装抬升设备。从以上的计算结果来看，金柱承重量最大，为21.04吨。为使具有较大的安全系数，拟对每根柱子采用两个倒链对称抬升方案，且单个倒链承重应不小于20吨。

（2）抬升设备强度测算

主要根据最大负荷的重量，抬升所需高度，对抬升设备材料选用，螺杆的直径及强度，许用应力、自锁条件、稳定性，螺母、螺纹的高度、强度等方面进行复核验算。

（3）承重木强度验算

根据《木结构设计规范》（GB50005—2003），对承重木验算采用容许强度计算。强度验算结果如下：承重木跨度：L=0.8m；截面高：h=380mm；宽：b=280mm；木材顺纹抗压强度[fc]=14N/mm²。设计最大承重量为20吨（含20吨）。δt=200000/380×280=1.879N/mm²≤fc=14N/mm²。承重木满足承重设计要求。

（4）地耐力的验算

由于抬升的受力由承重方木传导到地面，基础需达到地耐力特征值计算如下：取基础底面积为0.380×2.200×2=1.672m²，金柱要求地耐力特征值≥21.04÷（0.38×2.2×2）=12.6吨/m²，檐柱要求地耐力特征值≥10.2÷（0.38×2.2×2）=6.0吨/m²，角柱要求地耐力特征值≥17.12÷（0.38×2.2×2）=10.2吨/m²。根据勘察数据，现有基础满足上述地耐力的要求。

2．整体抬升施工

2.1抬升施工程序

抬升施工程序如下：

首先，拆除大殿砖墙，勘察墙内柱子，根据柱子的残损情况采取墩接或更换，为整体抬升做好前期准备；

第二步，抽换柱础，以槽钢、方形枕木和砖砌磉礅构成柱下基础，其中前两者为顶升时的临时基础，而砖砌磉礅为抬升后柱础石下的永久基础；

第三步，以牮杆加固殿内各横向、纵向梁架，提高其整体的稳定性；

第四步，安装抬升设备、砌筑支持承台、安装辅助指示标尺及监测设备等；

最后，开始整体抬升施工。每次抬升后均有专职人员复核校准柱子的抬升高度，确保高度保持一致。当抬升到一定高度后，在柱下砌筑磉礅基础及拦土，殿内地坪分步夯筑回填灰土。

2.2前期准备工作

前期的准备工作主要有柱子的勘察、设置抬升基准点、标明轴线位置、安装抬升设备等内容。

2.2.1柱子的勘察

对柱子勘察重点在检查柱的状况，对墙内糟朽的柱子进行墩接加固或更换，确保柱子强度满足抬升要求。

2.2.2基准点及轴线位置的设置

利用水准仪在每一根柱子上引出抬升标尺的基准零点和固定标尺，作为抬升高度的控制点。同时把殿内各柱的纵横轴线引出，作为抬升后校正柱础位置的标记，保证抬升后柱子轴线与原先位置一致。

2.2.3抬升设备的组成

螺栓式起臂抬升设备主要分成三个部分组成，即底部的槽钢等支承平台，中部的抬升螺栓丝杆，上部的螺母与支撑臂。在设备底部的槽钢两端打眼，安装丝杠，丝杠底部用螺母拧紧固定；上部的支撑臂由一对槽钢组构成，槽钢组将螺栓丝杆的上部夹紧固定，保持柱子垂直避免摇摆。支撑臂槽钢的两端则坐落柱两侧的临时砖砌支撑承台上（图3）。

图 3 螺杆起臂抬升设备构造图

此外，还设计了抬升辅助设备。主要有抬升标尺、固定观测标尺、旋转角度指针等，确保施工时每次抬升的高度相同。

2.3柱础抽换

柱础抽换主要将柱础石替换为抬升设备的槽钢。该过程采用人工抽拉倒链进行。使用倒链将柱子微微提升至与柱础脱离高度，从一侧插入槽钢将柱础逐渐推出替换。替换时从殿内中心开始，最后抽换四周檐柱的柱础。柱础替换完成后，在柱子两侧、与槽钢位置平行的地面上砌筑临时支撑承台，用来分散抬升时所承受的重量。

2.4抬升设备安装

设备安装时应逐一安装并检查抬升设备。从殿内的金柱开始安装，最后是檐柱和角柱。设备安装后均要进行调试，确保螺母能够顺利旋转（图4）。

图 4 抬升设备安装示意图

2.5梁柱结构加固

设备安装完毕后，用牮杆将殿内梁架结构纵横连接成一体，并用铁丝捆扎牢固，以增加建筑的整体稳定性。此外，在角柱位置还用牮杆从外向内45°角对建筑进行了支撑。为了保证施工操作人员的安全，在殿内架设了两道水平密目安全网，防止高空坠物。

2.6抬升施工

确保抬升的同步操作是抬升成功的一个关键因素，因此提前对参与施工的72名工人进行了详细的施工操作培训。抬升施工时，根据施工指挥员的口令，施工人员同步推动抬升设备螺母上的推杆，将螺母旋转相同的角度，通过螺母的转动使丝杆向上升起，同时带动柱子及建筑的提升。根据螺纹高度，每次操作抬升高度控制在0.5cm，使每次操作对建筑构件和结构的影响控制在最小程度。

当抬升累计高度达到10cm时，利用抬升设备对柱构件的支撑作用，在底部槽钢下砌筑磉礅，作为下一步抬升的基础。当抬升到一定的高度后，用三七灰土分层夯实增高原有殿内地坪，并将抬升设备重新复位安装，开始下一步抬升操作（图5）。

图 5 郑州文庙大成殿抬升步骤示意图

2.7施工中的监测控制

监测控制是抬升操作的重要一环，通过水准仪来监测每次的抬升数值。每次抬升后逐一校核柱子的上升高度。对出现上升高度不同步情况或者由于精度不够造成的误差，通过单独操作，使柱子达到正常的抬升高度。

在20多天的施工中，在广大施工人员的密切配合下，先后经过三次反复循环的抬升操作，在不卸瓦件、无整体抬升基础平台的情况下，整座建筑被安全、平稳地整体抬升了1.72m，达到了最终的设计要求。

3．结语

郑州文庙大成殿的整体抬升是国内首次对较大体量的古建筑单体不落瓦的整体抬升施工，由于充分利用了中国古建筑木结构的特点，没有修建现代建筑抬升时所需庞大的基础平台，不仅大大降低了施工成本，也完好的保留了古建筑原有的基础；屋面由于不卸瓦顶，最大程度地保留了原有建筑的历史信息；使用丝杆式的整体抬升也避免了传统的逐缝抬升梁架的抬升工艺对木构件榫头造成的损坏。而事后的勘测证明，整座建筑没有发生倾斜或歪闪等情况，古建筑原有的轴线位置也基本没有发生变化，从而证明了该方法在古建筑抬升保护中的实用性和可靠性，是我国古建筑整体抬升的一个成功案例。