【目的】开展木结构古建筑常用树种木材微损检测曲线量化研究，探讨基于曲线比对的木材树种鉴定方法，以实现古建筑木构件用材树种现场识别。【方法】以古建筑木构件常用落叶松、杉木、松木、杨木等树种木材为研究对象，利用阻抗仪获取相关树种木材的阻抗仪检测曲线，通过曲线整体均值、曲线占比和曲线走势量化分析，给出微损探测获取木构件树种信息的方法和识别思路。【结果】以多基准的木材微损检测曲线数据库为基础，通过待识别曲线的比对分析，可实现木结构古建筑常用落叶松、杉木、松木、杨木等木材树种的初步鉴定，后续应在微损参数设计、基础数据库扩容以及比对算法完善方面加以改进。基于微损检测曲线进行木材树种比对，若木材密度相差较大，可分析曲线高低直接区分；若木材密度接近但曲线峰谷变化差异大，可根据曲线占比和曲线走势区分；若木材密度和曲线占比均接近，需综合古建筑历史记录、木材取材信息以及其他特征加以确定。实际应用中，结合传统取样鉴定结果并将取样构件的微损检测曲线增列至数据库，可提高识别精度。【结论】古建筑木构件用材树种现场识别是针对文物建筑特点的一种适宜性保护鉴定技术，该技术基于限定范围内木材微损检测曲线的相似度比对确定树种结果，可作为传统鉴定手段的有效补充。

【目的】研究木材生物病害严重区域木结构古建筑木构件用材树种选材原则及与生物病害的关系，深入认识我国古建筑用材的树种配置模式和生物病害规律，为古建筑修缮保护和古代建筑史研究提供科学依据。【方法】以12座木结构古建筑修缮时因病害更换下来的30份旧木构件为研究对象，检测其生物病害种类、位置和程度，在木构件上切取样品，根据样品腐朽程度选用碳蜡包埋或普通制片方法，采用滑走切片机制备15～20μm厚显微切片，光学显微镜观察微观构造和生物病害特征，参照IAWA针叶树和阔叶树木材识别特征一览表，依据国家标准进行木材树种识别和生物病害等级判定。【结果】12座木结构古建筑木构件用材树种涉及12科14属，针阔叶树材占比分别为43.3%和56.7%,其中杉木属、桦木属、杨木属和硬木松是常用树种。浙江省古建筑木构件用材最为丰富，河南、贵州省古建筑木构件用材以阔叶树为主，湖南省古建筑木构件用材以针叶树为主。10种木构件中，承重且体积较大的木构件用材树种主要是杉木、落叶松、银杏、硬木松、桦木、锥木、楠木、栎木、榆木、杨木、番龙眼和厚皮香；非承重且体积较小或装饰用木构件用材树种主要是杉木、桦木、杨木、椴木、榆木和臭椿。14种树种的物理力学强度中等，气干密度和抗弯强度最大的是栎木，最小的是杉木；木材强耐腐及耐腐的树种有9种；易开裂的有4种。木构件受腐朽真菌、木蜂、蠹虫和白蚁等不同程度危害；易受木蜂侵害的树种为杉木、桦木和硬木松，易受蠹虫侵害的树种为硬木松、桦木和杨木，易受白蚁蛀蚀的树种为杉木、榆木、栎木和锥木；所有树种均易受腐朽菌侵害，其中杉木、桦木和杨木占比较大。【结论】木材生物病害严重区域古建筑木构件用材特点存在明显差异，不同木构件用材和同类木构件用材均存在差异。选材原则：1)从建筑安全性能考虑，木材物理力学性能是用材选择的首要因素；2)从材料采伐运输的经济便捷性考虑，宜选用当地常见乡土树种；3)因“就地取材”为其重要选材原则，导致不同地区用材差异较大；4)一定程度上受木构件使用用途影响；5)一定程度上受古建筑地位和功能影响。木材生物病害与木构件用材选择密切相关：1)尽管树种天然耐腐性存在差别，但真菌腐朽仍是12座木结构古建筑木构件用材材性劣化的首要生物病害因素，说明腐朽与古建筑所处气候环境关系更密切；2)木构件虫蛀病害以木蜂和蠹虫危害为首，木蜂筑巢树种的选择与木蜂种类、构件种类和建筑地域有关。

【目的】建立随时间变化的古建筑残损木构件多因子强度退化模型，验证基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析的适用性，提高古建筑残损木构件可靠度分析的计算精度和效率，为古建筑保护中构件力学性能的量化和评估提供科学依据。【方法】综合考虑长期荷载、腐朽、虫蛀和干缩开裂对木材损伤的影响，借助已有模型和理论，建立木构件多因子损伤时变模型并推导出强度退化模型。以某古建筑木结构的典型柱为例，根据强度退化模型确定影响参数，对残损影响参数进行灵敏度计算及排序，通过设定阈值确定影响构件残损的关键参数，将非关键参数常数化以实现参数的初步降维。通过拉丁超立方法在关键参数的参数域内选点得到1 000组代表点，基于强度退化模型计算残余强度变化率，根据概率密度守恒构建概率密度演化方程，利用差分法求解得到残余强度比与随机参数的联合概率密度函数，在随机参数域内积分求得残余强度比随时间变化的概率密度函数，最后将概率密度函数在安全域内积分得到构件可靠度；同时基于蒙特卡罗法随机抽样产生10 000组参数数据对残损木柱进行可靠度分析，对比分析两种方法计算出木柱服役时间为1～1 000 a时的失效概率。【结果】随服役时间增加，木柱损伤变量逐渐增大，服役时间为1 000 a时1 000组不同参数值的构件几乎都达到失效界限；概率密度演化曲面中概率最高的残余强度比逐渐减小；构件失效概率随时间增大，即可靠度降低；服役时间为100、300、500、700、900 a的5个节点，蒙特卡罗法和概率密度演化方法计算所得的木柱失效概率差值分别为9.48%、3.92%、6.10%、8.40%、4.40%，在蒙特卡罗法参数取样量更多、计算用时更长的前提下，两者计算所得失效概率差值不超过10%。【结论】建立的多因子强度退化模型可用于木柱残余强度的评估和预测，但仍需要进一步的修正。基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析是可行的，与蒙特卡罗法相比具有更高的效率。

为在不损害木构件功能情况下,于现场快速、有效地检测评估出构件材料的主要力学性能,以北京圆明园正觉寺鼓楼拆卸下来的落叶松材为试验对象,对力学试件进行应力波传播速度、微钻阻力、密度等检测,力图以微钻阻力与应力波速度平方的乘积(应力波-阻力模量)作为评估木构件材料力学性能的指标。经过与传统力学性能检测方法的检测结果对比发现:应力波-阻力模量与被测材料主要力学性能指标之间有较好的线性相关性,它与材料弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度的决定系数分别为0.5056、0.2609、0.4773。为了更好地使应力波-阻力模量这个参数服务于古建筑木构件材料力学性能的快速检测与评估,建议使用95%置信度回归方程作为...

明清时期“有檩式”古建筑具有构造独特、形态复杂的屋顶结构,对火灾烟气的流动产生显著影响,但现有火灾探测器的布置方案较少考虑这一因素,难以实现有效的早期火灾探测。为加强对明清时期古建筑的火灾防控,该文以硬山顶建筑为例展开研究,采用FDS (fire dynamics simulator)进行火灾数值模拟,分析不同火源位置和不同檩高条件下烟气的蔓延情况,通过设置感烟探测器阵列,进一步探究檩高对各个位置探测器响应特性的影响。研究发现,烟气蔓延过程与探测器响应时序密切相关;火源位于正脊轴线下方,当檩高不超过30 cm时在正脊中心处的探测器最先响应,超过30 cm后在靠近正脊中心两侧的顶棚处布置探测器则可以实现快速响应;火源位于墙角位置,当檩高不超过20 cm时正脊处的探测器均可在60 s之内做出响应。该研究结果可为明清时期同结构类型建筑火灾探测器的合理布置提供技术支撑。

中国古建筑多为木或砖木结构,具有较高的火灾隐患,因此古建筑群的早期火灾探测报警工作值得重视。图像型火灾探测器能够快速完成火灾探测并提供火源位置信息,非常适用于古建筑群的早期火灾探测和报警。然而,目前图像型火灾探测器的布置方式多依赖半定量的经验和法规,缺少准确计算探测器覆盖范围和评价布置方案优劣的方法。因此,该文提出了一种基于集合覆盖模型和最大覆盖模型的古建筑群室外图像型火灾探测器布置优化方法。首先结合古建筑结构信息和网格划分方法构建目标区域3D模型;其次分析图像型火灾探测器的有效探测范围,通过构建二元观测矩阵确定探测器在候选布置点处对目标区域网格的覆盖情况;随后以目标区域的布置成本和覆盖率为优化目标,基于集合覆盖模型和最大覆盖模型构建探测器布置优化数学模型;最后,基于遗传算法求解获得探测器的最优布置方案。该文以故宫太和殿、中和殿和保和殿所在区域为应用对象,分别获得了在给定目标覆盖率和预设成本情况下,以布置成本和覆盖率为优化目标的图像型火灾探测器最优布置方案。该文提出的方法可为古建筑群图像型火灾探测器布置提供科学参考,并具有一定的实用价值。

【目的】制备一种环境友好型的水基化有机型防腐防虫微乳剂,以满足古建筑木构件不同生物危害防治需求,因地制宜保护古建筑木结构免受生物败坏。【方法】选择木材防腐效果较好的丙环唑、防霉抑菌的1,2-苯并异噻唑啉-3-酮(BIT)和杀虫活性较高的高效氯氟氰菊酯为主成分,采用助剂添加和乳化技术制备水基化有机型防腐防虫微乳剂,通过稳定性测试、有效成分抗流失性能测试、室内抑菌活性测试、室内防腐性能测试以及野外埋地测试等评价微乳剂的性能和防腐防虫效果。【结果】制备的水基化有机型防腐防虫微乳剂兑水稀释250倍后可稳定存放60天以上且仍保持透明,-25℃下放置过夜未结冰;微乳剂稀释后处理木材的有效成分固着率达90%以上,各有效成分在木材中的固着率与其在水中的溶解度有关,溶解度高的有效成分固着率低;微乳剂处理后木材外观色泽几乎没有变化;微乳剂对木材白腐菌、褐腐菌、霉菌和变色菌抑菌效果良好;处理辐射松边材时,载药量高于161.3 g·m-3(丙环唑与高效氯氟氰菊酯配比为20∶1)时木材质量损失率低于5%,耐腐等级达到I级强耐腐等级;载药量在134.8 g·m-3以上(丙环唑与高效氯氟氰菊酯配比为20∶1)的辐射松处理材埋地半年的腐朽和白蚁蛀蚀完好值皆为10,而未处理材白蚁蛀蚀完好值为5.8。【结论】本研究制备的含丙环唑、BIT和高效氯氟氰菊酯的水基化有机型防腐防虫微乳剂有效成分含量≥10%,低毒,性能稳定,有效成分在木材中固着率高,具有良好的防腐和防白蚁效果,实际应用时可根据古建筑实际生物危害防治需求灵活调节有效成分配比。

为了快速、有效地筛查出古建筑木构件内部的缺陷,并估算其大小(尺寸),使用Fakopp应力波检测仪和微钻阻力仪,在尽可能小的损伤情况下,快速筛查古建筑圆柱形木构件内部缺陷及其大小(尺寸)。并选取北京市古建筑常用木材落叶松(圆盘)进行验证试验。结果表明,利用Fakopp应力波检测仪和微钻阻力仪可以现场筛查古建筑木构件的内部缺陷及其大小(尺寸)。

中国拥有大量的木结构古建筑。合理有效地检测评估木结构的存在状况，是古建筑保护和修缮工作的重要需求。古建筑木结构无损检测是以无损检测和评估古建筑木结构安全性，以现场应用和实际需求为导向的木材材性检测评估技术，检测内容主要包括缺陷无损检测和木材物理力学性能无损检测两个方面。木结构、木构件隐藏缺陷的检测以及评估是古建筑木结构无损检测工作的重点和难点。本文首先介绍古建筑木结构的组成，总结其无损检测内容和目前常见无损检测方法；然后归纳总结古建筑木构件隐藏缺陷无损检测、古建筑木构件分等、腐朽对古建筑木材力学性能影响等应用和研究进展；最后归纳说明古建筑木材力学性能无损检测和自然老化对古建筑木材性质影响的研究状况。以期对从事木结构文物保护技术应用和科研工作的相关人员，有所启发和帮助。

【目的】采用探地雷达对木质体内部缺陷进行断层扫描探测,研究基于雷达波的树木内部层面反射特征识别算法,为雷达波无损测试技术在树木内部结构和缺陷的解析、定位及分布表征提供理论依据。【方法】采用900 MHz介质耦合树木雷达对柳木试件进行断层扫描,研究实现阈值法、匹配滤波器法和希尔伯特积算法获取缺陷层面的反射位置,基于层剥反演法对树木内部不同介质进行介电常数反演,求得层位的相对深度,结合三维激光扫描仪获取的树木外形轮廓点云数据,根据轮廓追踪法将雷达波B扫描图像与断层轮廓绝对位置进行映射,实现对树木内部缺陷的准确定位和表征。对3种算法分别使用FDTD正演方法进行对比验证,并应用于颐和园古柳木试件试验测试中。【结果】正演对比测试结果表明,希尔伯特积算法相较于阈值法和匹配滤波器法,对木质体内部缺陷识别效果更好。柳木试验测试结果显示,树木内部缺陷深度误差为10%,结合三维激光和外轮廓扫描技术求得的缺陷部分面积误差在5%左右。【结论】本研究提出的算法可以实现雷达波扫描图像对树木内部缺陷的准确定位和分布成像。

【目的】望板是木结构古建筑屋顶的重要组成部分，由于屋顶漏雨、渗水等原因，望板与苫背接触的隐藏区域易发生腐朽损坏。本研究基于红外热成像原理开展腐朽望板检测理论和实验研究，以期为基于红外热成像的古建筑望板腐朽状况无损检测和评估技术的形成奠定前期基础。【方法】首先，分析古建筑望板的传热过程，推导腐朽区和非腐朽区望板内表面平均温差的计算公式；然后，选取4种腐朽等级的望板试件，制作实验装置，通过参考法用红外热像仪测定了试件发射率，并进行4种腐朽等级望板试件内表面温度变化的检测实验。【结果】理论研究结果表明：在得知望板的木材密度、比热容的基础上，可计算出红外检测望板腐朽状况的最佳检测时间。试验结果表明：同一时刻，望板腐朽等级越高，其内表面温度越高，红外图像颜色越深；腐朽望板与正常望板内表面间的温差随着加热的开始会逐渐变大，但达到一定程度后，温差会随加热时间进一步增长而变小。试验测得的腐朽望板红外最佳检测时间与理论计算得到的最佳检测时间有良好的一致性。望板腐朽最佳检测时间不受望板两侧温差、环境温度等影响，一般为20～30 min。望板两侧温差越大，腐朽望板与正常望板内表面间的温差越大，红外检测效果越好。【结论】理论和实验结果均表明，基于红外热成像对古建筑望板腐朽状况进行无损检测是可行的。

以现场检测古建筑木构件的缺陷和评价残余弹性模量为目的,采用三维应力波的方法对保国寺大殿C1柱进行了现场勘查。结果表明:三维应力波无损检测技术可较好地进行现场古建筑木构件内部缺陷的检测,不仅可以现场检测同一高度截面内的缺陷状况,而且还可以现场检测不同高度的截面之间的缺陷状况;通过波速在不同截面之间的变化状况,说明柱子的缺陷主要存在于近地面区域;三维应力波无损检测技术还可较好地进行现场古建筑木构件平均残余弹性模量评价,传感器之间的距离对柱子的平均残余弹性模量的测定影响相对较小。

2010—2022年,古建筑火灾事故频繁发生,对珍贵历史文物的保护提出了巨大挑战。为应对这一挑战,该研究提出一种基于图像超分辨率技术的消防危险品检测模型,用于识别易燃物品和可燃物品。在实际应用中,应准确归类危险品,并精确定位危险品的位置,由于普通摄像头图像的分辨率均较低,因而采用图像超分辨率生成对抗网络(super-resolution generative adversarial network, SRGAN)算法重建图像;此外,引入坐标注意力机制提高检测精度,并使用完整交并比(complete intersection over union, CIo U)损失函数加速模型训练。这一综合方法可有效检测古建筑区域内的消防危险品。使用测试数据集对该模型进行了一系列实验,结果表明:改进后的模型具有0.830的平均精度均值(mean average precision,m AP)和0.940的精确率;在服务器上,该模型的推理速度高达92 FPS(frames per second)。该文提出模型有效且高效,为古建筑火灾防控工作提供了强大的技术支持。

【目的】研制一种CT扫描攀爬机器人,以实现对古建筑木立柱的CT扫描。【方法】首先,提出CT扫描攀爬机器人的环抱式+旋转机构结构,介绍机器人沿木立柱攀爬的过程,完成机器人控制系统结构设计;然后,采用耦合PD控制算法进行机器人水平伸缩关节力控制研究,采用耦合分段PID同步控制算法进行机器人垂直伸缩关节同步控制研究,实现旋转关节的速度控制;最后,依托所研制的CT扫描攀爬机器人,进行功能测试和控制效果分析。【结果】CT扫描攀爬机器人沿木立柱上下攀爬过程中,水平伸缩关节由初始位置到接触状态的接触检测力为50 N;夹持力设定值为5 000 N时,实际夹持力控制精度可达96.2%,机器人负载能力大于60 kg。垂直伸缩关节位移同步平均误差小于0.5 mm。角速度设定值为3(°)·s~(-1)时,旋转关节角速度最大稳态误差为0.116(°)·s~(-1),平均误差为0.003(°)·s~(-1),均满足CT扫描成像要求。【结论】所研制的CT扫描攀爬机器人可沿古建筑木立柱向上或向下攀爬,并通过旋转体携带CT扫描仪对木立柱进行360°CT扫描,进而完成断层图像重建,可准确评价木立柱的内部特征及健康、安全状况。

大木作是中国古代建筑史中的重要内容，由于其知识点多、内容抽象且覆盖面广，仅靠传统的理论讲解并辅以图片说明，难以让学生真正理解并掌握。该文以重点文物保护单位“华林寺大殿”为例，利用虚拟现实内容创作引擎软件Idea VR构建华林寺大殿大木作虚拟模型，通过传统认知（即传统的“理论讲解+图片说明”）和虚拟认知（即虚拟环境下的大木构件拆装）实验，对虚拟环境下的华林寺大殿大木构件的认知开展实验研究。研究结果表明，虚拟认知方式对中国古建筑大木构件的感知及其理解的准确性明显高于传统认知方式，虚拟环境下的大木构件拆装教学不仅能激发学生的学习热忱、提高学生的学习兴趣，还能让学生直观地理解并掌握古建筑大木构件的名称及其相关内容。