木结构修复专利技术现状.pdf

中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-30-专利分析木结构是以木材为主制作的结构，包括木屋架、木楼板、木柱、木梁等在建筑中能够承受各种作用的体系。木结构由于材质的原因，与混凝土结构、钢结构等相比，更容易出现被侵蚀和易老化的问题，故而随着时间的推移，其稳定性相应地逐渐降低。木结构中古建筑占有很大比例，损坏形式主要有外部开裂、竖向变形、隐蔽处腐朽、内部腐朽、虫蛀等，为了确保此类古建筑的安全性能，需要持续地对木结构进行修复，修复需遵循的准则之一是在保证维持木结构原有建筑形态的同时还要注意预防可能发生的损伤。专利申请情况分析图 1 示出了木结构修复方面的专利申请量发展趋势，选取申请量较大的五局（CN、JP、KR、US、EP）作为数据基准，从专利申请数量来看，从 1974 开始有该方面的专利申请，但数量很少，直到 1995 年开始有了明显的增长，到2015年的10年间均保持在一定的数量水平，从2016年开始，申请量呈现了快速的增长趋势。以 CN 的申请量作为数据基准，我国在木结构修复方面的专利申请主要是从 2008 年后开始起步的，虽然起步较晚，但近年一直保持了快速增长的趋势，说明在木结构的保护和修复上开始有了更多的申请人专注于该方面的研究和技术投入。图 2 所示为五局的申请量情况，可以看到：我国的申请量占比最大，为 43%，其次是日本，占比 37%，其他三局的申请量不大，加起来占比20%，可见，在木结构的恢复方面，各国的研究和技术投入存在很大的差异。图 3 示出了我国主要申请人的申请量情况，可见看到：西安建筑科技大学的申请量遥遥领先于其他申请人，说明木结构的修复是该校的一主要研究方向；其次为南京工业大学、南京林业大学、北京工业大学和福州大学，第 6 位为上海建科集团股份有限公司；前 20 位中 17 位均为大学，由此可知，目前国内高校还是走在科技创新的前端，建筑相关的设计、施工等企事业单位对木结构修复方面的专利申请相对较少，即科研投入和成果及相应专利保护相对较少。图 4 为 CN 专利申请中处于有效状态的发明专利和实用新型专利的占比情况，其中发明专利占比为 27.22，实用新型专利占比为 72.78；也即实用新型专利是发明专利的2.7 倍，说明我国目前的该领域专利保护更偏向于实用的目的，技术含量也有待进一步提高。图 5 为专利申请的分类位置，E04G23/02 为现有建行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度木结构修复专利技术现状王 敏 孙国忠王 敏 孙国忠（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心王敏（1981），女，河北井陉，博士，高级知识产权师，研究方向：建筑节能、建筑安全、建筑专利研究等。孙国忠（1983），山东莱州，本科，工程师、副研究员，研究方向：建筑节能、建筑安全、建筑专利研究等。-31-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期专利分析筑的修理，大部分的专利申请给出了这样的分类位置，其次是 E04B1/26 即一般建筑物构造中的木制支承构件，以及E04B1/58 为用于条形建筑构件的一般建筑结构的连接，再次是 E04H9/02 抗地震或防地面下陷的专门用途的建筑物或类似的构筑物，以及 E04B1/98 防振动或震动，防止机械性的损坏的一般建筑构造。由此可见，对于木结构修复中重点在于对支承构件的修复、连接部位的修复以及抗震性能的提高等。修复使用的材料木结构进行修复时，并非必须使用木质材料，随着科技发展，工作人员选取了越来越多的新型材料用于木结构修复。碳纤维布是使用较多，备受关注的修复用材料。如CN201071550Y 为一种碳纤维布加固的古建筑木结构大木构架的榫卯节点，用粘贴在木柱和木梁上的横向碳纤维布对大木构架的榫卯节点进行加固，横向碳纤维布的上下边缘与木梁的上下边缘平行，横向碳纤维布通过垂直于木梁长度方向的碳纤维布环箍锚固在木梁上。这种方式能提高榫卯节点的抗弯能力。CN206220559U 为一种采用纤维布进行预应力加固的木柱，木柱包括木柱本体，木柱本体上缠绕有纤维布，纤维布为两层，包括基层纤维布和端层纤维布，基层纤维布在木柱本体上呈螺旋状缠绕并布满整个木柱本体表面，端层纤维布位于木柱本体两端且沿着水平方向横向缠绕。即木柱采用纤维布预应力整体缠绕外加端部纤维布缠绕，加上固定钢圈夹持，使木柱的强度显著增大且耐腐蚀。除了碳纤维布，玄武岩纤维布也被用于木结构修复中，玄武岩纤维材料属于一种自然界的材料，颜色通常为褐色，有一定的环保性。如 CN102373810A 为一种预应力玄武岩纤维布加固木柱的方法，将三条玄武岩纤维布条的端部粘固于被加固木柱上，布设方式为交叉环向布设，并对三条玄武岩纤维布条同时加载预应力后，将玄武岩纤维布条粘贴在木柱上，从而实现对木柱的环向加固。形状记忆合金也是近年在建筑领域使用较多的新型材料，在木结构的修复中也有相关应用，如 CN107217866A为一种装置形状记忆合金丝的木结构榫卯节点，包括木柱，和通过榫卯节点连接木柱的木梁，榫卯节点处的木柱和木梁之间上下分别连接有若干数量相同、直径相同的形状记忆合金丝，若干形状记忆合金丝一端通过水平钢板连接件分别固定在木梁上下端面，另一端通过木柱卡箍连接件分别固定在木柱上下柱面内侧；形状记忆合金丝沿木梁轴心上下对称，当榫卯节点发生反复转动时，形状记忆合金丝发生反复拉伸图 5 分类位置图 4 申请类型占比图 3 申请人申请量排序图 2 申请分布情况图 1 专利申请量发展趋势中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-32-专利分析及复位，承受木柱和木梁的内力。这种加固木结构榫卯节点的抗剪承载能力、抗弯承载能力、耗能能力均明显提高。同时，还有形状记忆合金与碳纤维筋复合使用的木结构节点，如 CN112963010B 为一种加固榫卯节点装置，其中木梁通过榫卯节点与木柱相连接，木梁通过钢板一与加固装置相连接，木柱通过钢板二与加固装置相连接。加固装置由两块对称的木质雀替状木板、形状记忆合金板、碳纤维筋、构件一以及构件二组成，形状记忆合金条两端分别通过对拉螺栓与钢板一、钢板二相连接，两条碳纤维筋两端分别插入铁艺构件一、铁艺构件二中固定，两块对称的木质雀替状木板相互拼合并将以上各构件包裹其中。这种加固方法用形状记忆合金条保证了榫卯节点的半刚性，同时，通过碳纤维筋限制梁柱之间的过大位移，起到抗连续倒塌的作用，并能实现变形后节点的自动复位，进而增强节点的加固效果。环氧树脂是木结构修复中常见的化学加固材料，如CN101638944A 为一种古建筑木结构原位修复方法，是在不落架的情况下对虫蛀木构件进行除虫防腐修复处理。步骤为：先在木构件表面找出较大虫蛀孔洞或蛀空端口作为灌注口，将洞内木屑杂物弄干净，往洞内灌清水冲洗，用环氧树脂对虫蛀孔洞进行修补，通过灌注口对蛀空的木构件内部灌注水溶性杀虫剂溶液，灌满后，封堵灌注口对木构件内部进行浸渍，同时在木构件外表面采用刷涂法或喷雾法进行除虫防腐处理，木结构原位除虫防腐完成后，排走水溶性杀虫剂溶液，对木构件内部腐朽蛀空处用高分子材料进行灌浆加固。环氧树脂除了灌注孔洞，也用于填充沟槽，如 CN114753670A 为一种开裂木梁修复与 FRP加固装置及方法，其中，带肋 FRP 筋通过胶黏剂嵌入 X型沟槽与 I 型沟槽，嵌固木条通过胶黏剂嵌入裂缝沟槽，在X 型沟槽未嵌筋区域及裂缝空隙填充环氧树脂，养护至胶结牢固后，带肋 FRP 筋与填充环氧树脂形成 X 型，限制裂缝张开，并与嵌固木条形成整体。其他研发方向木结构的修复中，可以和其他建筑一样，出于减隔震的目的使用阻尼器。如 CN106836842A 为古建木梁柱卯榫节点加固装置，包括木柱、木梁和钢节点，木柱的顶端通过钢节点与木梁连接，钢节点由钢节点主体、阻尼器、梁连接件、销、刚度调节垫块和隔层板构成，梁连接件下端与钢节点主体之间设有阻尼器，阻尼器的两端与梁连接件、钢节点主体铰接。通过简单置换刚度调节垫块的尺寸和阻尼器的性能参数，即可对钢节点刚度和阻尼特性进行调整，既完成了加固，又使得加固后整体结构不产生或者减小扭转效应。BIM 技 术 也 可 以 被 应 用 于 木 结 构 中，如CN113408035A 为一种基于 BIM 的木结构古建筑结构健康监测方法，基于现场勘察，进行木结构古建筑监测系统设计创建 IFC 格式且包含残损信息的 BIM 模型，对 IFC 模型数据处理计算，建立实时可视化监测平台，对木结构古建筑结构实时监测及数据更新，可以动态显示监测数据并自动报警，方便根据监测数据对木结构古建筑采取相应保护手段。寿命预测和保护决策也是近年的木结构修复的研发方向，如 CN107229806A 涉及一种适用于腐蚀环境的古建筑木结构剩余寿命可靠度预测方法，分析腐蚀影响下的材料时变模型；建立抗力模型并完成承载力寿命预测，对预测结果进行修正后实现木结构剩余寿命的区间预测；利用有限元仿真得到考虑腐蚀的变形时变值，基于 Weibull 模型结合蒙特卡罗方法实现结构变形值的可靠度寿命预测；决策出结构最可能发生失效的最早年限。获得考虑腐蚀和虫蛀影响的古建木结构极限寿命的范围区间后便于做出灾害预防方案和修缮加固等决策。CN110080549B 为一种建筑文化遗产中的木构架古建筑的保护决策方法，获取木构架古建筑的显性信息与隐性信息，根据隐性信息评估其价值，并决策其保护等级，建立数据库；依托数据库利用木构文物保护监测系统对木构架古建筑进行实时信息采集录入、信息管理分析和信息输出；对木构架古建筑的破损程度进行分类分析，根据建筑破损程度及数据库中采集的信息进行修缮，针对性、高效地保护不同等级的木构架古建筑，根据不同保护等级针对同样的破坏等级实施不同的修复方案。总结从木结构修复领域的专利申请来看，我国从 2008 年左右开始，专利技术的积累上较其他国家薄弱，但近年来，随着对木结构保护的逐步重视和知识产权保护体系的完善，我国在该领域的申请量在快速增长。在申请人类别来看，目前高校还是走在技术开发的前列，施工、设计单位和企业应该在技术研发和加强知识产权保护上加大力度，高校也应重视科技成果的转化。目前，在木结构修复的专利技术中，碳纤维、玄武岩纤维、形状记忆合金、环氧树脂等为应用较多的新型材料，阻尼器、BIM 技术和寿命预测等技术手段也应用在木结构的修复加固中，为该领域的发展提供了多维度的改进方向。