水从碧玉环中去 人在苍龙背上行
——河北赵县赵州桥

2017-12-28 11:02郑莉颖
科学中国人 2017年28期
关键词:桥身赵州桥跨度

本刊记者 郑莉颖

水从碧玉环中去 人在苍龙背上行
——河北赵县赵州桥

本刊记者 郑莉颖

赵州桥

在河北赵县的洨河之上,伫立着一座当今世界上跨径最大、建造时间最早的单孔敞肩型石拱桥——赵州桥。其又称“安济桥”,建于隋大业(公元605~618)年间,距今已有1400年历史。桥长64.4米,跨径37.02米,券高7.23米,两端宽9.6米,中间略窄,宽9米。它由古代著名匠师李春主持建造,入选首批国家级重点文物保护单位,也是省级爱国主义教育基地之一。同时它还被列入世界遗产后备名录,被誉为世界上第12处国际土木工程历史古迹。

它,自历史中走来

赵州桥在桥梁建筑史上是个伟大的创造,整座大桥更像是一件精湛的艺术珍品。桥的主拱顶上雕有龙头型龙门石1块,八瓣莲花的仰天石点缀于桥侧。桥两边的拦板和望柱上,更雕刻着各种蛟龙、兽面、竹节、花饰。蟠龙汪洋戏水,苍龙飞欲腾空,无不形神俱备,栩栩如生。雕琢刀法苍劲古朴,风格豪放雄健,显示出隋代浑厚严整、矫健俊逸的石雕风貌,绝对是隋唐石雕艺术的精华。

赵州桥精湛的技艺令人惊叹,因而民间也广泛流传起有关赵州桥建造的神话故事。最著名的当数,鲁班在一夜之间造起这座大桥,惊动了“八仙”之一的张果老。张果老便邀柴王爷一齐下凡。他倒骑毛驴,在驴背的褡裢里装着太阳和月亮,柴王爷则推着独轮车,载着五岳名山一起上了桥。桥顿时被压得吱嘎作响,摇摇欲坠。鲁班一见不妙,情急之中赶紧用双手托住桥身,使两位神仙顺利过桥。从此,桥面上便留下了车道沟、驴蹄印和柴王爷的膝盖印。传说虽为缥缈之谈,但不免会引人遐想,给赵州桥镀上传奇的趣味儿。

抛开神秘色彩,根据史实记载,赵州桥为隋朝匠师李春建造,自建成共修缮8次,历经了10次水灾,8次战乱和几次多级地震,至今桥身依旧完好。且自古其所受赞誉极高,世人言“奇巧固护,甲于天下”。唐朝的张佳贞评价它是“制造奇特,人不知其所以为”。著名桥梁专家茅以升说,“我国的石拱桥几乎到处都有。这些桥大小不一,形式多样,有许多是惊人的杰作。其中最著名的当推河北省赵县的赵州桥,先不管桥的内部结构,仅就它能够存在1400多年就说明了一切”。

赵州桥自重2800吨,它的根基却只是一个由5层石条砌成的1.58米高的桥台,直接建在自然砂石之上。这么浅的桥基令人难以置信!梁思成先生在1933年考察时,还认为这仅是防水流冲刷而用的金刚墙,而并非承纳桥券全部荷载的基础。他在报告中写道:“我们在北面券脚下发掘,在现在河床下约70~80厘米,即发现承在券下平置的石壁。石壁共5层,高1.58米,每层较上—层稍出台,下面并无坚实的基础,分明只是防水流冲刷而用的金刚墙,而非承纳桥券全部荷载的基础。因再下30~40厘米便见水,所以除非大规模的发掘,实在无法进达我们据学理推测的大座桥基的位置。”

创造性建筑设计

一般而言,大跨度的桥梁多选用半圆形拱,这会直接致使拱顶过高,造成桥高坡陡、车马行人过桥非常不便。不仅如此,半圆形拱石在砌石时,所用脚手架相对较高,对施工影响极为不利,加重了施工的危险性。为此,李春和工匠们一起创造性地采用了圆弧拱形式,使石拱高度大大降低。据测量,赵州桥主孔净跨度为37.02米,而拱高只有7.23米,拱高和跨度之比为1∶5左右,这样就实现了低桥面和大跨度的双重目的。桥面过渡平稳,车辆行人非常方便,而且还具有用料省、施工简易等优点。当然,圆弧形拱对两端桥基的推力也会相应增大,这就需要对桥基的施工提出更高的要求。

赵州桥的敞肩,是设计者李春对传统桥梁建筑拱肩的重大改进。把实肩挖空,即在大拱两端各设两个小拱,靠近大拱脚的小拱净跨为3.8米,另一拱的净跨为2.8米。李春凭借大拱、小拱结合建构出的稳定结构,实现桥体的多项技术进步。就泄洪而言,这种设计明显增加了桥身的渡水能力,大大减轻了洪涝季节因水量暴涨给桥身带来的冲击力。根据计算,4个小拱分担过水面积达16%左右,这使赵州桥面对汛期的大水量攻势,安全性能有了显著提升。

与此同时,敞肩拱相较于实肩拱可节省大量土石材料,减轻桥身的自重。桥体一端两个小拱可节省13立方米石料,4个小拱则共计石料26立方米,即相当于减轻自身重量700吨。这将会减少桥身对桥台和桥基的垂直压力和水平推力,对于桥梁的稳固防护有着不言而喻的效果。从结构力学理论方面分析,赵州桥的设计构架堪称完美,敞肩拱式结构在承载时使桥梁处于有利的状况,可减少主拱圈的变形,提高桥梁的承载力和稳定性。而抛开工程建造的功用论述,赵州桥的结构设计在美学界也可圈可点。4个小拱均衡对称,大拱、小拱不但为造型添色,其搭配还彰显出一股轻巧秀丽之美,体现出建筑和艺术和谐、完整的统一。

单孔,是赵州桥的另一大特色。中国古代的传统建筑方法,一般比较长的桥梁往往采用多孔形式,这样每孔的跨度小、坡度平缓,便于修建。但是多孔桥往往也存在缺点,如桥墩多,既不利于舟船航行,也妨碍洪水宣泄;桥墩长期受水流冲击、侵蚀,天长日久容易塌毁。故此,李春在设计大桥的时候,克服技术难题,采取了单孔长跨的形式,河心不立桥墩,使石拱跨径长达37米之多,极大地提高了赵州桥的实用价值。如此跨度的建筑设计也成为中国建桥史上的空前创举。

匠心独运

赵州桥不仅砌置方法新颖、施工修理方便,李春对桥址的选择也有一番意味可寻。经过严格周密的勘查、比较,李春发现洨河两岸的地层是由河水冲积而成,地层表面是久经水流冲涮的粗砂层,以下是细石、粗石、细砂和粘土层,较为适合建桥。而今测算来看,这里的地层每平方厘米能够承受4.5~6.6公斤的压力,而赵州桥对地面的压力为每平方厘米5~6公斤,精准地满足了桥梁的建造要求。

另外,李春就地取材,选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料。在石拱砌置方法上,均采用了纵向(顺桥方向)砌置方法,将整个大桥由28道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成。其中拱厚皆为1.03米,每券各自独立、单独操作,相当灵活。每券砌完全合拢后就形成一道独立拱券,砌完一道拱券,移动承担重量的“鹰架”,再砌另一道相邻拱。这种砌法优点颇多,既可以方便移动,节省制作“鹰架”所用的木材,同时又利于桥的维修,即一道拱券的石块损坏便嵌入新石,进行局部修整,而不必对整个桥进行调整。

为了加强各道拱券间的横向联系,使28道拱组成一个有机整体,连接紧密牢固,李春采取了一系列技术措施。其一便是将每一拱券采用下宽上窄、略有“收分”的方法,使每个拱券向里倾斜,相互挤靠,增强其横向联系,以防止拱石向外倾倒;在桥的宽度上则采用少量“收分”的办法,从桥的两端到桥顶逐渐收缩宽度,从最宽9.6米收缩到9米,以加强大桥的稳定性。其次,在主券上均匀沿桥宽方向设置了5个铁拉杆,穿过28道拱券,每个拉杆的两端有半圆形杆头露在石外,以夹住28道拱券,增强其横向联系。在4个小拱上也各有一根铁拉杆起同样作用。再次,在靠外侧的几道拱石上和两端小拱上各盖有护拱石一层,以保护拱石;在护拱石的两侧设有勾石6块,勾住主拱石使其连接牢固。最终为了使相邻拱石紧紧贴合在一起,在两侧外券相邻拱石之间都穿有起连接作用的“腰铁”,各道券之间的相邻石块也都在拱背穿有“腰铁”,把拱石连锁起来。而且每块拱石的侧面都凿有细密斜纹,以增大摩擦力,加强各券横向联系。

这一系列措施的采取使整个大桥连成一个紧密整体,有效地增强了赵州桥的稳定性和可靠性。

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