中华五千文明探讨

走近赵州桥

作者:拂晓
赵州桥由隋朝工匠李春设计建造,大约隋朝大业元年(公元605年)建成,至今已有一千四百多年历史,是迄今世界上现存最古老的石拱桥。(shutterstock)
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飞梁气势宏,碧水映顶穹;登桥踏坦路,造化一奇功!

赵州桥,原名安济桥,历史悠久,远近闻名。它坐落在河北省赵县城南约五里的洨(音淆)河之上,是座石砌拱桥,当地俗称大石桥,由隋朝工匠李春设计建造,大约隋朝大业元年(公元605年)建成,至今已有一千四百多年历史,是迄今世界上现存最古老的石拱桥。

赵州桥,原名安济桥,历史悠久,远近闻名。(拂晓提供)

关于工匠李春,只知其人是河北省邢台临城人,其生平并不见史书有何记载。

赵州桥为什么这么出名?奥妙在哪里?

赵州桥,为单拱大跨度石拱桥,桥面几乎与地平线持平,宽阔(达9米),采用当地青灰色砂岩石料建造。桥面长达五十余米,桥拱跨度达37米多,可见洨河是相当宽阔的一条河流。赵州桥真的很美,也很有气势,它像一条长虹,飞贯洨水两岸。

然而这毕竟仅是视觉感观,更绝妙的,也许是这座桥的巧妙构思、神性设计与独特的建造工艺吧。

(一)单孔大跨度弧拱(圆弧拱)

假设是单洞“半圆拱”桥,如此大的跨度势必使桥面像小山一样高,若拱的弧长加大,耗费巨量石料,重量加大,下面的石块受压加大,危险增加;拱太高稳定性则极差,施工危险性大。人们过桥就像爬山一样的艰难,就只能设多个半圆拱桥洞。而多洞半圆拱同样耗费更多石料,施工难度也大,还大大减小了河流横断面有效面积,大船无法通过,加大了对水流的阻碍,桥体承受的横向冲击剧增,加剧被洪水冲毁的可能(这使我想起了中共治水的“严防死守”“以水为敌”“截江断流”的围堵思维)。

而李春设计的“单孔大跨度弧拱”,比起半圆拱大大压低了拱高,使得桥面更接近两岸地面的高度,弧长大大缩短,石料减少,重量减轻,石块承压减小,稳定性高。全长大跨度单孔情况下,桥拱下面完全是空旷的,任由河水流动无阻,大船也能通过。

赵州桥是隋代李春设计的单孔大跨度弧拱石拱桥。(Shutterstock)

说到“压低拱高”的好处,我想引入一个参数“扁平率E”(实际上古人没有这说法,而是更妙的思维方法)。它是拱高H与跨度之半0.5L之比。其值通常介于0─1之间,一般来说值越小对拱桥来说越好,意味着桥面低,桥长短,省材料,重量轻,压力小,但值为0时不行,那就不是拱了。但是过低恐怕也不好,怕是石头要掉下来的,应该有一个最佳点。我个人认为,构筑桥拱的石块间密接的面,上下“应力”应该均匀,以防不测。安济桥拱高H=7.23米,跨度L=37.47米(有说37.04米),扁平率E=0.38。我发现,0.38这个点,竟然几乎正是1与0之间的0.618处,即半圆拱顶到“零拱”(弦)之间的0.618处!这可是“黄金分割点”!怎么这么巧?

安济桥的扁平率在世界桥梁中是名列前茅的。究竟这个拱高李春是怎么找到的,我们不得而知。

其实这样定义扁平率概念上是不妥的。从物理意义上讲应该数值越大越扁平,可它是反的。我把它定义为:E= (0.5L-H)/0.5L。这样当拱高H为半圆拱半径0.5L时,没有扁平,扁平率为零,随着拱高H的减小,(0.5L-H)的数值逐渐加大,扁平率增加(越趋于扁平),合乎逻辑,这才名副其实。这样算法,安济桥的扁平率E为0.614(极其接近黄金分割点0.618)。扁平率最大值为1,此时拱高为零,没有拱了,水平线了。不过两种定义都不影响问题实质。

安济桥的扁平率E为0.38,从另一角度看,极其接近黄金分割点0.618。(拂晓提供)

大跨度弧拱——安济桥拱券,拱厚度1.32米,以大约43米弧长而言,简直是太薄了!

(二)敞肩“空撞券”

桥洞(券)的两肩叫“撞”,一般都是石料砌实,但安济桥没有把撞砌实,而是也做了小的券洞,充分利用了空间。每撞依空间做一大一小共四券,这叫“敞肩空撞券”,既节省石料又减轻桥重。据估计可节省石料一百八十立方,桥重减轻大约五百至七百吨。桥重貌似稳定,但年久易于下沉,对石材的应力加大,反倒容易损坏,何况“实撞”还要承受更大的侧面洪水冲击。当洪水期水位上涨时,四个小桥洞可以使洪水通过,减小了洪水对桥体的冲击,减少洪水漫上岸来的可能性,提高了安济桥的安全系数,一举多得!

据说这种“空撞券”桥在国外,在欧洲十四世纪才出现,那就是法国太克河上的赛雷桥,晚于安济桥七百多年,且早已毁坏。

从侧向(河流轴向)看,安济桥并没有多大面积,上下非常窄,除路面与栏板所占侧面面积外,就是一条窄窄的弧形大梁。这样的设计,即使洪水达到了这么高的水位,也能最大限度地减少对洪水的阻力,最大成度地减少洪水的冲击能量。

安济桥桥拱虽然不高,但因跨度大中间还是够高的,较大船只通过是没有问题的。

石砌桥的稳定性,我想不在于桥重,而在于侧向面积的“扁形”、拱形结构、拱高小,以及巧妙的建造工艺。

“拱形结构”使得在重力下石材之间把力传递至两端地基处,石块之间以“挤压力”存在而不是拉力,而石材却是最“擅长”承受挤压的,这是力学特性。这也就是地下硐室(隧道、巷道)的顶部往往为拱形的原因。

(三)二十八道窄券并列

安济桥,拱脚宽9.6米,拱顶宽9米,中间行车马,两侧行人,相当宽阔。这么宽的桥梁的确需要较多的石材砌成。建筑上一般砌筑的方法,上下层之间以及横向砖块(石块)之间都是压缝错缝、咬合,以达到整体坚固的作用,叫做“纵连砌券法”。而安济桥的拱券却没有采用这种方法,而是采用了“纵向并列砌筑法”,即并行紧密排列二十八道窄券,每道窄券宽约350毫米。

安济桥的拱券采用了“并列式”的砌置方法,即并行紧密排列二十八道窄券,每道窄券宽约350毫米。(公有领域)

为什么采用这种多道窄券并列组合结构呢?笔者认为,由于桥拱是单层(上面铺一层护拱石),“纵联式”砌筑似乎意义不大,反而很难施工,维修也困难。而并列式就容易得多,哪块石头坏了,更换容易。纵联成整体一块,貌似坚固但脆性大,若遇强烈震动(如地震)很可能容易损坏。

安济桥的骨架——拱券,是由一块块砂岩石料垒砌起来的,紧密贴实,不抹任何灰浆等粘性材料,叫“干摆砌筑”,非常整洁,不像一般的砌墙盖房子之类的作法。其稳定性、坚固性只靠拱形结构的力学特性,靠石块间的挤压维持平衡,若遇到意外的扰动造成拉力,就有可能使石块之间出现分离的倾向。横向的券与券之间也没有灰浆粘结。

为了消除二十八道并列窄券可能分离的隐患,李春的设计采取了如下办法:

1)拱两端略宽,逐渐向拱中心收窄,合计中间窄于两头0.5米。这就使得拱券在重力作用下有向内侧倾斜的分力(向心力),促使各窄券向中间相互靠拢!真是个好主意!形状上这倒像“大力士”蚂蚁的细腰,人的腰部也是收窄的。也许这种形状往往会产生这样的力学特点吧。

2)沿拱跨度方向每隔一段距离设置一根铁拉杆,共五根,横穿二十八道窄券,拉杆两端有半圆形杆头露在石外,夹住二十八道券,如同捆绑在一起。矿井的井下巷道,有在顶部及侧面打入锚杆,外加喷浆的支护技术,也是同样的原理。

3)拱券是一层由大块石材砌成的,厚度大约1米,上面覆盖一层较薄的铺石(伏券),也称“护拱石”,厚度大约0.3米,与下面错缝贴合。合起来大梁拱厚度1.32米。最外侧的两条窄券的护拱石层中,各布置有六块“勾石”,隔开距离布设,勾住主拱石使其“不得离开”。

拱券是一层由大块石材砌成的,厚度大约1米,上面覆盖一层较薄的铺石(伏券),也称“护拱石”。(Shutterstock)

消除在拱的弧形轴线方向上的分离隐患:

大拱最外两侧,相邻石块之间用两组“腰铁”在外侧连接(铆接)。而在内部各条窄券,则在相邻两石块之间的拱背铆接腰铁,连锁起来。这样强化了拱的整体性与强度,特别是增加了拱的抗拉性能,因为铁材料的抗拉性能优越,以预防特殊情况造成的拱的受拉。

在相邻窄券间,每块拱石的侧面都凿刻细密斜纹,以增大券与券之间的摩擦系数(侧面)(似乎很微妙)。

这些办法促使拱券连成一个整体,强化了拱券,增强了拱券的稳定性与安全性。

据资料,安济桥(赵州桥)经历了十次洪水,八场战乱和多次地震,包括1966年邢台7.2级大地震,震中距赵州桥仅四十公里,没有垮塌。

(四)神物与雕凿之美

安济桥桥拱顶部中央雕凿了神龙(或龙王)之首,俯视水面,似吸水状,又可解读为“龙王治水”。
安济桥不仅造型美观,其辅助构件也很讲究。(Shutterstock)

安济桥桥拱顶部中央雕凿了神龙(或龙王)之首,俯视水面,似吸水状,又可解读为“龙王治水”。

安济桥不仅造型美观,其辅助构件也很讲究。桥上的栏柱(望柱)和护栏板都雕刻着各种图案,如龙、吸水兽和其它神兽,场景、神态各异,栩栩如生。还刻有花卉、竹节等。

中国古代建筑上(或地下或水下)往往雕凿有神物,其后的营造亦如此(“文革”中大多被毁)。我认为这不仅仅是装饰,都是实质意义的存在,相信有无形的力量在起作用,且各有各的作用,不能破了这个传统。

我确信,我们所了解的安济桥决不是它的全部内容,可能还有不为人知的东西和奥秘。例如,建造过程中每一道工序是怎样的?什么样的工艺技术?在设计上还有没有其它的考虑?分析上还有没有更正确、更好的认识?动工的吉日选择?开工、落成有什么拜神仪式?等等。

安济桥上的石雕。(Shutterstock)

(五)赞誉

关于安济桥的奇迹,唐玄宗开元年间中书令张嘉贞的《赵州桥铭》有这样的描述:“赵州洨河桥,隋匠李春之迹也。制造奇特,人不知其所以为。试观乎用石之妙,楞平砧斫,缄穹隆崇,豁然无楹……又详乎刈插骈,磨砻致密……腰铁栓蹙。两涯嵌四穴,盖以杀怒水之荡突……”

李约瑟(英)在《中华科学文明史》中评价:“在西方圆弧拱桥都被看作是伟大的杰作,而中国的杰出工匠李春,约在610年建造了可与之辉映,甚至技艺更加超群的拱桥。”

桥梁专家福格-迈耶(H. Fugl-Meyer):“独特的中国拱桥是一种薄石壳体……中国拱桥建筑,最省材料,是理想的工程作品。”

1991年美国土木工程师学会将赵州桥定为国际土木工程历史古迹。

赵州桥以“首创敞肩圆弧拱桥”已被列入联合国教育科学文化组织世界文化遗产候选名录第95号。

(六)安济桥的沧桑

之后的朝代唐宋明清均对安济桥有过修缮维护。

其中,《赵州志》中的《重修大石桥记》中记载,明世宗初年,大桥因桥下停泊运输薪炭的船起火而受损严重,腰铁剥落,石桥颓危。明世宗嘉靖四十二年(1563年)至明神宗万历二十五年(1597年)间对大桥进行了大修,经多年修整后,使得“胜地飞粱,依然如故”。

当然了,中共也对大桥进行了所谓的“修缮”,1952年至1956年对大桥进行了极有争议的“大修”,实际是改造,改造后的大桥已不是原来意义上的赵州桥了,改变了大桥的原貌(所谓的“翻新”)与建造工艺!

现破损和结构变形,使拱石之间出现不同程度的空隙或缺失,灌入高标号水泥砂浆后,改变了干摆砌筑方式的内涵。同时水泥砂浆对石材具有腐蚀性,桥底常年出现泛碱现象(化学污染出现了)。

尽管高标号钢筋混凝土比较坚固,由于可能的化学腐蚀作用等,恐怕寿命不会超过一百年。而这种浇筑的整体结构难道不会给大桥整修造成极大困难吗?都黏在一块了怎么修补?

对于灰浆砌筑,石料接触面之间的灰浆强度与黏结强度,会高于“干摆”密接吗?

(七)结语

我国的拱发券方法应该是很早就有了。中国古代科技是相当发达的,如都江堰水利工程已经两千三百多年了,寿命都很长。根本不是中共邪党宣传的“中国古代落后”。

现代科学所谓的“多因素决策最优化设计”只是在多个方案中“优选”一个。但是在这所有的备选方案之外,可能还有更好的,比如在每一项技术工艺上可能有更好的方法而没有提出来。所以,它的最优评比恐怕只是“矬子里面拔将军”而已。而工匠李春的设计则是在每一个方面都是最好的选择,包括尊古敬神,这才是真正的最优化。

归纳起来,安济桥技术特点综合如下:(15项)

大跨度,低拱高,薄拱厚,敞肩空撞,有效过水面积最大,干摆砌筑,护拱伏券,并排列券,向心力设计,腰铁,拉杆,勾石,凿刻密纹,无污染,敬神。

这十五项技术特点,没有任何一项不好。

而中共“大修”的特点呢:1)不尊古,不敬祖,要“动大手术”。2)不珍惜旧石材。东侧五道券全部拆除重砌;废弃旧石料,旧石板全部换掉。3)水泥沙浆中的某些物质会对石材有腐蚀作用,具有破坏性。4)浪费材料,增加桥重。桥面已用混凝土铺设,却又在上面铺石板“保持原状”。 5)钢筋混凝土和灌浆取代原工艺,破了桥的优良机制。

中共的大修,改变了安济桥的机制和内涵。先前各朝各代都没有改变其建造工艺,都是尊古的,中共例外。

有评论说,修缮后的赵州桥,失去了古桥独特的风韵和味道,钢筋混凝土材料让整座桥失去了灵魂。

所谓的“长远考虑”其实没有“长远考虑”。因为它已走过一千三百四十余年(至1952年开始大修),而“大修”后你能保证它还能走多远?

这也难怪,因为现代人已经不知道华夏传统文化、科技是多么的优秀!只有找回传统,才是光明大道,才是通天的路!

安济桥存在和使用一千三百四十余年,这本身就是中华传统科技文化的最好诠释。而中共整修改造安济桥实际上是破坏传统的一个例证。

真正的安济桥已经不在,现在的赵州桥,可以说已经名存实亡。

(中共现在已经不再使用它,把它当作赚钱旅游项目了。)

——转自正见网,有删节。

责任编辑:李梅#

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