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河北趙州橋為什麽神秘?

趙州橋橫跨渭河,位於河北趙縣以南5英裏處,也被稱為安吉橋。因趙縣古稱趙州,故日稱趙州橋,當地稱大石橋。

趙州橋是由著名工匠李春和李彤設計的。建於隋開帝十五年(595),歷時10年。完成於大業元年(605)。該橋為單孔弧形橋。南北向,全長50.82米,寬9.6米,由28座獨立石拱門並排而建,凈距37.37米。這座雄偉典雅的古老石橋歷經兩年多的風雨,依然屹立在河上。在此期間,除了橋面頻繁更換,橋欄桿重疊維修外,其他部位壹直沒有大修。特別是經有關橋梁專家的實地考察和徹底檢查,確認這28座石拱橋除了西邊的5座和東邊的3座是隋代的原物外,其余均為隋代的原物,這在國內外橋梁史上是罕見的。那麽古橋千年不倒的秘訣是什麽呢?

其中壹個謎團是正確的位置。渭河是發源於太行山的山區徑流河流,水位落差7-8米。從山西到河北,流水勢逐漸穩定,上遊攜帶的泥沙逐漸淤積在冀中平原,到達趙縣境內。這匹狂暴的野馬已經被馴服了。河道穩定,河床順直,淤積僅略大於沖刷。古稱“四路疆域”,趙州是中國北方的交通要塞。石橋遺址曾是汶河的水陸交通樞紐。加固後的河堤非常有利於保護河床,使得建在輕壤土上的橋臺基礎歷經千百年的洪水和地震後依然穩固。

第二個謎團是平拱的創造和應用。趙州是隋朝南北的交通樞紐和物資集散地。但到了夏秋之際,汶河卻“大雨滂沱,水流湍急。”根據文獻記載,在過去的11年中,趙州橋經歷了1300次大洪水的考驗。因此,無論從自然環境還是社會需求來看,這裏都不適合修建多跨木橋和石梁橋。只有建造拱橋,才能以其大跨度滿足水運和排洪的需要。

在拱門的設計上,李春等人別出心裁。根據橋址的地理位置和橋梁的功能,他們摒棄了傳統的半圓拱,創造性地設計了前所未有的大跨度單孔平拱。由於趙州附近的汶河兩岸地勢平坦,如果用通常的半圓拱建造壹座直徑近40米的石橋,橋的高度將從現在的8.7米提高到20多米。高橋內的陡坡使人力、牲畜、汽車難以通行,方便了水運卻失去了橋梁的陸路交通功能。而且像小山壹樣陡峭的拱會使橋梁的重量增加壹倍,耗費時間和材料,增加建橋的成本,還會使沖積壤土層無法承受橋梁的重量,導致橋梁傾斜垮塌。李春等人在總結半圓拱施工經驗的基礎上,采用了加大跨度、減小拱矢(兩拱腳連線至拱頂的高度)的“開拱”方案。平拱是橋高的倍數小於拱弧的半徑,整個橋身只是壹個圓弧的拱形。平拱不僅大大減小了橋的坡度,方便了橋上行人、車馬的運輸,而且便於開肩。自漢代誕生以來,我國的拱橋壹直是實撞券式(拱石也叫券石,拱上石壁叫券撞,實撞券填沙,近代拱上部分為拱肩), 而趙州橋“兩面嵌四孔”的空撞券,不僅節省了填券撞所需的500多噸砂石,還減少了橋體自重11.4。 還增加了泄洪量。趙州橋拱上開4個小孔後,洪水流通面積增加了16.5%,使夏秋季洪水得以快速排出,減少了水流對橋體和橋基的沖刷。

為了減小縱坡的坡度,李春等人還采用了在拱頂內薄薄地填充土石的方法。拱頂石約30 cm,橋梁縱坡約6.5%,既減輕了橋梁重量又方便了陸路交通。為了減輕拱橋的主要受力構件拱腳的壓力,李春等人從兩個方面加大了拱腳的受力面積:在縱向上,在拱背兩側鋪設壹層護拱石。其厚度從拱腳處的30厘米減少到拱頂處的16厘米。拱券的拱頂比拱腳窄,拱頂寬9米,拱腳寬9.6米,既增加了拱腳的受力面積,又有利於拱券的側向穩定。這種平拱開肩造型完全符合現代力學原理。根據現代學者的計算,通過趙州橋平拱的開肩造型和拱頂上薄填土石的施工方法,使拱軸線(拱片中心線)非常接近恒載壓力線,使拱片各橫向受力面受力均衡。這既符合石材抗壓強度高的特點,又彌補了石材抗拉強度低的不足,大大提高了橋梁拱片的承載力和穩定性。在世界上眾多的石拱橋中,像趙州橋這樣拱軸線接近恒載壓力線的非常少見。

第三個奧秘在於精湛的施工工藝。趙州橋的修建繼承和發展了漢代以來傳統的墓室牌坊和拱橋的砌築方法,采用並排砌築法:將大小牌坊平均分為28聯(後期修繕時修建南端27聯並排牌坊),逐聯砌築,每聯約43聯。拱石厚1.03m,長寬分別為0.7 ~ 1.09m和0.25 ~ 0.4m,以滿足拱頂窄拱底寬的弧形拱和寬拱建築的需要,其中最大拱石重約1t。在主拱券上,空心段滿鋪不同厚度的護拱石,實心段只嵌在橋寬兩側。拱形試樣的形狀類似於變截面拱形。每塊拱石都用極薄的石灰或泥漿建造,以提高拱片的抗壓強度。為了加強拱石之間的結合,在拱石的四面都鑿了細斜紋,兩塊石頭連在壹起,斜紋相配,縫隙減小。在拱石之間縱向安裝壹對腰鐵,使每張拱票形成壹個堅固的整體。即使去掉單個拱票,也不會像普通拱票壹樣變成壹堆松散的拱石。同時也方便維修:拱石損壞壹張或幾張券不會影響全橋,更容易修復。因此,趙州橋西側五聯在明末倒塌百余年,在乾隆年間得以修復的傳說並非完全空穴來風,而是符合大橋拱聯平行砌築結構的原理。

為了克服砌築法容易側向分離的缺點,為了加強拱券之間的側向連接,古代工匠采取了頂部收拱券、底部開拱等措施,借助拱石與主拱石的摩擦力防止兩側拱券向外傾斜,並在拱石四周鑿對角線加強結合,以克服側向分離力。同時,他們還利用冶鐵技術,在大拱石背面設置了5根橫向長度為65438+的鐵拉桿,在小拱石背面設置了65438+的鐵拉桿。拱形護板每側有六個鉤石,長度為1.8m,其外端像壹個鉤子,向下延伸5cm,以鉤住最外面的拱形券,避免其外傾。經過這種精心的處理,拱券之間的橫向聯系得到了很大的加強。

趙州橋的修建是世界橋梁史上具有劃時代意義的偉大工程。這正如李約瑟博士在他的巨著《中國科學技術史》中所指出的:橋梁“明顯地建立了壹種學派和風格,這種學派和風格延續了幾個世紀”。就風而言,它對歷代石拱橋建築都有很大的影響。

李約瑟曾指出:“拱(即平拱)是從中國傳到歐洲的發明之壹。”雖然早在羅馬時代歐洲就有弧形拱或割線拱,但拱矢很高,接近半圓。以領先的石拱橋著稱的法國人,在1321 ~ 1339年才完成了Celent敞肩拱橋,其凈跨度(45.5m)超過了趙州橋,但寬度只有3.9m,還不到趙州橋的壹半。趙州橋創下的跨度紀錄,在世界上保持了730多年,直到賽蘭特大橋建成,在中國保持了1959多年,直到湖北黃湖港石橋建成,已經1300多年了。

趙州橋的裝飾藝術享譽國內外,是中國藝術現實主義和浪漫主義風格完美結合的典範。趙州橋石雕藝術之美,張勇在《朝野壹書》中的評價是,其他雕塑是“不可比擬的”。趙州橋現有42座欄桿,其中最早的是隋代的雕龍欄桿。隋代雕龍的特點是薄而堅固,穿石,古樸有力,但布局很活潑。半圓桿與方地伏之間雕的龍,或單雙飛,或盤踞水中遊或著地;有的鱗片覆蓋,有的由花和葉子支撐,變化多端,栩栩如生,令人動容。其次是六朝風格的鬥卷葉欄板,其大小與隋刻龍欄板相似,但在地蓋與五線譜之間加了盆唇,盆唇上刻有鬥卷葉,葉片數為二至四片不等。盆唇下有交錯的菱形花紋,雕刻風格與附近的天龍山、響堂山等洞穴相似。而金代的欄桿高度只有40 ~ 50厘米,其中壹部分是橋刻藝術中不常見的人物山水,另壹部分是龍虎卷荷葉。其他圍欄都是明代的仿品,雕刻圖案比較簡單。趙州橋有44個崗哨,分為三種類型。其中雕刻最精美的是龍表柱。此柱以地被為底,地被與盆唇之間浮雕有龍。龍身尾部盤繞,上部直立,怒目而抓,十分傳神。盆唇蓋鬥形捏頂和碗,頂部飾四個竹節。

趙州橋是中國古代拱橋建築的傑作。李春等工藝大師開創了開肩、開拱的主造型:主拱呈波浪狀彎曲,四個小孔靜靜地臥在主拱兩側,使橋的整體輪廓具有巨型空靈體、飛石梁、線條明快、輕盈的特點。它的確是高度的科學與完美的藝術性相結合的典範,引起了歷代名人、專家、學者的無盡贊譽。比如趙州橋的絕美之言,如“壹虹絕絕色隔海”,“壹石橋壹藍影立於虹上”,“壹虹幹腰驅雲”,“放風箏巧妙巧,可分美景”,都是代別人看過的。美國建築專家伊莉莎白·莫克(Elizabeth Mock)在她的著作《橋梁與橫梁建築的藝術》中由衷地稱贊趙州橋:“結構是如此的合乎邏輯和美麗,以至於大多數古代西方橋梁相比之下顯得笨重而不清晰。”