古为今用——赵州桥启示录

2015-10-19

文/赵学勐

具有1400多年历史的赵州桥,是国务院于1961年公布的第一批全国重点文物保护建筑。自古至今,人们对它的记述、考察、研究不断。从民间的神奇传说,到“何以为之”的探究,赵州桥实际上已成为一座知识宝库。最近的研究成果显示,作为实体的长久存在,它对现代桥梁的概念设计与创新又有着一定的启示。

据文物专家评论[1],我国古桥是将美学与力学、建筑与艺术融为一体的艺术品。在1911年前建造、现在犹存的百座著名古桥中,石拱桥又独领风骚,居于首位。而其中,于公元595-606年(隋代)建成的河北赵县赵州桥尤为突出。

以往,有关古代桥梁论述中,对桥梁的地面以上部分,大都写得细致,而对其地面以下的构筑,则语焉不详。如今,创刊于2004年的《桥梁》杂志,先后发表了李靖森教授所写的三篇文章[2、3、4],较全面地介绍了赵州桥的许多情况,特别是于1979—1980年,在河北省、北京市有关部门的主持参与下,他们采用坑探和钻探所取得的地基基础资料,比之于1933年梁思成教授主持的现场考察(仅用坑探)所得的信息,要多得多,为较全面、深入地研究赵州桥工程及桥梁文化,提供了难得的资料。

珍贵的物质文化遗产

赵州桥位于华北冲积平原的中南部,在赵州县城南。该区域的土质主要是松散的沉积层,没有岩层可作为桥梁基础的持力层。而所跨越的河,涨水时流量大,来势汹涌,要妥善地解决洪水对地基的冲刷问题以及地基承载力问题,都是对人类智慧的严酷考验。就赵州桥所处的自然条件而言,不是“天时地利”,而是“先天不足”。所幸的是有了“人和”,那就是能工巧匠李春,依靠他超人的智慧和敬业,大桥得以设计建造成功,又经历史、人文的积淀,逐渐形成了特有的赵州桥文化,起到了有效的护佑作用,使该桥得以及时的维护、加固,一次次地成倍延长了桥梁服役期。

据记载,该桥经历了特大洪水11次(其中,有过洪水漫过了桥面的情况),战争8次,大地震14次(该桥距离1976年3月22日7.2级的邢台大地震、1976年7月28日7.8级的唐山大地震的震中,都不太远)。

经千多年的考验,归纳起来,赵州桥的创新曾拥有6项世界第一——

1.单孔跨径37.02米,创世界纪录,保持了1000多年(直到1958年,被一座有三孔50米跨径的延安宝塔山下的延河石拱桥突破;1959年又紧接着被60米跨径的湖南黄虎港石拱桥所赶超;1961年,云南长虹石拱桥又突破了100米的跨度;2000年,山西晋城丹河石拱桥跨径已跃升至146米,居同类桥型世界之冠。)

2.创造空腹式石拱桥。经美国土木工程师学会在世界各地多方筛选和考证,1991年确认其是世界上第一座空腹式石拱桥,遂命名为“国际土木工程历史古迹”。

3.平坦拱的采用(跨径37.02米,矢高7.23米 ,矢跨比为1: 5.12。),打破了我国过去建桥沿用的圆拱和半圆拱的惯例。

4.主拱圈的整体性得到保证,是通过将9.6米宽的主拱,分为纵向并列的28片拱券,分阶段安装砌筑。又利用腰铁、铁拉杆等方式加固,组合成为整体;又依靠其结构物自重压实地基,长达11年之久。

5.自官方到民间的重视和在历史长河中所形成的桥梁文化,对于桥梁保护起到了举足轻重的作用。据载[1],赵州桥大的修缮有3次,分别是:唐贞元八年(公元792年)、宋治平三年(公元1066年)、明嘉靖四十一年至四十二年(公元1562—1563年);加固维修过2次,即:明万历二十五年(公元1597年)、清道光元年(公元1821年)。时至新中国,1955~1958年,对其进行了全面的修复与加固,修补了大桥东侧的5片拱券和4个小拱。在桥东侧20米处修建一座木桥,供行人和车马通过。1986年又在桥东30米处,按原貌修建了一座钢筋混凝土的安济新桥,通行汽车行人,以更好地保护旧桥。

总计在近1400年的历史长河中,大约平均至少200多年修缮加固一次。而那些难以尽述的无数桥梁,命运多舛,或受自然灾害,或被人力毁坏(如赵州桥附近的济美石拱桥),或已拆除改建,都一个个消失了。

6.就桥梁寿命而言,截至1986年,赵州桥已达1380岁,到2014年为止,达到1408岁,是当今世界长寿的拱桥之一。

上述这些特征(长跨、空腹、坦拱、整体、维护、长寿),相互有因果关系,或是并行的,或是衍生的。如桥梁寿命是前5项综合作用的结果;1、4、5项关系到桥梁的耐久性;空腹结构虽与耐久性有关,但其美观性尤引人注意;而坦拱不仅涉及桥梁的适用性,它与空腹特征又衍生了桥梁文化,促使其健康长寿。究其所有这一切的“所以为”,源头都是创新。正如唐朝中书令所言:“奇巧固护,甲于天下。”赵州桥的这些创新,和现在提倡的“适用、经济、耐久、美观、创新”等有关桥梁设计的基本原则,有何关联,值得探讨。

对现有桥梁建设的启示

可以从以下7个方面来作一些初步的探索:

1.桥梁使用年限达到200年不是梦

现行的我国公路桥梁结构设计使用年限,分为3类,即:

小桥、涵洞 30年

中桥、重要小桥 50年

特大桥、大桥、重要中桥 100年

就我国目前情况而言,公路混凝土桥梁的普遍寿命仅30~50年。影响桥梁寿命的原因多种多样,其中桥梁功能不适应,材料性能劣化,承载能力不适应等是主要原因[4]。我国公路桥梁设计规范的目标可靠指标高于欧美,表现在安全基准期内具有很高的裕量,但是结构抗力变异系数,却超过同时期美国的0.1,大到3倍之多,反映了结构抗力离散性大。与之形成对比的是古老石拱桥的寿命比较长,潜在的承载力较大。古老石拱桥历经考验,新建的也不示弱。1986年建成的四川宝盛桥(跨径64米,全长85米)于2013年芦山7.0级的地震中,就显示了震不垮、砸不烂的特性[7]。

近期,为建设港珠澳跨海大桥,一项名为“大桥耐久性评估和耐久性混凝土试验研究”的项目已经启动,意在要按120年寿命的耐久性标准来设计,具有创新意义。

在韩国,由政府资助的“Super Bridge 200”研究计划[5],则是要将未来跨海大桥的寿命期,从常规的100—120年提高到200年。其研究计划包括了五个方面,以求应用高强度钢材、钢丝、高性能混凝土和复合材料,来修建结构体系新颖、跨径超长的桥梁。这类桥梁与上述石拱桥,难以相提并论,但从做好监测维护、及时分期加固,每次可有效地延长石拱桥寿命近200年的历史事实来看,200年寿命不是梦。

2.满足适用性是主要目的

在古代,赵县地区,为南北交通干道必经之地。为保证干道畅通,桥梁的纵坡不能太大。又由于河为季节性河流,也没有必要将桥抬高。赵州桥的纵坡设计为6.5%,方便了行人和车辆通行。在这类平原地区,修建矢跨比为1:5.12的平坦拱的决定是正确的。如果赵州桥当初采用了双跨拱,则支承在非岩石地基上的中墩,在一般冲刷和局部冲刷下,难免早已被冲垮。如果修成和江南古镇上一样的驼峰形拱桥,只能行人,不利于行车,也肯定不会受到华北平原百姓的欢迎。而在江南水乡修驼峰形拱桥,则不仅适应了桥下通行小船、桥上行人的要求,还有对美观的追求。各有千秋,别具风采。

由此看来,适用性直接体现出桥梁建设的目的,也反映桥梁和所在地区的地形、地质、气候、水文等地域特征的协调性。否则,与天斗、与地斗、与洪水斗,极有可能以失败告终。例如,上世纪70年代,双曲拱桥盛行一时,将适用于河网化地区的就地浇筑双曲拱桥的设计、工艺,搬到位于北方峡谷地段、秦巴山区的单孔80m跨径的桥梁上,就困难重重。11月份河流仍在涨水,过不了三个月,桃花汛就到,四五层木拱架高达25m,制作、搭设的时间都不够,怎么保证现浇拱券混凝土的工期!为形势所迫,不得不改为预制构件,用无支架吊装施工工艺,得以按时建成。该桥通车之日,恰逢洪水暴涨,桥下乱石翻滚,桥上人声欢腾,证明了“适者昌”是箴言。

3.看不厌的美景

如今,桥梁成为城市名片,美与不美,看法各异,但朴实、庄重、大气,似一道长虹的美,为百姓所称道。赵州桥上两侧的腹拱,不仅增加了泄洪面积约35平方米,减少了冲刷,也减轻自重约800吨,既安全又美观,得到中外专家的赞赏和百姓的喜爱。例如美国建筑专家在《桥梁建筑艺术》一书中,对赵州桥之赞誉“结构如此合乎逻辑和美丽,使大部分西方古桥在对照之下显得笨重和不明确。”

4.整体性是耐久的保证

石拱桥建造过程中,采取一系列措施,集零散料石为整体拱券,提高了抗压、抗洪水冲击、抗地震能力,增加了耐久性。自赵州桥以来,石拱桥莫不如此。据介绍[7],2008年汶川地震后,“老213公路,映秀至草坪段内,桥梁除少数几座石拱桥尚保存完好外,其余梁桥、板桥均受损严重。”2013年雅安市芦山7.0级地震中,宝盛石拱桥不仅经受了地震力的考验,又遭受了从山上滚下的重达250吨的巨石的撞击,安然无恙,就是最有力的证明[7]。

上世纪60年代,双曲拱桥在我国资金、钢材奇缺的情况下,为道路交通立下了功劳,但它的整体性差是其退出历史舞台的主要原因。这类桥,许多已属于病桥、危桥,不得不加固或拆除。

5.就地取材、因地制宜

在岩石富集的地方,在地震活跃地区,就地取材修建石拱桥,以柔克刚,有利于抗震、耐久,可获得持久的经济效益。赵州桥、赵县永通桥,以及四川宝盛桥等,皆为历史的见证。不该由于个别事故而被怀疑否定。

6.桥梁监管和桥梁文化相辅相成

过去因桥梁长度短、高度低,用人的感官即可发现桥梁结构的外在缺陷。现在,必须用高科技手段来检测,这是古今桥梁维护方面最大的不同。例如,由工程力学所和美国伊利诺大学合作的项目“重大结构健康诊断及灾变预警系统研究”[8]提出对称信号法,乐音准则法,动静结合法。由于问题的复杂性和不确定性,其实用性尚需实践来检验。

近年来,我国桥梁建设取得了很大的进展,人们的生活离不开桥梁,许多桥梁还成为城市的名片。但是,一座在建大桥的突然塌垮(2007年8月13日,湘西凤凰县沱江石拱桥),和一座运行仅10年的桥梁出了事故(2001年11月7日,宜滨市南门金沙江大桥)等,即引发了百姓和媒体的纷纷议论。不约而同的是,都以赵州桥作为参照物来说事,公开议论、质疑、批评……这也是网络时代的一种新的桥梁文化现象,将对中国的桥梁建设,从桥梁大国向桥梁强国的迈进,起到正面的激励作用。

7.旧桥不拆,功在千秋

赵州桥一直没有被拆掉,而是经过多次维修、加固,完整地保存了下来,作为文化遗产留给后人,给人们最有实际意义的正面启示。

另一座是始建于唐长庆三年(公元823年)的灵桥,是宁波的名片,称为“宁波人的太岁”。在千余年间,该桥屡毁屡建,在原地不变。1922~1936年,由西门子公司承建过。到2007下半年,该公司礼貌地提醒当地政府:灵桥的70年使用寿命已到,应对其进行精心保护。2012年12月,桥两侧各加宽1米,变为六车道的方案提出后,遭遇老百姓的反对,被省文物局叫停施工,结果如何尚未揭晓(据《南方周末》2013年12月6日报道)。

2013年10月,在上海博物馆举行了美国的克拉克所收藏的法国著名古典派和印象派画展,以及他于1908~1909年间,所组织的考察队经历480天,行驶3200公里,穿越华北、陕甘的图片展,里面有榆林城南门外的榆阳桥的老照片[10]。而就在2009年夏,一位摄影师李炬为配合当地“双创工作”(Double Creation Plan),在百年后重走当年考察队路线,想记录下新的画面。遗憾的是,就在四年前,那座经历了500年风雨的榆阳桥永远地消失了。观者一致发出了叹息。

现在,公路建设兴起,在国内许多地方,有的桥梁使用不足30年就被判为危桥拆除。其实,有的旧桥的保留,可以起到有益的对比借鉴作用。特别是具有代表性的。如在各地区的首次试验成功的桥、第一次从国内外成功引进的桥……都是知识经验的积累,是劳动汗水的结晶,是财富,不是包袱。拆桥还要花一笔钱,如果省下来,用于维护,保安全,何乐而不为?

“风物长宜放眼量”“当事者迷,旁观者清”,这些都是至理名言。

结语

就地取材,因地制宜;桥梁文化,与时俱进;做好维护加固,桥梁长寿200年不是梦。赵州桥虽没有敦煌莫高石窟、清明上河图那样宏大的艺术魅力,但作为尚存的世界上历史悠久的桥梁建筑之一,也是知识宝库。留给后人以源头创新的启示,将历久弥新。在数字化技术日新月异的今天,如果能够应用动画技术将其做出具体形象展示,其保护效果将会更好,时间会更久远。

参考文献

[1] 罗哲文.柴福善.中华名桥大观.北京:机械工业出版社,2009年.

[2] 李靖森.赵州桥基础探秘.《桥梁》2004.1.

[3] 李靖森.桥梁文化的护佑.《桥梁》2013.2.

[4] 李靖森.再探赵州桥千年屹立之谜.《桥梁》2013.3.

[5] 赵君黎.李文杰.冯苠.公路桥梁安全与耐久问题探讨.《桥梁》2012.2.

[6] 项海帆.葛耀君.韩国桥梁科技的跃进.《桥梁》2013.3.

[7] 厚劲.宝盛桥——重树对石拱桥的自信.《桥梁》2013.3.

[8] 何雄科.突破结构损伤诊断难点—对工程结构损伤“健康基准”的探究.《桥梁》2013.2.

[9] 郝苏.美国明尼苏达I—35W钢桥倒塌事故分析.《桥梁》2012.2.

[10] 克拉克.Throughshen-kan :The Account of the Clark Expedition inNorth China.1908.9.伦敦。利普西克T.Fisher Unwin 出版社,1912年.

(作者单位:西安公路研究院)

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