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独特视觉分析巴黎圣母院大火

来源:原创 时间:2019-04-19 作者:孙安平 浏览量:

美丽的巴黎圣母院,始建于1163年,至1345年整座教堂全部完工,历时180多年。它以哥特式建筑风格,雕刻与绘画艺术,以及堂内所藏有的13-17世纪的大量艺术珍品而闻名于世。它的地位、历史价值无与伦比,被称为历史上最辉煌的建筑之一。

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巴黎圣母院静静地矗立在美丽的塞纳河畔


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鸟瞰图一


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鸟瞰二


但,巨大的灾难在巴黎当地时间2019415日下午6:30降临,巴黎圣母院突发大火,高高的尖塔在熊熊火焰中倒塌,滚滚浓烟遮蔽了塞纳河畔的天空,尽管法国政府动员了500名消防员参与救援,但是火灾还是持续了14小时之久。

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尖塔在烈火的烧烤下崩析倒塌


都说中国古建筑是木结构,西方古建筑是砖石结构,看上去巴黎圣母院也都是石材垒砌的,为什么还会发生这么大的火灾?另外,除了正面外,建筑的其他三个方向为什么都会从屋檐处伸出奇怪的“蜘蛛脚”?


为了讲清楚这2个问题的来龙去脉,笔者从西方建筑的结构发展史说起。


在穴居时代,人类选择合适的洞穴居住,住所的结构形式自然无从谈起。

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人类的穴居


从半穴居和巢居开始,就有了人类自己营建的建筑,有了力学的支撑概念。


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人类的半穴居


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人类的巢居


为了遮风挡雨,房屋的屋盖是必须的,屋盖一般采用干草、芦苇等条状植物或树叶编织;为了不让屋盖凹陷,一般用树枝(梁)加固;怎样支撑屋盖?人们很自然地用树干为柱子来支撑整个屋盖的重量;为了达到干爽、舒适的目的,人们又很自然地用树干离地排列搭起了楼盖;这样,就有了很清晰的传力结构:屋盖→(梁)→柱子;楼盖→(梁)→柱子;柱子→地基。


人类住所的早期发展,经过穴居、半穴居、巢居、干阑式建筑等,世界上各个地方都一样,没有东西方的区别,基本上是依据具体的生存环境很自然地选择或者搭建其中一种结构形式。

后来,东西方建筑的发展出现了差别,我们中国的祖先们住着树干支撑着的干阑式建筑,觉着:嘿,还挺干爽,挺温暖,就这样住下去吧。

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河姆渡干阑式建筑复原图(距今约7000年)


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偃师二里头遗址宫殿复原图(夏、商王朝时期,距今4000多年)


在西方文化的源头- - - -古埃及,在距今约5000年左右,埃及成了统一的奴隶制帝国,他们那时候的状况是:木材少、石头多、供驱使的奴隶多。于是,他们的建筑便成为这样:


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古埃及卡纳克神庙(始建于距今3900多年前)


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卡纳克神庙的石柱、石梁、石板的结构布置


上面这个这张图可以看出很清晰的传力结构:石板→石梁→石柱。


由于石头的性能所限,人们无法打制或切割出跨度较大的石板、石梁,因此,初期的石材建筑,石柱子较多,不可能建造出具有宽敞空间的建筑

怎样使得房间空间大一些?相信古埃及、古希腊时代的能工巧匠们一直在思考这个问题,很自然地,他们在砌筑砖、石的时候,会尝试用叠涩砌法:一层层堆叠向外挑出,向外挑出时要承担上层的重量,如下图:


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叠涩砌筑法


保留至今我们所看到最早的叠涩砌筑,是位于希腊伯罗奔尼撒半岛的迈锡尼卫城的狮子门,建于约3300年前。

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迈锡尼卫城的狮子门


叠涩砌筑时候,把两边的突出部分的顶部盖住,就成为叠涩券。


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叠涩券


叠涩券再往前走一小步,人类就有了发明拱券的壮举,这是建筑史上的一大飞跃。

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拱券



拱的受力特性,是把拱上部的竖向荷载转移到了拱脚的水平荷载和竖向荷载。

从此,人类建筑高歌猛进,来到了宏伟壮观的古罗马万神庙时代。

万神庙(Pantheon)位于意大利首都罗马圆形广场的北部,始建于公元前27年,是现代的结构技术出现以前世界上室内空间跨度最大的建筑,顶部大穹顶直径达43.3m,顶端高度43.3m


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万神庙鸟瞰图


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万神庙内景(仰视)


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万神庙内景(平视)


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万神庙剖面示意图


穹顶中央开一8.9m直径的大圆洞,顶光照亮神庙内部,显得宏伟壮观并带有宗教神秘气氛,穹顶以混凝土(火山灰++浮石)浇筑而成,底部厚6m,顶部厚1m,为减轻自重,穹顶内表面形成网格状方形凹格,同时也起着一种装饰的作用。支撑穹顶的墙厚达6.2m,用以抵御穹顶巨大的水平侧向推力。


雄伟壮观的罗马角斗场建于同一时期(建于公元72-80年间),是当时多层建筑的代表。


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罗马角斗场



至此,建筑的传力结构则为:屋盖拱→墙体,楼盖拱→墙体;空间越大,水平推力就越大,为了抵御水平推力,所需要的墙体就越厚。

时间来到了1163年,巴黎圣母院要开始建设了。多名建筑师,石匠师、木匠师、铁匠师、雕刻师、玻璃雕切师们,呕心沥血,前赴后继,圣母院最后在1345年完工,耗时近两个世纪,建筑总高度约超过130米,是欧洲历史上第一座完全哥特式的教堂,具有划时代的意义。


首先,建筑师们定下了教堂的平面布局:


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巴黎圣母院的平面布置图


他们设想要建造这样一座轻巧、挺拔、雄伟、宽敞、明亮、庄严、肃穆的中厅:


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中厅宽度12.5米,高度32.5米,围绕中厅有2圈侧廊。为了开窗采光需要,建筑师把外圈侧廊的屋盖分别降低,因此,圣母院有3重屋盖:分别是中厅屋盖、侧廊屋盖和最边上的侧墙屋盖。分别如下图所示:


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中厅屋盖(红线箭头所示处平面)



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侧廊屋盖(红线箭头所示处平面



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侧墙屋盖(红线箭头所示处平面


高耸挺拔的柱子,是由石块顺次垒砌而成(上下榫卯接口、或上下卯眼+销条),只能承受竖向荷载,不能抵御水平推力,因此,由拱屋盖传至屋盖拱根部的水平推力怎样解决呢?

这个问题难不倒聪明的建筑师们。

他们通过增加一个拱构件(飞扶壁)巧妙地解决了这个问题,把水平推力传递到最外侧墙体上,如下图:


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把中厅屋盖拱的水平推力传递到侧墙上的第一层拱构件(飞扶壁)



侧廊屋盖(第二重屋盖)也同样通过飞扶壁把力传递到最外侧墙体上,如下图:


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侧廊屋盖拱的水平推力传递到侧墙上的第二层拱构件(飞扶壁)



建筑师在最外侧的墙体的受力处,顺着飞扶壁的受力方向增加了扶壁墙,如下图红色箭头所示相同性质的墙体,用以抵御两层飞扶壁传递过来的水平推力。


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扶壁墙:红色箭头所示处相同性质的墙体


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扶壁墙的平面布置(沿周边布置的抵御两层飞扶壁传递过来水平推力的墙体)


至此,圣母院的传力明确,结构轻巧,非常巧妙;传力结构分别为:拱屋盖→飞扶壁→扶壁墙→地基,拱屋盖→柱子→地基


但是…..为了外观、型制、传统等等需要,他们需要在中厅拱屋盖上再增加一层尖屋顶,如下图:


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巴黎圣母院的屋顶


如果仅仅是为了防雨方面的功能需求,也许屋顶作法可以是这样:在拱屋盖上用火山灰轻质混凝土找平+放缓坡+瓦片;但这样的作法,会比木构架+瓦片的作法稍微重一些,轻巧的飞扶壁结构会吃得消吗?这需要精密准确的计算。另外,这样子,看不到尖屋顶,失去了哥特式教堂的特性,这是当时的信徒们不愿意看到的。

与东方建筑一样,用木构架(木檩条+木椽条)作为承载屋面瓦片的支撑物,也是西方古建筑的传统作法。

很自然地,他们采用了木构架来建造这样的尖屋顶,或许是,他们经过反复计算、再三权衡后,万不得已最终采用了木构架来建造,或许是,某位长老的坚持......总而言之,最终采用了木构架。

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巴黎圣母院木构架屋顶内部图



然而,这一招,却埋下了今天大火燃烧的种子……


木头构架,总会有被焚烧的一天。


一幢建造了182年的教堂,一幢近乎辉煌完美的建筑艺术品,在某处留有瑕疵,存在着某一天被这点瑕疵毁于一旦的机会......这个世界,本来就不可能有完美的事情吗?......


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巴黎圣母院的拱屋顶部分石材被烈火烧烤崩坍


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从拱屋顶洞口掉下来的未完全燃烧的木炭



从大火后的现场来看,有许多没有燃烧完全的木炭,说明巴黎消防队员的灭火起了作用,如果无法救援,或者这场大火早一、二百年,那么,整座巴黎圣母院被屋顶的木构架毁为平地,是完全有可能的。

哎,为什么早些时候不去巴黎圣母院看一看呢?………

接下去,巴黎圣母院要重建,尖塔要原状恢复吗?尖屋顶的木构架换作钢构架原状恢复吗?您还有其他更好的想法吗?

欢迎同行们、爱好者参与讨论。

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作者简介:孙安平,高级工程师,国家一级注册结构工程师,爱好考古、史前文化。







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