橋梁模型試驗在宋金時期浮橋建造中的應用

張 楊

(河北大學宋史研究中心,河北保定 071002）

橋梁模型試驗在宋金時期浮橋建造中的應用

張 楊

(河北大學宋史研究中心,河北保定 071002）

為了探討宋金時期中國橋梁建筑技術,分析了橋梁模型試驗在宋金鋰期浮橋建造中的應用。分析認為,北宋采石浮橋的建造已經出現了足尺模型,金初的蒲津渡浮橋更是實現了足尺模型向縮尺模型轉換的關鍵過渡,而南宋時的中津浮橋系統(tǒng)地運用了現代橋梁模型試驗的諸多理論。

橋梁模型試驗;采石浮橋;蒲津渡浮橋;中津浮橋

中國宋金時期橋梁建設方面取得了很多令現代人都震憾不已的成就。中國古代的“四大名橋”中,除了趙州橋始建于隋代以外,洛陽橋、盧溝橋和廣濟橋都相繼建造于宋金時期,宋仁宗嘉祐四年(1059)建成的洛陽橋,是中國第一座瀕臨海灣的大石梁橋,洛陽橋首創(chuàng)了筏型基礎以立橋墩、養(yǎng)殖牡蠣以固橋基、舟船浮運以架梁體的施工工藝[1];金章宗明昌三年(1192)建成的盧溝橋,展示了施工技術與工藝美術的完美結合,被13世紀的意大利旅行家馬可·波羅盛譽為“各處橋梁之美鮮有及之者”[2];宋理宗寶慶二年(1226)竣工的廣濟橋,是一座“浮橋和梁橋結合”[3]的新型組合式橋梁。除此之外,宋金時期在中國的橋梁建筑史上舉世聞名的橋梁還有安平橋和虎渡橋[4]。

以上這些享譽世界橋梁建筑史的豐碑之作向世人展示了宋金時期中國橋梁建筑的燦爛輝煌,然而這些橋梁都是梁式或拱式結構。其實宋金時期浮橋的建造技術已經大為發(fā)展,然而之所以影響力較小,一是因為浮橋結構比較簡單,多以舟船為橋梁承重載體,上面再覆以木質橋面;二是絕大多數浮橋的木質材料決定其很難長久使用,往往在長年累月的河水浸泡下腐蝕損壞或者毀于戰(zhàn)火。然而,這一時期浮橋的建造在橋梁工程技術上有了重大突破,即在正式建橋前能夠按照設計要求先期進行模型試驗。但是這一變革并沒有引起今人的足夠重視?，F代橋梁模型理論中的“模型”是指“仿照原型結構按一定相似關系復制而成的代表物,它具有原型結構的全部或主要特征”[5]。在當代橋梁建筑工程領域,橋梁模型試驗的作用舉足輕重,這是因為模型與實物比起來具有尺寸小、構造簡單、加工方便、耗費少等諸多優(yōu)點,可以直接驗證實物的可行性、不同建筑方案的經濟性以及實物外觀的藝術性。隨著模型試驗理論的逐步完善,模型試驗幾乎已經涵蓋了橋梁建筑工程所屬的各個分支,并成為其中必不可少的重要一環(huán)。鑒于此,很有必要對宋金時期浮橋建造中橋梁模型試驗的理論與實踐進行研究和探討。

一、北宋在長江采石浮橋建造中的橋梁模型試驗

早在北宋以前中國就有為軍事戰(zhàn)略而在江河上架設浮橋的先例。如隋煬帝大業(yè)八年(612)第一次親征高麗時,時任工部尚書的宇文愷曾在遼水上架設浮橋,結果是計算失誤導致浮橋長度不夠,“及濟,橋未成,去東岸尚數丈,賊大至”[6],導致后軍不能持續(xù)登岸,致使先行上岸的右屯衛(wèi)大將軍麥鐵杖力戰(zhàn)身死。所以要成功架設浮橋,精準的測量和計算是不可或缺的。

北宋建國之初,宋太祖為統(tǒng)一全國,于開寶七年(974)發(fā)動了攻滅南唐的戰(zhàn)爭,南唐李氏政權據江為險,故如何精準地架橋渡江成了宋軍能否取勝的關鍵因素。當時為宋軍完成這項重要軍事工程的人是樊知古①關于其本名,說法不一。一說為若冰,“知古舊名若冰,太祖以其聲近‘弱兵’之厭,故改之”,參見文瑩《玉壺清話》卷8,中華書局,1984年。另一說為若水,“知古本名若水,字叔清,因召見,上問之曰:‘卿名出何書?’對曰:‘唐尚書右丞倪若水亮直,臣竊慕之’。上笑曰:‘可改名知古’。知古頓首奉詔?！眳⒁娒撁摗端问贰肪?76《樊知古傳》,中華書局,1977年。。史書記載:

知古嘗舉進士不第,遂謀北歸。乃漁釣采石江上數月,乘小舟載絲繩,維南岸,疾棹抵北岸,以度江之廣狹。開寶三年,詣闕上書,言江南可取狀,以求進用[7]。

其方法就是建造浮橋渡江。筆者通過下面兩例史料擬再現采石浮橋的建造過程。

(1)《宋史》中《樊知古傳》的記載:

方議南征,命高品石全振往湖南造黃黑龍船,以大艦載巨竹縆,自荊南而下,遣八作使郝守濬等率丁匠營之。議者以謂江濤險壯,恐不能就,乃于石牌口試造之,移至采石,三日橋成,不差尺寸,從知古之請也[7]。

(2)《宋史》中《南唐李氏傳》的記載:

江南進士樊若水詣闕獻策,請造浮梁以濟師。太祖遣高品石全振往荊湖造黃黑龍船數千艘,又以大艦載巨竹縆,自荊渚而下。及命曹彬等出師,乃遣八作使郝守濬等率丁匠營之。議者以為古未有作浮梁渡大江者,恐不能就。乃先試于石牌口,移置采石,三日而成,渡江若履平地。煜初聞朝廷作浮梁,語其臣張洎,洎對曰:“載籍已來,長江無為梁之事。”煜曰:“吾亦以為兒戲耳”[7]。

由上述史料可以了解采石浮橋完整的建造過程:樊知古向宋太祖提出架設浮橋渡江作戰(zhàn)的策略;石全振奉旨前往荊湖督造數千艘黃黑龍船;郝守濬以大艦搭載巨大的竹繩,并同造好的數千艘黃黑龍船沿江向采石進發(fā);由于缺乏跨江建造浮橋的經驗,故先在石牌口進行架設試驗;宋軍將架設好的浮橋由石牌口移至采石,三日而成,不差尺寸,遂渡江。

從以上史料還可以看出,采石浮橋的主要構造物是“黃黑龍船數千艘”與“巨竹縆”,其作用又如何呢?陸游在《入蜀記》中記載:

初,若冰不得志于李氏,詐祝發(fā)為僧,廬于采石山,鑿石為竅,及建石浮屠,又月夜系繩于浮屠,棹小舟急渡,引繩至江北,以度江面[8]。

王曾瑜先生曾經對這一史料進行了分析,并對宋代浮橋兩船之間的距離作了詳細考證,最后得出結論:采石浮橋須用船773～967艘,“黃黑龍船”正是構成浮橋的主要承載體,“巨竹絙”的用途是一頭拴在岸邊事先鑿好的石浮屠上,另一頭拴在龍船上以維系浮橋穩(wěn)定[9]。由此可以認定,在石牌口試驗中已經拼裝完成的只是“黃黑龍船數千艘”中的一部分,長度正好符合采石江面寬度的需要,而這個寬度要求是樊知古經過反復測量獲取的。

通過對模型試驗理論的研究可以認為,采石浮橋的建造表明這一時期橋梁模型試驗已經初步形成。支撐這一觀點的理由有三:第一,石牌口試驗中的這座浮橋“不差尺寸”,具有實際結構的全部特征,盡管它不是按比例縮放的代表物(模型),而是最終的采石浮橋,但是它已經融入了大量的測量數據,成功地驗證了其在采石磯架設的可行性;第二,“不差尺寸”的比例已經在一定程度上與現代橋梁模型理論中的“足尺模型”②足尺模型即以原物大小按1∶1比例制成的模型。相似;第三,盡管這次試驗更像是現代鋼橋的試拼裝過程,但是顯然古人已經具備了在沒有建橋施工經驗的情況下先期進行試驗的思想。李煜與張洎的對話不僅凸顯了宋軍的出奇制勝,還反映了當時跨江為梁的巨大難度,說明了石牌口橋梁模型試驗成功的重大意義。

今人對北宋末年出版的《營造法式》研究后發(fā)現,至遲在北宋末,房屋建筑領域已經系統(tǒng)地出現了建筑模數理論[10];而在橋梁建造領域,開始由“足尺模型(1∶1)”向“縮尺模型”③縮尺模型即以原物大小按一定比例縮小而成的模型。過渡,同樣是橋梁模型試驗發(fā)展的必然歷程。

二、金在黃河蒲津渡浮橋建造中的模型試驗

金正隆四年(1159),為了運輸關中地區(qū)的木材以營建當時的南京,完顏亮決定在黃河上的蒲津渡架設浮橋,負責此項工程的是曾于關中青峰山“起長橋十數里”[11]的彰德軍節(jié)度使張中彥。據《金史》記載:

舟之始制,匠者未得其法,中彥手制小舟才數寸許,不假膠漆而首尾自相鉤帶,謂之鼓子卯,諸匠無不駭服,其智巧如此。浮梁巨艦畢功,將發(fā)旁郡民曳之就水。中彥召役夫數十人,治地勢順下傾瀉于河,取新秫秸密布于地,復以大木限其旁,凌晨督眾乘霜滑曳之,殊不勞力而致諸水[11]。

從該史料可以清楚地看到,蒲津渡浮橋在建造之前,的確制作了縮尺模型。盡管從文字記載中難以判斷縮尺的精確比例,但是這些“數寸許”的小舟,與前述采石浮橋相比,已經完成了由建筑實物向建筑模型的質的跨越,建筑模型完全具備了實體建筑的特點。另外,需要指出的是,這次模型試驗已經不僅僅是為了向工匠們示范未來浮橋的建造過程,更是一次對新型施工技術的測試驗證。它不再采用膠漆粘連的方法來連接舟船,而是使用“鼓子卯”前后勾帶,這應當是一種卯榫結構。以機械裝置替代傳統(tǒng)工藝的粘合劑,無疑是一項工程技術上的重大突破,這一技術的采用既增加了浮橋整體的平穩(wěn)性,也保證了浮橋使用過程中的安全性。此外,在浮梁巨艦下水的技術處理上,張中彥獨具匠心,沿地勢高低鋪滿秫秸,以大木頭在兩旁做限規(guī)制“滑道”,趁清晨成霜之時使役夫將浮梁舟船沿滑道曳入水中。晨霜與秫秸的結合,不僅大大降低了浮梁舟船下水時的阻力,節(jié)省了人力、物力,而且防止了舟船底部由于摩擦可能造成的損壞,有力地保證了浮橋使用的安全性。

三、南宋在沿海中津浮橋建造中的模型試驗

如果說蒲津渡浮橋的模型試驗已經完成了足尺模型向縮尺模型的過渡,那么南宋中津浮橋的建造在此基礎上有了長足的發(fā)展。中津浮橋建于宋孝宗淳熙八年(1181),主持建造工程的是當時知臺州的大學問家唐仲友。唐仲友著述頗多,又曾被朱熹六劾,因而廣為人知。其實,他在當時不僅文章學問頗有影響,還是一名杰出的工程師,“博學工文,熟于度數”[12]。唐仲友不僅親自參與了中津橋的規(guī)劃、試驗及建造全過程,還明確記錄了中津橋在建造之前的模型試驗情況:

分官吏,庀工徒,度高下,量廣深,立程度,以寸擬丈,創(chuàng)木樣置水池中,節(jié)水以籋,效潮進退,觀者開喻,然后賦役[13]。

這一史料表明這一時期橋梁模型試驗已經日趨成熟。

(1)“分官吏,庀工徒”?！胺止倮?庀工徒”的含義為合理分工、各司其職、各負其責,有序地展開一項流程。這表明工程項目已經進入整體規(guī)劃階段,劃分出專職官員進行管理,操作細部施工的工匠也已經各就各位,充分證明了當時中津橋施工工程已經具備了專業(yè)化分工的流程。

(2)“度高下,量廣深,立程度”。這是施工前的勘測工作,包括實測河岸的高低、河水的深廣,以及制定統(tǒng)一的度量衡標準。這項勘測意義重大,因為它是橋梁模型試驗的數據來源與理論基礎,它的真實可靠性決定了橋梁模型是否可以完整準確地驗證實物尺寸,也就決定著中津橋建造的成敗。

(3)“以寸擬丈,創(chuàng)木樣置水池中”。通過對實地測量數據的分析,確定模型比例為1∶100,并以木制材料作為模型的主要材料,將制作好的模型放在水池中進行試驗。以木制材料為模型的主要材料,是因為最終建成的中津橋是木制浮橋,以相同材料和固定比例尺寸做成的模型,能在最大程度上模仿實物的受力特性,這在現代橋梁模型試驗理論中叫做“幾何相似準則”。

(4)“節(jié)水以籋,效潮進退”。在水池中夾取遮擋物來蓄積水量形成水壓力,釋壓后水對模型形成沖擊,以模仿水對實物橋梁的動態(tài)沖擊力,也就是“效潮進退”現象。這樣做的原因是,臺州瀕臨東海,中津橋所跨河流受潮汐影響很大,每日潮汐的漲落能使河面高程相差甚遠,并且潮水的進退對橋梁形成了持續(xù)變化的沖擊力,這就使橋梁除了承受恒載壓力之外,還要經常處在海水沖擊形成的活載作用之下,所以在模型試驗中“效潮進退”是十分必要的,這在現代橋梁模型試驗理論中叫做“動力相似準則”。中津橋建成之后,“橋不及岸十六尋,為六筏,維以柱二十,固以楗,筏隨潮與橋岸低昂”[13],也就是將浮橋一端固定于河岸一側,另一端留出距離,采用多孔棧橋來銜接,這樣橋面就可以隨水位上下而升降,成功驗證了此前模型試驗中“效潮進退”的必要性和準確性。

(5)“觀者開喻,然后賦役”。橋梁模型制作以及試驗的整個過程,都是由工匠們現場觀摩,其目的就是讓他們“開喻”之后再行施工,可見模型試驗還起到了示范作用。那么這個“以寸擬丈”的模型到底有多大呢?文獻記載中津橋“修八十六丈,廣一丈六尺”[14],以一宋丈約為今3.1米計,此橋梁模型的長約2.7米,寬約0.5米,應該可以詳細展現中津橋的細部構造,完全可以起到準確的示范作用。

從以上分析可以發(fā)現,中津橋模型試驗不僅涉及了結構本身受力的相似性,而且涉及了動力的相似性,特別是對于潮水沖擊力的模擬試驗滿足了液流相似原理,這種將結構模型試驗和水力學模型試驗結合起來模擬橋梁施工和使用過程的思想,對于現代的橋梁模型試驗仍然具有一定的借鑒意義。中津橋模型試驗的成功,不僅滿足了多項現代橋梁模型試驗理論中的基本準則,而且完全發(fā)揮了在現代被稱之為“驗證性試驗”的作用,表明這一時期橋梁模型試驗的理論與實踐在繼續(xù)發(fā)展并已日趨成熟。

四、結 語

從采石浮橋的驗證性足尺模型,到蒲津渡浮橋的示范性縮尺模型,再到驗證與示范作用兼而有之并且應用了相似原理的中津浮橋模型,表明宋金時期中國橋梁模型試驗理論與實踐的結合已經在浮橋建造過程中得到廣泛應用,這在中國橋梁建筑史上具有劃時代的意義。

宋金時期在浮橋建造方面的成就,一方面是由自然科學技術隨著人類社會的發(fā)展而不斷進步的客觀規(guī)律所決定的;另一方面也說明這一時期中國的科學技術已經高度發(fā)展,《營造法式》中所呈現的房屋建筑領域的木制技術和比例模數理論完全過渡到木制浮橋橋梁模型試驗的應用中,這恰恰是中國古代科技文明在當時已經整體上領先于世界水平的一個縮影。

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[10]杜啟明.宋《營造法式》設計模數與規(guī)程論[J].中原文物,1999,23(3):66-77.

[11]脫 脫.金史[M].北京:中華書局,1975.

[12]吳子良.荊溪林下偶談[C]//紀 昀,等.景印文淵閣四庫全書.臺北:臺灣商務印書館,1983.

[13]唐仲友.悅齋文鈔[C]//續(xù)修四庫全書編委會.續(xù)修四庫全書.上海:上海古籍出版社,2002.

[14]陳耆卿.嘉定赤城志[C]//中華書局編輯部.宋元方志叢刊本.北京:中華書局,1990.

Application of bridge model test on construction of pontoon bridge in Sung and Jin(Jurchen)Dynasties

ZHANG Yang
(Center for Studies of Song History,HebeiUniversity,Baoding 071002,Hebei,China)

In order to find the bridge construction techniques in the Sung and Jin(Jurchen)Dynasties,this paper discusses the bridge model tests at that time.The research results show that the fullscale modelwere emerged in the construction of Caishi pontoon bridge in the Northern SungDynasty,and then the full-scale model of bridge changed into the reduced-scale in the construction of Pujindu pontoon bridge in the early of Jin(Jurchen)Dynasty.Besides,lots of modern theories about the bridge model testwere used in the construction of Zhongjin pontoon bridge in the Southern Sung Dynasty.All these have strongly indicated that the technological level of bridge was developed greatly at that time.

the bridge model test;Caishi pontoon bridge;Pujindu pontoon bridge;Zhongjin pontoon bridge

G322.9

A

1671-6248(2010)02-0039-04

2010-01-08

張 楊(1981-),男,滿族,河北興隆人,歷史學碩士研究生。