現(xiàn)代工程木材在修復(fù)法國巴黎圣母院中的應(yīng)用

陳美臻 龔蒙

摘要：巴黎圣母院是法國最著名的地標(biāo)之一。數(shù)個世紀(jì)以來，它矗立在法國巴黎的市中心，受到世界各地教徒和游客的膜拜和崇敬。2019年初夏，一場由未知原因引發(fā)的大火，導(dǎo)致正在維護(hù)修復(fù)中的教堂的耳堂和中庭交匯處的尖塔倒塌及石質(zhì)拱頂坍塌，可以追溯到9世紀(jì)用橡樹原木制成的屋頂結(jié)構(gòu)框架部分全部燒毀。法國政府在確保鉛屋頂燃燒后殘余的污染物對周圍居民的人身安全不會受到威脅后，拆除了部分燒毀的腳手架，并用膠合木來對殘余結(jié)構(gòu)上著手重建修復(fù)工作，對屋頂和尖塔的外形進(jìn)行了修繕。建筑設(shè)計師在教堂的殘余結(jié)構(gòu)上，將木材和石材重新結(jié)合，對屋頂和尖塔的外形進(jìn)行了設(shè)計，并著手重建。這一場災(zāi)難無疑是世界文化遺產(chǎn)的一大損失，但人們應(yīng)該通過其歷史和結(jié)構(gòu)更好地了解它，而不是囿于指責(zé)木材的局限性。本文從歷史、結(jié)構(gòu)到木質(zhì)材料來分析和理解這座偉大的建筑，了解火災(zāi)的蔓延途徑，并對教堂在未來的修整、尖塔的重建及改造中所涉及到的部分木結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵字：巴黎圣母院，橡木，重型木基產(chǎn)品，阻燃，尖塔，屋頂，飛扶壁。

1.巴黎圣母院的獨(dú)特之處

1.1 巴黎圣母院的歷史

巴黎圣母院（Notre-Dame de Paris，也稱為 Notre-Dame Cathedral）是中世紀(jì)最著名的哥特式建筑，以其規(guī)模宏大、建筑風(fēng)格和文化底蘊(yùn)而聞名世界，見圖1。巴黎圣母院坐落于法蘭西島（?lede laCité）的東端（圖2），是天主教巴黎總教區(qū)的主教堂，同時也是法國文化的心臟。據(jù)歷史記載，在早期被獻(xiàn)給木星的高盧羅馬祭祀的加洛羅馬神廟教堂的廢墟之上，人們建造了巴黎圣母院，給這塊土地賦予了新生。在19世紀(jì)的修復(fù)工程中，人們對大教堂進(jìn)行了深度挖掘，發(fā)現(xiàn)前院之下的一些遺跡證實(shí)了巴黎圣母院佇立在當(dāng)時的大教堂圣艾蒂安（Saint-Etienne）遺址之上。巴黎圣母院在規(guī)模和建筑創(chuàng)新方面都顯示了建造者的勃勃雄心。建成后，極大地豐富了當(dāng)?shù)氐淖诮涛幕c人文生活，經(jīng)對大教堂周邊地區(qū)進(jìn)行了重新開發(fā)和規(guī)劃，對巴黎市區(qū)的交通系統(tǒng)和當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ町a(chǎn)生了重大影響。

大約在1160年，巴黎主教莫里斯·德·蘇利（Maurice de Sully）提出了將教堂在早期大教堂的廢墟上大規(guī)模改造為單一建筑物的想法，建造拆除了由亞歷山大三世教皇于1163年開始鋪設(shè)、于1189年建成的祭壇基石，并于1250年建成唱詩堂、西立面和中殿。在接下來的100年中，又增加了門廊、教堂和其他裝飾物。1345年在讓德謝勒和皮埃爾德蒙特勒伊的指導(dǎo)下，由唱詩堂和后殿、短翼廊、殿兩邊的雙重側(cè)廊和廣場教堂組成的巴黎圣母院主體建筑基本完成。大教堂內(nèi)部平面圖為130×48 m，屋頂高35 m。教堂的主立面（西立面）建立了兩座高68 m大型哥特式早期鐘樓和在當(dāng)時還未完成建造的尖塔（1210–1250）。這一立面是該哥特式建筑中最美妙最和諧的部分，其水平與豎直方向的比例近乎黃金比例。立面由裝飾帶劃分為三層：一層為在28個舊約國王雕塑下，有者記錄著圣經(jīng)故事的早期哥特式雕塑的拱門;二層中間是建于1220—1225年間的玫瑰玻璃窗;三層是一排雕花石欄桿兩側(cè)為鐘樓。在豎直方向上再由立柱劃分為9塊黃金比例的矩形。為了解決舊尖塔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題，在19世紀(jì)的修復(fù)工作中，原有的18世紀(jì)原始尖塔被來自Champagne地區(qū)橡木尖塔代替。在大教堂的東端，后殿有由拱形支撐飛扶壁支撐的較大尺寸的天窗（1235–1270），充分體現(xiàn)了雷諾特（Rayonnant）哥特式風(fēng)格（Encyclop?dia Britannica Inc，2016），以其風(fēng)格的大膽和優(yōu)雅著稱。此外，大教堂還保留著三個由13世紀(jì)工藝制成的玻璃玫瑰窗（圖3）。

數(shù)世紀(jì)以來，巴黎圣母院一直遭受破壞和侵蝕。1789年到1799年的法國大革命期間，這座建筑物被視為教堂和君主專制政權(quán)的權(quán)力和侵略性的象征，遭到了嚴(yán)重洗劫。西立面拱門上方國王長廊中的28尊猶太國王像的頭部和裝飾在門口的雕塑以及里面的遺物和青銅雕像也被暴力摧毀，其原因是因?yàn)楦锩葑酉嘈潘鼈兇砹朔▏傩账鸷薜耐跏已y(tǒng)。法國建筑師維奧萊特·勒·杜克（Violet-le-Duc）在19世紀(jì)中葉1841年開始，對巴黎圣母院進(jìn)行了重大修復(fù)。他的整修靈感來源于維克多·雨果（Victor Hugo）于1831年完成的歷史小說《巴黎圣母院（Notre-Dame de Paris）》。他主持修復(fù)了西立面、畫廊和鐘樓，重建了高96 m的尖塔，并添加部分具有宗教意義的石刻雕像，如十二使徒雕塑及棲息在石墻上的石像鬼和滴水嘴獸，成為當(dāng)時建筑界絕無僅有的璀璨明珠。

1.2 巴黎圣母院的精妙結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的羅馬式教堂通常都是圓頂對稱設(shè)計，采光不足，且外形厚重。由于結(jié)構(gòu)全部有厚重的石砌組成，如果任意一個方向的石砌長度過長，都容易導(dǎo)致教堂結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增加。墻壁的開洞面積也不能過大，否則會導(dǎo)致“單薄”且沒有外加支撐的厚重石墻倒塌。因此大教堂獨(dú)特的肋架拱頂和飛扶壁結(jié)構(gòu)成為巴黎圣母院建造設(shè)計中的獨(dú)特和出彩的地方，也是大教堂文明于世的原因之一。無論是其厚度還是其高度，都見證了13世紀(jì)建筑師們的超群技藝。

在最初設(shè)計教堂時，受當(dāng)時羅馬教堂風(fēng)格的影響，笨重厚實(shí)的屋頂需要堅固的墻來支撐它，不得不限制窗戶的尺寸，從而減少建筑物室內(nèi)對自然光的采光量。隨著美學(xué)隨時間的發(fā)展到十三世紀(jì)早期，在施工過程中，巴黎圣母院是按照當(dāng)時的雷諾特（Rayonnant）哥特式建筑風(fēng)格來定義的。這種風(fēng)格下的建筑多以尖銳且優(yōu)雅的造型著稱，窗部采用大量裝飾線條進(jìn)行修飾。建筑設(shè)計師和工人通過采用較薄的墻來使建筑建造得越來越高，但是在支撐較薄墻體時，由于應(yīng)力集中容易發(fā)生裂縫。到1220年，設(shè)計師對內(nèi)層石質(zhì)屋頂?shù)男问竭M(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)想，即采用肋骨拱頂，這是哥特式風(fēng)格的一項重大創(chuàng)新。它使用相交的石肋骨支撐結(jié)構(gòu)，從而使更小的壓力施加在支撐壁上，并且最大限度地擴(kuò)大了彩色玻璃窗的覆蓋范圍，從而使墻壁有效地完全玻璃化。因此，巴黎圣母院可以稱作早期哥特教堂的里程碑。

教堂的另一項重要創(chuàng)新是讓·拉維（Jean Ravy）率先提出和采用的這項偉大的哥特式建筑創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，即飛扶壁。它是由扶壁和飛券構(gòu)成，通過在外墻周圍建立的拱形支撐（飛券）來解決高聳墻壁的穩(wěn)定性和屋頂?shù)膯栴}。巴黎圣母院飛扶壁的第一層飛券，在中廳第一層肋架拱頂?shù)钠鹉_處抵擋住由其對墻面的側(cè)向推力，可以將石質(zhì)屋頂施加的力傳遞到外部支撐，從而和建筑的骨架共同組成連續(xù)的框架式結(jié)構(gòu)。第二層飛券對教堂中部的石砌的墻體起輔助支撐的作用，從而允許教堂主體擁有更加寬闊高聳的內(nèi)部空間，在增強(qiáng)建筑物莊重威嚴(yán)的感覺后，不失優(yōu)雅。另外，飛券還起到了疏散雨水的作用，有效減少了雨水在石制屋頂?shù)亩逊e和停留，長年累月下來不會導(dǎo)致雨水對石材的侵蝕。建筑師們巧妙地將兩個哥特式建筑中的創(chuàng)新之舉巧妙結(jié)合，大量運(yùn)用在建筑裝飾中，成為哥特式建筑史中一項非凡的壯舉，并成為巴黎圣母院最具標(biāo)志性的特征之一（圖4、5）。

2.巴黎圣母院的木制結(jié)構(gòu)

巴黎圣母院的框架是巴黎最古老的框架之一，在其石質(zhì)外表下，屋頂框架結(jié)構(gòu)實(shí)際上都由木質(zhì)材料組成。13世紀(jì)建成的框架結(jié)構(gòu)，即教堂屋頂?shù)牡诙樱ㄍ鈱樱┑膬勺姌呛陀蓨W萊特·勒·杜克（Violet-le-Duc）于19世紀(jì)重建的尖塔都是由木制框架來支撐的（Viollet-le-Duc， 1860），見圖6和圖7。當(dāng)時再修復(fù)第二代尖塔時，采用了法國香檳沙隆地區(qū)的橡木（Edmond，1867）。巴黎圣母院的屋架是古老森林的另一種形式，其中一些樹木甚至可以追溯到9世紀(jì)，每個大跨度的橫梁都用來自不同的古老橡樹制成，其中殿長100 m、寬13 m，中庭長40 m、寬10 m，規(guī)模和尺寸可以列入最雄壯的屋架之列，躋身于當(dāng)時的世界之最。在數(shù)百年的建造過程中，它消耗了大量的小尺寸木質(zhì)構(gòu)件，用作于臨時支撐和腳手架，見圖8和圖9。據(jù)計算，屋頂?shù)哪举|(zhì)框架結(jié)構(gòu)用了近1 300棵橡木建造而成，消耗了近21 hm2的森林，支撐著重達(dá)210 t的鉛屋頂。最初尖塔的修建大約在1220年至1230年之間，它在五個世紀(jì)內(nèi)遭到了時間的侵蝕、自然的損害和人為的破壞，最終在18世紀(jì)末被拆除。

2.1哥特式框架

在13世紀(jì)，那時的建筑師們偏愛修長優(yōu)雅的造型，通過高聳的墻壁來抬高陡峭的屋頂，其傾斜角度為55°。木材相比起石材重量低、強(qiáng)重比高，很適合用于作為屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料。大教堂的第一部分建于1160年到1170年之間，據(jù)官網(wǎng)歷史記載，當(dāng)時屋頂梁的木材已經(jīng)有300年或400年的歷史，相當(dāng)于8世紀(jì)或9世紀(jì)的樹木。在1220年到1250年的建造期間，先前的木材在這一階段被重新使用，其主要原因是當(dāng)時法國正在砍伐林地，擴(kuò)展城市，缺少大尺寸的古老原木，因此在建設(shè)過程中，不得不重復(fù)利用大截面尺寸的古老木材來作為橫梁，截面較小的原木來抬高框架的坡度。

2.2鉛屋頂

1196年，莫里斯·德蘇利主教遺贈5 000磅來購買當(dāng)時最貴的建筑材料：鉛材，用于制造矩形磚來覆蓋在第二層木制框架上，據(jù)巴黎圣母院官方統(tǒng)計該覆蓋層由1 326塊5 mm厚的鉛磚組成，其總重量達(dá)210 t。鋁制覆蓋層的主要目的是裝飾屋頂并防止屋頂木質(zhì)和石制結(jié)構(gòu)受到雨水侵蝕。

2.3 19世紀(jì)的修復(fù)

唱詩堂和教堂中殿的框架已經(jīng)存在了幾個世紀(jì)。在19世紀(jì)中期，西立面和中心門殘缺的“病石”結(jié)構(gòu)進(jìn)行了替換和修復(fù)，并增添了新的裝飾元素。葉維奧萊特·勒·杜克（Violet-le-Duc）計劃重建交匯處及尖塔。但是，按照19世紀(jì)的力學(xué)原理建造的唱詩堂和中殿處屋頂與中世紀(jì)的建筑結(jié)構(gòu)存在顯著的差異，其主要原因是19世紀(jì)翻新所采用的原木梁和桁架尺寸和間距更大，就采用螺釘和螺栓進(jìn)行接長和加寬。所以，修復(fù)后的大教堂從結(jié)構(gòu)形式和材料上基本是一棟19世紀(jì)的新建筑。

2.4 2019年修復(fù)時的大火

在2019年的修復(fù)項目中，5月4日星期一的傍晚，一場未知的大火在閣樓部分發(fā)生，并且在尖塔和屋頂上蔓延開來。由于石材不易著火，教堂的主體結(jié)構(gòu)得以幸存。但大火燒毀了鉛屋頂和第二層屋頂大部分木質(zhì)框架，以及由建筑師維奧萊特·勒·杜克（Violet-le-Duc）修繕的尖塔。整個內(nèi)層的石質(zhì)屋頂都向天空暴露了出來。由于當(dāng)時修復(fù)工作的需求，由杜克設(shè)計的位于尖塔底部的十二圣徒像和4個福音傳道士像使徒在此之前已被拆除，因此幸免于難。圖10中的紅色線條示意了大教堂在火災(zāi)中火的蔓延途徑，一開始先是在尖塔的底部區(qū)域發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)的征兆，在一個多小時后尖塔倒塌，然后火勢從尖塔底部向中庭和耳堂的屋頂蔓延開來，最后在消防員采取滅火措施下，火勢在玫瑰玻璃窗和鐘塔前得以阻止，但絕大部分的木制屋頂被燒毀。

3. 2019年火災(zāi)后的教堂修復(fù)

大火過后，大部分的木制屋頂都被燒毀。在消防人員的及時救助下，玫瑰花窗和兩座鐘樓得以保留，但幸存的腳手架威脅到教堂殘余屋頂和墻壁的安全性和完整性，見圖11。環(huán)保組織羅賓·德布瓦（Robin des Bois）總裁杰基·博納曼斯（Jacky Bonnemains）引用了對建筑檔案官網(wǎng)數(shù)據(jù)和歷史文獻(xiàn)的研究估計，大火熔化了屋頂和尖頂中約440 t的鉛，會直接影響到維護(hù)人員和當(dāng)?shù)鼐用竦慕】蛋踩?。因此，政府首先緊急處理了鉛污染物問題，消除了鉛融化所帶來的潛在威脅。其次拆除在大火前用于維修工作的腳手架，但這一過程可能會散落并損壞殘余的穹頂。在確定了修復(fù)施工環(huán)境的安全后，政府緊急征用了位于比利時埃塔勒（Etalle）的專門從事建造異型木結(jié)構(gòu)的Artbois公司。該公司加工切割了10根長20 m、厚1.2 m的膠合木（Glue Laminated Timber 或簡稱GLT）梁用來加固教堂的飛扶壁結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場直接進(jìn)行安裝，為救援節(jié)省了寶貴的時間。

但是，在教堂屋頂?shù)闹亟▎栴}上，大教堂院長帕特里克·肖維特（Monsteror Patrick Chauvet）表示由中世紀(jì)古老橡木制成的屋頂結(jié)構(gòu)就此痛失了，無法挽回。一位法國文化遺產(chǎn)專家說，當(dāng)前的法國已經(jīng)沒有足夠大的樹木來代替在巴黎圣母院大火中燃燒了的橡木木梁。因此，最有可能替代的建筑材料是橡木重型膠合木產(chǎn)品。但是，如何選用膠粘劑會成為一個課題。因?yàn)槟壳皻W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 14080（CEN， 2013）“膠合層積材和膠合實(shí)木”中用于制造膠合木的膠粘劑一般為酚醛膠（Phenolic）、氨基樹脂膠（Aminoplastic）、單組分聚氨酯膠（Polyurethane）和異氰酸酯膠（Emulsion polymer isocyanate），這些膠粘劑一般適用于膠合諸如赤松和云杉等針葉木材，但是否適合膠合像橡木這樣的高密度闊葉木材，有待研究。現(xiàn)代膠合工程木材已經(jīng)廣泛用于建筑建造和修復(fù)中，它可以切割成所需的小尺寸木構(gòu)件，從而解決了大尺寸原木短缺的問題，并提高了木材的利用率?，F(xiàn)代膠合工程木材把小尺寸的木質(zhì)板材，通過膠粘劑膠合，在一定壓力和溫度下，拼接成大截面大尺寸的像梁或柱那樣的產(chǎn)品，其中膠合木（GLT）應(yīng)用最早最廣。GLT有著出色的抗彎曲和壓縮性能，可以加工成大跨度的異型構(gòu)件，使其形狀彎曲，是拱形支撐的理想材料，見圖12。GLT可以在工廠中按設(shè)計尺寸預(yù)制、切割，現(xiàn)場組裝，這樣，既節(jié)省了大量時間，又提高了加工效率。與鋼筋混凝土等建筑材料相比，木材具有低排放、可再生、節(jié)能環(huán)保，以及對環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)。因此，在緊急修復(fù)加固巴黎圣母院的過程中，人們首先使用了GLT這種現(xiàn)代工程木材來進(jìn)行加固。

雖然木材本身屬于易燃材料，但用于制造現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中的工程木材（Engineered Wood Products或簡稱EWPs）的基本單元材料，如鋸材、刨花和單板等，都是可以經(jīng)過阻燃處理的，以提高其耐火性能。另外，大截面大尺寸實(shí)木或工程木材燃燒后，其表面會很快形成一層碳化層，在一定程度上可以延緩火焰的蔓延，提高了構(gòu)件的阻燃性能，保護(hù)內(nèi)部木材在一定時間內(nèi)可以繼續(xù)保持足夠的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的完整性。用重型木基工程材料制成的大截面構(gòu)件，還可以通過表面涂飾防火材料來提高阻燃要求。普通住宅類的輕型木結(jié)構(gòu)則通過石膏板等覆蓋層來達(dá)到阻燃要求。因此，工程木材的強(qiáng)度、耐久性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)木。

世界各地的建筑設(shè)計師們也忙于重新設(shè)計大教堂的新尖塔，他們大多數(shù)選擇木質(zhì)材料作為主要結(jié)構(gòu)，以保持大教堂的原有建筑風(fēng)格和傳統(tǒng)文化。巴黎建筑師Vincent Callebaut提議將這座歷史悠久的大教堂改造成一座生態(tài)友好型建筑，使其產(chǎn)生的能源超過其消耗的能量，所節(jié)省的能源可以每年生產(chǎn)21 t水果和蔬菜（Niall，2019）。該概念詮釋了一個在交匯處全新的有著高聳尖塔的屋頂，該屋頂由碳纖維板條預(yù)應(yīng)力交錯層壓木梁建成。在梁之間的“玻璃”有著可以將光能吸收轉(zhuǎn)化成其它可儲存和使用能量的能力。該工作室解釋說，新的教堂可以作為環(huán)境復(fù)原的先鋒，它將成為生態(tài)結(jié)構(gòu)工程的典范。因此，像GLT這樣的一些工程木材極有可能成為修復(fù)尖塔的最環(huán)保最高效的選擇。

對于修復(fù)方案，除了新的創(chuàng)意以外，建筑師讓·努維爾（Jean Nouvel）呼吁按照原先尖塔的形式對尖塔進(jìn)行重建，并稱“它是大教堂不可或缺的組成部分”（Claire， 2019）。研究人員也表示將會完全按照原來的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建和修復(fù)，但主要修復(fù)部分的選材和用料等重建細(xì)節(jié)還有待商榷。定制高端手工傳統(tǒng)門窗，出軌鑲木地板和樓梯的法國阿瑟林（Asselin）公司表示，在尊重傳統(tǒng)文化和建筑風(fēng)格的前提下，他們有著對歷史古跡或傳統(tǒng)民居的框架進(jìn)行修復(fù)和重建的廣泛經(jīng)驗(yàn)。該公司參與修復(fù)了凡爾賽宮的所有窗戶和盧浮宮內(nèi)部的木框。因此，在面對巴黎圣母院的重建問題上，該公司競標(biāo)重建大教堂的木制屋頂框架。在材料選擇方面， 毫無疑問，GLT將是一個值得考慮的大尺寸實(shí)木框架的優(yōu)選材料，畢竟在現(xiàn)在的歐洲已經(jīng)幾乎沒有現(xiàn)存的大面積未采伐過的原始森林了。

4.結(jié)語

巴黎圣母院的火災(zāi)無疑是人類建筑文化遺產(chǎn)中不可彌補(bǔ)、無法挽回的巨大損失。教堂屋頂?shù)木薮髠虩o時無刻不在提醒人們在古建筑的修復(fù)中必須注意的事項，比如用預(yù)制的重型工程木材來替換古老的大尺寸原木。古建筑的防火是世界建筑遺產(chǎn)的重要課題，也是各界人士、游客，甚至每個人的責(zé)任。中世紀(jì)的人們已經(jīng)睿智到可以用木材來建造高聳卻不失優(yōu)雅的建筑，但由于木材的局限性，這些建筑在面對明火時卻相當(dāng)脆弱?，F(xiàn)在的人們可以依靠科學(xué)與技術(shù)手段來最大程度地解決木結(jié)構(gòu)建筑的防火問題。因此，巴黎圣母院的修復(fù)工程可以使人們消除或減少對木材作為建筑材料的固有偏見，對新型工程木材獲得更深入了解，以及木材對環(huán)境友好和可持續(xù)性發(fā)展貢獻(xiàn)的重新認(rèn)知。

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