峻极神功,永镇金城——应县木塔保护回顾与前瞻

我要发布     发布日期:2020-10-22 09:41:13  来源:国家文物局  作者:中国文化遗产研究院应县木塔项目组
核心提示:山西省雁门关以北约一百公里,大同盆地桑干河冲积平原的中心矗立着高大的应县木塔,在平旷原野、村镇市廛及四围群山衬托之下,方圆百里可见。应县五代时期称应州,是五代后唐、后晋、后汉三朝帝王故里,沙陀族的聚集地,也是辽宋边界重镇,当时号称“金凤城”。

鲁殿灵光,中国古建筑的百代标程


  山西省雁门关以北约一百公里,大同盆地桑干河冲积平原的中心矗立着高大的应县木塔,在平旷原野、村镇市廛及四围群山衬托之下,方圆百里可见。应县五代时期称应州,是五代后唐、后晋、后汉三朝帝王故里,沙陀族的聚集地,也是辽宋边界重镇,当时号称“金凤城”。据明万历《应州志》记载,应县木塔建于辽清宁二年(公元1056年),是世界上现存最古、最高的一座可登临的木构楼阁式建筑,也是现存唯一的一座真正具有多层使用空间的古代木构佛塔。1974年塔内曾发现失传已久的契丹藏残卷,以及佛牙舍利、夹缬佛像等珍贵文物,轰动中外。


  应县木塔全高65.84米(中国文化遗产研究院2011年4月测),约合普通住宅楼23层。外观八角五层六檐,内部九层,塔底层总面阔30.27米。全塔上下除了砖石塔基、屋面瓦作、一层墙体和砖砌铁制塔刹外,均为木构件搭建而成。中国明、清以前不乏土木结合或纯木质的高层木构,如曹魏凌云台、北魏永宁寺塔、唐武则天明堂、北宋开宝寺塔等,但由于历史条件的变化,均早已颓毁;使得应县木塔成为现存中国古代木结构高层建筑的顶峰与绝响,展现了中国木结构体系的极限可能性。由于各种应然与偶然的因素,使其经历雷火、风雨、地震、兵隳等各类天灾人祸,竟能在历代维修保护之下,岿然独存至今九百六十余年,鲁殿灵光,确可称之为中国古建筑的百代标程。


自东北方望应县木塔与寺院全景(2011年)


应县木塔南立面近景(2011年)


四层明层内槽内景(李鹰摄,2018年)


继继绳绳,保护加固之路纷纭起伏


  按陈明达先生梳理,自建塔至1949年以前,应县木塔共经历五次大修理。1928-1935年间,应县地方人士针对1926年木塔遭受军阀炮火引起的破坏进行了相应维修,但由于拆除了外槽环向斜撑及夹泥墙,对木塔结构安全造成了损害。需要明确的是,以上这些干预措施无论得失,都谈不上现代意义的古建筑保护。


  应县木塔现代意义的研究与保护工作可以说伴随着我国建筑历史学科和古建筑保护学科同步发展。虽然日本学者伊东忠太在1902年即考察应县木塔并发表简要介绍,但之后一直没有进一步的研究。1933年,梁思成先生就职于中国营造学社不久,就与刘敦桢先生一同赴应县木塔考察,偕同莫宗江先生等对应县木塔开展了详细的调查与测绘工作,并做了残损记录,资料整理完备后本拟随即出版专著,但因抗日战争爆发,书稿受损未能实现。2007年,中国建筑工业出版社将中国文化遗产研究院新发现的梁思成先生文稿与清华大学资料室藏的部分图纸、测稿及照片合璧,以《梁思成文集》第十卷的形式出版了1933年到1935年营造学社关于木塔调查测绘的成果,为木塔研究与保护复原了一个高水准的开端。


应县木塔历史照片


  1949年后,各级政府对应县木塔保护均非常重视。1950年,莫宗江先生随文化部雁北调查团再次调查木塔,在《雁北文物勘查团报告》中留下了对木塔原状及倾斜变化极为珍贵的记录文字。1953年,在佛宫寺设置古迹保养所。1957年,文化部文物管理局回函山西省文物管理委员会,同意将应县木塔修缮列入下一年度古代建筑修整所修缮计划。陈明达先生在营造学社测绘资料及补充勘测、制作模型的基础上,于1966年出版了《应县木塔》专著,开辟了中国古代建筑设计方法研究新路径。1973年8月,国家文物事业管理局组织杨廷宝先生等多位专家就应县木塔的局部倾斜加固问题进行研讨,随后山西省文物工作委员会组织实施了规模较大的维修加固工作(1974-1981年),包括加设斜撑、楼板加强、梁柱加箍、外槽木构件油饰等。


  1991年,中国文物研究所(中国文化遗产研究院)组织北京建筑工程学院(北京建筑大学)测绘应县木塔现状全套图纸,之后开展了残损现状勘察。上世纪90年代中期以后,应县木塔修缮由山西省负责组织,投入了大量的研究力量与经费支持,山西省古建筑保护研究所等十余家机构完成一系列勘察、测量、研究报告及设计方案。2002年6月,应县木塔修缮保护工程管委会在太原召开了包括7位院士在内40余位专家参加的应县木塔修缮保护工程方案评审论证会,会上讨论了整体落架大修、上部抬升、钢架支撑与现状加固四类方案。落架大修虽然延续传统修缮做法,但存在旧构件更换过多与变形矫正后难以安装问题,历史信息损失过多;钢架支撑方案虽然对本体干预较少,但存在思路难以落地的技术问题,同时也是对木塔自身挺立的一种否定。最终上部抬升方案经专家投票占优,即将保存较好的上部三层整体抬升,大修调正二层倾斜柱梁框架后再将上部三层整体落回。由于难以确认上部抬升之后能否顺利回落到大修后的二层之上,2006年4月,这一方案经深化后,又在国家文物局于朔州召开的“应县木塔抬升修缮方案评审会”上被专家否定。


  在此情况下,加强监测,摸清木塔倾斜发展状况,开展针对性的现状抢险加固被大多数专家认可是一条现实可行的保护路线。国家文物局于此次会议后明确了现阶段应县木塔保护监测与研究先行,现状抢险加固的方针。2007年底,中国文化遗产研究院承担应县木塔保护研究项目技术牵头工作至今。自2008年开始,经过对倾斜严重柱3年多的局部监测,明确其倾斜在持续发展,2011年5月,国家文物局在京召开监测阶段性成果汇报会,要求进一步深化木塔监测信息的分析研究和木塔现状的安全评估,在此基础上,抓紧研究制定有针对性的木塔局部维修加固方案。中国文化遗产研究院随即启动了相应方案编制并在2012年报审,2014年,国家文物局原则同意《应县木塔严重倾斜部位及严重残损构件加固方案》。实施中经过图纸深化、试验性施工,以及专家提议、现场暂停等一系列过程,2017年以来该方案实施正在优化之中。


《应县木塔严重倾斜部位及严重残损构件加固方案》实施的试验面,2017年底暂停


木德参天,刚柔分层的高超结构体系


  如前所述中国古建筑自周秦以来,高层巨构代不乏出。但唐代以前除木方叠垒的井干楼之类以外,大殿如秦汉咸阳宫、未央宫,高层如北魏洛阳永宁寺塔等,均是夯土台为中心外附木构的形式。汉晋隋唐以来所建之明堂与南北各地佛塔,即便没有夯土芯台也会设置中央贯通上下的巨木以解决抗侧力和塔刹承重问题,如日本现存之佛塔即保有此种做法。盛唐之后乃至五代宋初,高层木结构技术才最终成熟,出现了主体木构建造,内部空间敞亮,没有中心柱遮挡的高层木结构,应县木塔就是其杰出代表与唯一留存下的实物。之所以这样说还因为元代之后,中国高层木构转变为另一种“通柱”的结构形式,而且再也没有达到可与应县木塔匹敌的层数与高度。


  应县木塔的结构体系,根本地讲就是分层,把单层的殿堂式(按照北宋营建官书《营造法式》分类)建筑一层一层叠垒起来。这种分层是刚性层和柔性层相间布置,上下层柱采用“叉柱造”,且构件之间的榫卯都很简单,是一种积木叠置的思路,完全不是坊间传播的所谓现代筒中筒结构。


  木塔外观5层,但结构上分为9层;除一层外,以上四层中每层单元包括明层(供瞻礼的佛殿层),拥有开敞空间的梁、柱间架;以及其上满布斜撑刚度很大的的暗层(无人员活动)。从结构特性上看开敞的明层(佛殿层)梁架抵抗侧向风力或地震作用的能力较弱,能够发生较大变形,是柔性层;相对而言,暗层整体性很强,像一个厚重的箱体压在佛殿层内外两圈共32根柱子及梁枋组成的间架上,是刚性层。与现代结构设计及分析假定截然不同的是,这些柱子之间以及柱子与梁枋之间的连接都是搭接关系,而不存在一个连续受力节点;因此,只能传递重力与摩擦力,不能像现代结构节点一样传递拉力及弯矩。这种类似一圈石块支撑磨盘的结构,在抵抗风荷载时,因每根柱子承载重力产生的弯距大于水平风荷载产生的弯距,因而具有自恢复能力,是稳定的。在抵抗地震荷载时,则由于地震力自下而上传递,柱脚和柱头都可在一定范围内变形滑移,因而具有明显的隔震效果。抗风与抗震,这一在现代结构设计中难以调和的有着相反刚度要求的矛盾,却在应县木塔高超的结构体系中得以统一。另外,除柱子外,木塔佛殿层外槽柱间还配置了具有斜撑的夹泥墙,形成第二道抗侧力防线,对突发大变形起到限位作用,防止破坏性的局部倾斜发生。


  应县木塔挺立千年的事实,可看作是最为真实的结构试验,足以证明其自身结构的合理与优越。当前国际结构工程界最新抗震理论认为刚、柔混合结构可以克服传统结构抗震的缺点,我们将应县木塔与之主要特点进行对照,可发现两者高度一致。应县木塔这一突出的科学价值不但可作为一种建筑的杰出范例以展示出人类历史上的重要阶段,申报世界遗产当之无愧;而且可对当代高层及超高层结构设计起到直接的借鉴作用,具有重要的现实意义与科学价值。


地震兵隳,局部倾斜及构件残损严重


  应县木塔自建成至今,经历对其有显著影响的地震40余次,其中受到烈度七度以上的地震影响有2次。万历《应州志》载:“经元迄我大明,大震凡七,而塔历屡震屹然壁立。”元大德九年(1305年)附近的怀仁地震与天启六年(1626年)灵丘地震,应县烈度分别为八度以上和七度。据1996年太原工业大学完成的应县木塔抗震研究报告,1976年唐山地震一年后对木塔进行了变形观测,偏移值以二层顶为最大(约1.4cm),也正是木塔损伤最为严重的薄弱部位。综合各种资料,比对营造学社的勘察测绘记录,可以认为木塔自身结构具有很强的抗震能力,历史上的地震没有对应县木塔产生致命的影响;但由于外力破坏、柱子倾斜、构件残损退化等导致目前的抗震能力下降。另外,从开展的多次风荷载及风效应现场实测、模型风洞试验、风场分析研究来看,应县木塔风荷载影响属于正常范围,不属于特别突出的影响因素。


  应县木塔为宗教建筑,受历代受帝王官吏及信众顶礼膜拜,维修不辍,基本上未遭人为破坏。逮至现代,一方面宗教信仰消退,另一方面战争武器进步,木塔也因之受到强烈影响。因木塔位于清代应县县城西北角,距西、北城墙仅百米之遥,木塔西南、西侧、西北三面受炮损严重。梁思成先生记录民国十五年(1926年)军阀炮击造成木塔破坏,1935年(民国二十四年)的维修应即针对此次破坏。与梁先生共同测绘木塔的莫宗江先生1950年随雁北文物考察团考察应县木塔,在报告中写到“抗日战争与解放战争期中,曾被据城顽抗的敌人利用作观察抗御的据点,至今塔内砖垒的工事还在;前后曾经中炮四十多发。”“自夹泥墙被拆除改成格子门以来,仅仅经过十四五年,塔身已可以看出歪向东北。在第二层内的各柱向东北倾斜最甚”。


二层西南内、外槽倾斜现状(2011年)


  由此可见,正是炮击与拆除外槽斜撑墙体直接引发了木塔二、三层西南面外柱严重倾斜,并由此在木塔上层自重长期作用下,经80余年的持续发展,使得目前二层佛殿层自西南向东北方向侧倾斜日益严重,通过不同时期照片对比肉眼可见。倾斜最严重部位西南侧北平柱2020年8月测量柱头相比柱脚中心点向东北方向偏移576.4mm,而此柱高度仅为2805mm(柱底径600mm),偏移量超过柱高的1/5,接近柱径。所赖其后侧辅柱及周边梁柱扶持尚保持斜立而未倒,但是其反作用力施及内、外槽周边梁架,二层各柱总体上形成自西南向东北方向倾斜逐渐递减的变形特征,东、北侧个别柱子轻微外倾。三层各柱总体自西北向东南倾斜,程度较二层为轻。四、五层倾斜变形较小,但柱子积累沉降较大,五层柱西、北侧相对下沉。


  应县木塔一层由内、外两圈厚重土坯墙维护,较为稳固。一、二层木构件与节点残损最为严重,三层次之,四、五层较好。底部两层木构件因荷重过大开裂者较多,典型的是柱头上普拍枋端部因木材横纹受压过大而普遍压碎。二、三层铺作炮损构件较多,包括炸碎、开裂、烧失等。三层以下柱子以及各层内槽承载佛像的两根六椽栿大梁有不同程度开裂。总体上看,危及应县木塔安全的主要残损是二、三层尤其是二层的柱框倾斜,同时下部三层的木构件也存在着较为严重的残损。


咬定青山,坚持监测与基础研究先行


  现在看来,2007年以前应县木塔维修加固方案的反复,除保护理念的差异外,主因还是应县木塔异常复杂,保护修缮难度极大,受限于学科发展水平,基础研究不足。当时的主要问题是:(1)没有全面、系统、量化的监测数据;(2)文献未作系统梳理,未明确木塔二、三层倾斜严重的主要原因;(3)古建筑木结构分析计算还是沿用现代结构的假定与边界条件;(4)缺乏准确、细致、真实反映现状的测绘图与勘察成果。一方面,对木塔倾斜现状及是否持续倾斜,以及倾斜发展的程度,因缺乏监测数据支撑,专家各持己见;另一方面,结构专家与古建筑专家一致认为当时采用的结构分析假定与边界条件不符合古建筑木结构实际情况,不信任此种情况下的有限元分析成果,并且也缺乏开展大比例结构试验的技术、经济条件;同时,现状测绘与勘察成果的精细程度也不足以定量判断构件残损程度,难以预估落架大修后构件更换量以及历史信息的损失程度。


  2007年以来,中国文化遗产研究院统筹全院资源,应县木塔保护研究作为全院唯一配置专职研究人员的项目稳步推进,组织院内及院外各协作单位多学科协同开展或完成了约30项木塔测绘、勘察、检测、试验、结构性能与加固措施研究项目和文物保护规划,以及瓦面保养维护、牌匾修复等工程。应县木塔保护加固坚持监测与基础研究先行,在以下几方面取得重要进展:


  (1)紧紧抓住了结构监测这一应县木塔保护的龙头,十二年持续不间断的结构变形监测成果,为应县木塔针对性的现状加固提供了严谨的事实依据与分析基础。特别是通过2015年以来的木塔整体变形监测,并与其它途径历史测量数据比对参照,首次得出明确、量化的监测数据与结论。倾斜最为严重的二层佛殿层(明层)西南侧外槽北平柱的柱头与柱脚中心点以每年2-3毫米的速率向东北方向倾斜,且持续稳定发展,但5年监测期间内未出现突变。二层内、外槽其它各柱倾斜变形大体上自西南向东北逐渐减小,北侧和东北侧有个别柱子外倾,整体呈现自西南向东北倾斜。三层整体上自西北向东南倾斜,倾斜情况好于二层。四、五层现状较好,部分柱标高因下部柱的倾斜而有相应的变化。这说明应县木塔结构处于持续倾斜之中,也明确了变形的特点及速率,为下一步对症治疗开展针对性现状加固营造了共识与评估标准。


  (2)在详细勘察、文献梳理与结构分析基础上,确认了应县木塔80余年来局部倾斜日益加剧的主要相关因素:炮弹轰击产生的局部水平外力引起部分外槽柱超常内倾;内倾严重外槽柱在自重作用下,形成持续且日渐加大的水平力(结构力学上称之为“P?Δ”效应),上推柱头,下推柱脚;加之拆除明层外槽斜撑后木塔抗侧与抗扭能力下降,造成二层八边形柱框自西南向东北倾斜日益严重。另外,也有地震与风荷载常年积累损伤、木材材性年久退化、关键构件与节点的承载能力下降等的影响。


  (3)以1970年代中期李士温教授以来,太原工学院、中科院力学所、哈尔滨工业大学等研究为基础,2011年以来应县木塔结构特性研究取得长足进步。应县木塔短柱摆动抗侧、刚柔分层隔震等结构特点新认识经中国文化遗产研究院近年在应县木塔保护实践中的运用与积极推广,已逐渐获得结构工程主流学界认可,包括太原理工大学、北京交通大学、西安建筑科技大学、重庆大学、北京建筑大学、厦门大学、中国建筑科学研究院等已完成一系列基于以上认识的重要结构试验或理论分析成果,同济大学也完成了上海某新建木塔的1:5缩尺振动台试验及数值分析。日本结构工程界近年对传统木结构受力特性也开展了很多重要试验及研究可资借鉴。目前来看,国内结构工程学界关注应县木塔保护的大多数重要机构已经取得共识,能够较准确反映中国古代多层木结构实际特点的结构分析方法突破在即。


  (4)精确、全面反映现状的测绘图是木塔研究、监测、保护工作的基础。一方面,定期测绘从长时段来看就是一种监测,我院即整理了自1933年梁思成先生手绘测稿以来的历次应县木塔测绘图纸并与现状进行了初步比对;另一方面,即使发生最坏的倒塌或火焚等灾变,木塔信息在全面留取后也可按照记录补配修复,且将真实性损失控制到最小,是防灾减灾的重要措施。相关技术目前已经成熟,近年应县木塔已陆续完成多项局部性的信息记录,木塔整体性的精细化测绘及信息留存项目国家文物局已经立项,中国文化遗产研究院正在稳步推进。相关详细勘察如节点构造调查、构件编号、节点构造调查、构件年代检测判断,以及建造历史研究等工作也在按计划开展。


谋定后动,近期现状加固对症治疗


  前述监测成果表明,应县木塔二层局部倾斜非常严重且还在持续稳定发展,说明木塔结构并未处于稳定状态,如遭遇较大地震有局部失稳(倒塌)的可能性。因此应及时、有效开展应县木塔保护加固。


  1990年至今30年以来,伴随着对应县木塔研究的深化以及文物保护理念的嬗变,目睹某些因前期研究不足而仓促开展的不当保护造成的重要文物的损伤,越发凸显在应县木塔保护中坚持监测与研究先行,不轻易干预本体的可贵。


  通过对木塔结构特点与监测数据的分析,可以认为木塔自身结构体系是保证其自身安全的重要基础,目前仍然具备这一功能,未因局部变形与构件破坏改变。独具特色的刚、柔相间的木塔结构仍然是其自身安全的依托。因此在现阶段,相关加固措施均应在此前提下进行,应是补强性质的,而非替代式的;同时保持木塔明层、暗层各自的刚柔特性至关重要。这既是科学加固、保证木塔安全稳定的实际需求,也是坚持文物保护“真实性”原则,实施最小干预,保存历史信息,保护与展示文物价值的需求。


  这类似于医学上“对症治疗”的策略:针对性地改善疾病症状,但不能根除病灶,也就是所谓“治标”。对应县木塔这座年近千岁举世无双的重要文物,在现阶段研究与实施、保障条件尚不充分完善的情况下,以“减缓倾斜发展”为目标的“治标”策略较急于彻底解决问题的“治本”更为合理、可行。


  “谋定后动”,应县木塔保护路径既要“集思广益”,又不能“筑室道谋”。基于多年工作积累与研判,中国文化遗产研究院提出的应县木塔保护近期目标(2023年前)是:初步开展木塔二层倾斜最严重部位现状支顶加固,完善木塔结构监测体系,完成木塔精细化测绘及信息留存工作,制定防灾预案。力争3年内提出减缓木塔倾斜严重部位倾斜进一步发展的措施,落地实施并初见成效。目前正在开展木塔倾斜严重部位局部足尺模型结构特性与加固措施试验。


旧邦新命,多方协同共保木塔永年


  “阐旧邦以辅新命”。在国家文物局、山西省政府指导下,山西省文物局、朔州市、应县与中国文化遗产研究院共同推进,2020年7月中国文化遗产研究院应县木塔工作站揭牌,为应县木塔保护研究工作提供了现场工作平台。下一步计划在此基础上建设“中国木结构古建筑保护研究中心”,组建由中国文化遗产研究院主导、相关研究机构紧密合作、多学科协同研究的工作团队,在应县木塔现状勘察评估、结构特性研究、材性检测勘探、传统修建技艺、修缮加固措施、建造历史沿革、修缮保护理念等多方面全方位开展研究并兼及其他早期古建筑。


  2056年,应县木塔将迎来募建1000年,距今年尚有36年,这期间应县木塔保护工作拟划分为2个阶段。中期目标及主要工作(2030年前):持续开展结构监测,广泛深入开展各项基础性研究,做好木塔信息全面留存,进一步完善倾斜严重部位现状加固措施,残损构件现状修缮,优化防灾预案。消除一定时期内木塔局部或整体坍塌风险,为达到远期目标(即建立在深入研究基础上的全面修缮)争取时间。远期目标(2056年前):在中期全面深入研究基础上,凝聚修缮理念共识,明确整体修缮思路,适当调正倾斜柱框,全面修缮残损构件,木塔结构整体上恢复相对较为健康状态,得以长期保存、传承。


  应县木塔五层正南面高悬明成祖题“峻极神工”匾,五百年后的清末,一层正北面又挂上了“永镇金城”匾。祈愿应县木塔实施的科学保护措施与策略能获得今天社会各界最广泛的认同,在坚持文物保护“真实性”原则下,既可最大限度保存历史信息,又能让千岁木塔益寿延年;如同此二匾之善颂善祷:峻极神工,永镇金城。


 

本文标题: 峻极神功,永镇金城——应县木塔保护回顾与前瞻

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