中国古建筑砖石结构发展缓慢的原因分析.doc

中国古建筑砖石结构发展缓慢的原因分析陈天声陈弘摘要：粘土砖在我国已有近3000年的使用历史，可是在期间，砖石结构在我国的发展十分缓慢。在我国建筑史上，几千年来，砖一直没能在古建筑中担任主角，原因何在？2000多年来，在我国古建筑中，一直使用干结后既无强度，又无粘结性的黄泥浆作为砌砖胶泥；而没有使用国外早就广泛应用的石灰砂浆。由于我国所用的砌砖胶泥中缺少起强度作用的“砂”作承重架，使砖砌体难以承重，无法作为建筑物的围护墙和承重墙使用，因而影响了砖砌体在建筑中的应用。“砌筑胶泥选用不当”是我国古建筑砖石结构发展缓慢的根本原因。关键词：中国古建筑、砖石结构、砌砖胶泥Abstract：The basic reason of the brick and masonry developed slowness in our country is that our country did not use the appropriate laying masonry mortar; however some foreign countries already used lime mortar. During more than 2000 years, our country has used mortar which lacks the thin aggregate-sand (sand plays the intensity role in the mortar). All along the traditional method to use pure clay-wash, which is both no intensity and no cementing power. That cause the masonry has not enough load bearing capacity to be used as buildings wall.Key words: Chinese ancient architecture; the brick and masonry construction; the masonry mortar一、砖的出现都说是秦砖汉瓦，但实际上，根据最新的考古成果报道：我国最早的瓦是甘肃灵台县桥村“齐家文化”遗址出土的印有绳纹的弧形红陶瓦，距今天已有4000多年的历史；最早的砖是甘肃民乐县东灰山“四灞文化”居住遗址出土的土砖，距今天也有3700年的历史了。而在战国时期，在房屋建筑物上使用粘土烧制的筒瓦、板瓦作屋面和使用粘土烧制的薄砖铺地已相当普遍。有史料记载：战国初期齐国工艺官书考工记、匠人篇上就已作为国标建筑规范规定了当时建筑物上常用的2种屋顶坡度的高跨比：“葺屋三分，瓦屋四分”。史记廉颇蔺相如列传上在描述战国末期、公元前3世纪秦国攻取赵国都城的“邯郸之战”时，也谈到：“秦军鼓噪勒兵，武安屋瓦尽振”等。总之，先民在生活实践中早就发现了粘土掺水后的可塑性和烧烤后的耐火性和坚硬性。“砖”古文作“甓”和“甎”，所以在早期，陶制砖、瓦并无严格界限。在我国建筑史上，一般以为：瓦出现在西周中期，砖出现在东周，迄今都已至少有25003000年的历史了。二、砖及砖砌体的发展历史砖，凭借其本身耐蚀、耐磨、稳定、耐久、具有一定的硬度、隔热、隔声、防蛀、防火等良好的化学物理性能和具有足够的抗压强度，一定的抗弯强度等优良的力学性能，且具有原料可就地取材、烧制设备和操作工艺也都较简单等优越性，只要用合适的胶泥将其堆砌成整体后，就可成为能承受一定荷载的砖砌体。原本在以开间不大、高度不高、量大而面广为主要特点的我国传统居住建筑中，砖砌体足可作为围护墙和承重墙体。性能如此优良的砖，在我国的建筑领域中早就应该大有作为。可是在我国建筑史上，多少年来，在地面建筑物中，砖砌体不便作承重墙，而且连仅承受自重的围护墙也担当不了；历来建筑物的围护墙体一直普遍都用厚达1m以上的版筑夯土墙或土坯墙，其高厚比只及3：1，而用现代胶泥砌筑的砖围墙，其设计允许高厚比则可达12：1。几千年来，在西方人用砖、石砌造至今尚存于世的宏伟神庙和大教堂的同时，而在中国，砖只用来建筑地下墓室、作宫室和住宅等建筑物的室内墁地、道路的铺面、台阶和墙角等部位的包镶，夯土城墙和重要建筑物夯土围墙的贴面等。在我国传统建筑中，很久以来，砖从来没有担当过主角，砖在建筑中只起着建筑构件的表面保护作用，发挥其耐磨、耐蚀等表面耐久特性，而一直没有发挥其应该发挥的力学承重作用；支撑房屋巨大屋顶的一直是木材。我国直到公元前14世纪明代起，砖墙才开始逐渐替代土墙作为地面建筑的围护墙，到清代中叶（19世纪初）起，进而逐渐代替木构架，成为建筑物的承重兼围护墙体，从而砖块从此成为我国建筑中耗用量最大的主要建材。几千年来砖石结构在我国发展如此缓慢，砖块在传统建筑中一直得不到有效使用，究竟是什么原因呢？历来古建筑史书上的解释是认为我国在明代以前，制砖技术不成熟，砖产量双不高，以前古时人们理念上先入为主，习惯于因循使用千年传承下来，技术上熟悉的版筑夯土墙等之故。我们认为以这样的解释是难以令人信服的，其实，我国从东周有砖之始，便是用还原法工艺煅烧成的青砖，其强度、硬度和耐碱性都在当今所用的一般红砖之上，可见当时的烧砖技术不可谓不成熟。再说，市场经济一向是以销定产，正是因为当时砖在建筑业上没有得到广泛应用，才使砖产量不高。根据史料和古建筑遗址出土实物分析，我们认为砖石结构在我国长期以来发展缓慢的主要原因是我国几千年都未得到砖砌体的合适胶泥石灰砂浆之故。三、砖砌体的结构发展理论要使单块砖石垒砌成的一个能承受荷载的稳定砌体，则要求相邻每块砖、石块之间必须严格“面接触”。因而其连接方式原则上有2种，一种是每块砖面及四角都精密磨平后垒砌，砖块间未施胶泥却砌缝严密，砖块间形成“面接触”。如同古埃及胡夫金字塔那样，每块巨石都认真琢磨平整，角度精确，石块堆垒采用干砌，石块与石块间严丝合缝，严密得连薄薄的刀片也插不进去。我国建于唐长安元年（公元701年）的西安大雁塔为7层方形砖塔，塔本身高m，底层边长25m，也是每块小青砖精致磨平对缝垒砌而成，其间不用胶泥，塔至今已1300年仍屹立如故。但这种连接方式太费工，而且只能用于块状砌体的垒砌，如胡夫大金字塔，高147m，底宽246m见方，其高宽比为0.6；西安大雁塔高宽比为2.4。这样大体量的砌体当然很稳定。而对于薄片状的墙体，则必须用砖砌体常用的另一种连接方式，即用砌筑胶泥砌筑，每块砖布上均匀满铺砌筑胶泥，使砖与砖之间能借助于胶泥达到“面接触”，并垒砌粘结成整体。现代砖石结构的强度理论认为，砖砌体受力破坏的机理是：由于在砖砌体中铺在砖面上的胶泥砂浆不可能铺得绝对均匀和满铺，因此在砖与砖之间的砂浆垫层有所不平，形成很多支点。当砌体受压时，这些砖块便会处在压缩、弯曲、剪切和横向拉伸的复合受力状态下，而当由此产生的“主拉应力”超过单砖块的抗拉强度时，砖块就会开裂，发展下去使砖砌体破坏而失去承载能力。又由于砌筑砂浆的弹性模量小于砖，所以砌体在纵向受压时，砂浆层的横向变形大于砖，使砖受到砂浆层的拉力作用；强度越低的砂浆，砖所受的横向拉伸力也越大。由于砖块的抗拉强度远小于其抗压强度（约为1/10），所以即使是现代的砖砌体，其砌体抗压强度也常常只有单块砖抗压强度的1/5左右，相当于单砖块的抗弯强度。而且根据对砖砌体所作的结构试验显示：砌体在受力下的破坏面，大多发生在砂浆和砖石的接触面上，当砂浆（砌筑胶泥）强度和粘着力很低时，砌体受压后，灰缝很早就开始破坏。可见砌体的强度主要决定于砌筑砂浆即胶泥的强度和粘着力。砌体的强度还决定于砖石块体的形状：块材外形整齐规整，可以大大提高砌体强度；块体厚度大、砌体强度也可增加；但块体长度太大，会减少砌体强度。结构试验还显示：砌体的砌筑质量也是影响砌体强度的重要因素，灰缝要饱满、均匀、密实、厚度要合适，砂浆硬化期中要保水并加强养护等，砌体中砌筑砂浆的作用是在砖与砖之间垫以富有粘性而月坚固、耐压的胶泥，使砖与砖之间能尽量完全“面接触”，把各单砖块垒结成一个坚固的整体而共同工作。在砌体受罟时，将上层砖块所受的荷载均匀地传到下层砖上去，避免因受力不匀而使砖砌体过早破坏。砌筑砂浆在砌体中的作用，除了粘结单砖块成为有一定强度和稳定性的砖砌体的主要作用外，砂浆还填满了砖块间的缝隙，提高了砌体的隔热、保温、隔音、防潮等性能。若要砖砌体具有一定的强度、刚度和稳定性，以作为墙体承重，必须具备3个条件：第一、 砖块本身型制和尺寸要规格化、模数化，以保证砌筑方便和砌体规整。第二、 堆砌方法要科学，以保证砖块堆砌成的墙体是稳定、牢固的整砌体。第三、 选用的胶泥和其配比要合适。即砌筑胶泥在砌体中硬化凝固后，必须具有一定的强度和粘结牢固性，砌筑时还必须具备合适的流动性和良好的保水性，以保证砌筑质量。同时胶泥的材料应能就地取材、价廉，且要性质稳定，耐蚀，耐久性好。这三者成了影响砖石结构应用、发展的制约因素。根据我国古建筑遗址和汉墓出土情况显示，前两个条件在汉代已基本解决：条砖的型制，规格到东汉时已基本定型号；东汉后期起，墓室中的墓壁的砖砌体砌筑方法已改进为上、下每层顶砖、顺砖交互垒砌成整体，使墓壁砖砌体稳定性大大增强。但第三个条件一直到唐、宋时期都未解决，且离要求相去甚远。四、砂浆在砖砌体中的应用过程现代砖砌体所采用的最好砌筑胶泥是水泥石灰混合砂浆和水泥砂浆。在1824年波特兰水泥问世前，石灰砂浆是砖砌体最合适的，也是最好的胶泥。内中砂粒作为胶泥的骨料，在胶泥中起着承重骨架的作用，能满足砌体所需的强度和耐久性的要求；而且用为填料，可以减少胶泥中水泥、石灰等胶结料硬化时收缩引起的灰缝开裂。石灰是一种气硬性胶结料，在硬化过程中，其表面在空气中逐渐吸收二氧化碳并排出水分，形成坚硬的碳酸钙固体；同时石灰浆内部的氢氧化钙也逐渐排出水分后形成一定强度的结晶。这碳化和结晶的两个硬化过程相互结合，在石灰浆缓慢的凝结中，石灰砂浆胶泥用带坚固骨料（砂）的碳酸钙把垒砌的砖块粘结成坚固的砖砌体。石灰浆还是一种塑化剂，给胶泥提供了好的和易性（流动性和保水性），砌筑时使胶泥砂浆能在砖面上铺砌饱满、均匀，从而保证了砖砌体的砌筑质量。据测定：重量比为2：1的石灰砂浆，其28D后的平均抗压强度为0.4Mpa0.5 Mpa，6个月后可达到1MPa，以后随着时间进程还会有所增长。其耐久性、强度、粘结性、和易性、价廉、可就地取材等均能满足上述第三个条件，其线膨胀系数也与砖相近，因此，石灰砂浆足可成为砖砌墙体理想的砌筑胶泥。在西方，古代匠师早就发现用石灰、砂及水的混合物制成的砂浆砌筑的粘土砖砌体具有良好的强度和稳定性，可以作为建筑物的承重墙。远在公元前2000年，世界上最早发明粘土砖的古巴比伦人在两河流域（今伊拉克境内）建造房屋时，已在砖砌墙体中使用石灰砂浆，其用砖技术独步天下。在西方现存最古老的建筑专著，由古罗马建筑师维特鲁威撰写与公元前1世纪30年代的建筑十书中，作者阐述了当时在西欧各国房屋建筑砖砌墙体中已普遍应用的石灰砂浆的气硬性现象和其最佳配比：粗的山砂为1：3，细的海砂为1：2。正是由于石灰砂浆早就发现和广泛用作砌砖胶泥，才使砖得到石结构在西方建筑中很早就得到了广泛应用和长足发展。虽然石灰砂浆的原料：由石灰石煅烧成的石灰和天然的粗砂粒，两者都是可就地取材的常见廉价建材。可惜的是，我国古代匠师对它们的认知太晚熟了，我国古代匠师对砖砌体的受力机理和砌砖胶泥选用的要旨缺乏正确的认识，认为砌筑胶泥只需砌筑时的和易性和粘性而没有认识到其需要一定的强度更为重要，而且需要硬化后的永久粘结性。研究我国建筑史的先驱梁思成先生说过：“在砌砖垫灰上，通常以结晶粗砂砾与石灰混合的原则，在我国则始终未能发明应用”。几千年来，我国古代匠师们代代相传的一直因循守旧地用纯黄泥浆作为地下和地下砖砌体的砌砖胶泥。发掘出土的东汉砖构墓和唐、五代、宋墓一般都是这样。作为最早个例，见于1996年底，杭州临安在发掘公元939年建造的吴越国王后墓康陵时，发现其封土金刚墙是用石灰糯米浆青砖错缝砌筑的，墙上还粉刷着0.5cm厚的石灰膏作保护层和在其上彩绘，这应该是那个时期的顶尖技术；至今已有千年的历史，封土墙乃什么坚固。到明代时，掺捣烂后楝树叶的糯米石灰浆已普遍用于构筑贵族坟墓。古代的防御性城墙是西方公认的中国古建筑3大特色之一（另两项为抬梁式木构架和北宋国标建筑规范营造法式），城墙的传统作法一向是厚实的版筑夯土墙，史料记载：唐末9世纪30年代末，鄂州江夏城（今湖北鄂州）和西川成都城为改进夯土城墙外表土风雨剥蚀、每年需版筑维修的缺点，作为创新、两地城墙率先在土墙外表用粘土砖贴面包砌。“江夏城风土散恶，难立垣墉（城墙），每年加版筑，赋菁（草木）茆（茅草）以覆之凡五年，墉皆甃（砖砌）葺，”“成都城甃之以塼甓，雉堞由是完整”，从此城墙不用再年年版筑维修。后来这种土筑城墙外以砖贴面的做法迅速在全国推广。2005年江苏扬州开挖了唐、五代、宋三朝城墙时，可见其历代城墙都是版筑夯土墙外包0.9m厚二顶一顺的砖砌贴面层，砌砖都是用作纯黄泥浆。南京在明代前的历代城墙也都如此，到明代时，各地砖包土或砖包石墙，其砖砌贴面层已改为纯石灰糯米浆来切筑。1996年，杭州开挖了一处南宋官署遗址，发出其夯土围墙的内外3层平铺砖贴面也是纯粘土浆铺砌。我国南北朝开始盛行的方形木佛塔，从唐代起逐步为砖砌塔所代替。这些古代砖塔，绝大部分均是用黄泥浆砌筑。我国现存最古老的砖塔为建于北魏正光四年（公元523年）的河南登封县嵩岳寺塔，这是一座高41m的十二边形15层密檐塔，系用糯米汁拌黄泥浆为砌筑胶泥，青砖垒砌而成。现存的宁波天宁寺塔是唐咸通四年（公元861年）砌筑的5层密檐式正方形砖塔，可查见也都是用黄泥浆或在黄泥中掺入少量石灰砌筑的。在北宋初972年建造的杭州雷峰塔是7层八面楼阁式砖塔，其高度在国内历史文献上无记载，笔者估计在60m以上，因为该塔在南宋1195年重修时，根据风水家意见，从原7层减为5层后，其高度根据国外文献记载为52m。2001年雷峰新塔修建时，浙江工业大学材料所对塔遗址上残存的旧塔身砖砌体的砌砖胶泥用现代科学手段进行化验和光谱分析，证实了当年雷峰塔初建时，用37*18*6cm青砖堆砌的约60m高的塔身和地宫砖圹，其砌砖胶泥就是单纯的的掺稻草和秕谷的当地普通粘土质黄泥，不掺另外任何粘结材料。而从遗址上遗留的一些塔顶部分残留砖面上，除粘土外，还有少量石灰状填充物，可见塔顶部分是在建塔200年后，南宋1195年塔大修时重砌上去的，南宋初期砖塔的砌筑胶泥已在黄泥中掺少量石灰。根据对这些已千年以上的砌砖胶泥和白色石灰质分析结果，其含水量黄泥为22%以上，石灰32%以上，2种粘结材料均含水量高，结构疏松，强度和粘合力都较差，可见经长年自然风干后的黄泥浆和石灰膏，其强度和粘结力都很差，从结构上只对砖起摩擦力的作用，塔身下部砖块间干结后的黄泥浆早已被塔砖自重压碎，所以实际上用粘土浆砌筑的砖塔，如同松散的砖堆一样，完全靠堆砌宽度（如加厚塔壁、加大塔身宽度）以及塔身尺寸向上逐渐缩小（收分）来维持塔身稳定。例如宁波天宁寺唐代砖塔，其12m高的方形塔身靠堆砌成壁厚80cm，边长达3.2m的方套筒体结构来维持稳定，其高宽比达到3.75：1；杭州旧雷峰截砖砌体则是高宽比为2.5：1的八角形双套筒砖结构（塔身高约60m，底层八角形外筒对径为24m）；我国现存最高的砖塔为建于北宋1055年的河北定州八角11层料敌塔，高度达84.2m，底宽38.6m，其高宽比为2.18；而相对于用现代砂浆砌筑的悬壁砖柱，其设计允许高宽比则可达8：1。由于这些用黄泥浆砌筑的砖塔，如同松散的砖堆一样，因此在失衡倒塌时，高塔瞬时就像散了架一样，整体突然崩塌倒下。1924年，50多米高的千年古塔杭州雷峰塔在一个风和日丽的正午时分倒塌时，有目击者描述了当时的情景：“前数天，塔上宿鸟惊飞，待轰然一声后，只见黑烟升起，黄雾蔽日，鸦雀满天，殷雷震地。久之，烟消雾散，原塔址上唯见黄土拌砖，堆成一座小山。”由于年久失修或维护不当，2010年以来，浙江省已连续倒塌两座古塔：建于清康熙32年（1693年）的浙江衢州巽峰塔，系高36.6m的六角7层楼阁式砖塔，在雷击和暴雨下，2010年5月18日，在不到1min内，塔瞬间倒塌，只留下一个5m6m高的底座，四周为散落的砖块形成的砖堆。7月12日，建于明天启年间，已有400多年历史、高23.8m的浙江龙泉稽圣潭六角5层砖塔，也是这样在连日大雨后突然倒塌的。在这两塔的倒塌现场均清晰可见：两塔塔砖全是用纯黄泥浆砌筑而成的。我国在明代以前，无论是地上或地下的砖砌体砌筑一律只有纯黄泥浆，一般连石灰都不掺。黄泥浆在砌筑过程中，实际上只起了塑化剂的作用，这样的砖砌体若作为墙体，在自然干结后，其强度和稳定性都很差，承受不了诸如风力等偶然产生的水平推力。因此这种砖砌体连仅承受自重的建筑物围护墙都不能胜任，房屋建筑的围护墙只好用厚重的夯土墙了。在我国其他开始也以木材为主的构筑物中，由于木材易受火毁和易腐、易蛀的致命弱点，在历史发展中，都逐渐被砖构所代替。如地下的木椁墓室，在东汉时被砖砌券穹墓室代替；地上的木构塔在唐代初就被砖塔所代替等等，但在量大面广的房屋建筑中，由于黄泥浆砌成的砖砌体无法作为墙体使用，所以几千年来，我国传统古建筑一直都是以木构架承重和厚实的夯土墙围护的结构形式，因为当时砖砌体尚没有条件替代木构架承重和替代夯土墙围护，因而使砖在建筑中不能广泛应用。在我国地面建筑物特别是量大面广的居住建筑中，直到明代，由于在砌砖胶泥中加入了石灰成为石灰粘土浆或纯石灰浆，胶泥有了一定的强度和粘结力，砖砌体作为墙体才具备了一定的强度和稳定性，这以后砖墙才逐渐代替夯土墙而作为地面建筑的围护墙。在水工建筑物方面，与长城、运河同列为我国古代三大工程之一的浙江省钱塘江工程，从清乾隆元年（公元1736年）起，在其塘身块石砌筑中在，开始用体积比20：1的石灰糯米粥拌捣烂的乌樟叶作为砌筑