应县木塔结构安全风险分析

应县木塔结构安全风险分析

1木塔的历史地位上世纪九世纪，中国被封建王朝分裂。偏安于中国腹地及东南鱼米之乡的宋朝,居于西南、时刻图谋东进的吐蕃王朝,虎踞北方的是当时最强大的辽,史称契丹。11世纪中叶的辽国力强大,幅员广阔,称雄北方。也有了大兴土木广建佛寺的资本,先在巴林右旗建造埋藏佛舍利的庆州白塔（1049),同时期可以见证东方佛教、印度教大发展的还有我们西南邻居吴哥王朝(高棉)正在建造著名的巴方寺(BuphuonTemple,1500-1660),东北方向日本的京都在大约同时建造著名的平等院（ByodoinTemple,1053)。辽清宁二年(1056),当时在任的代宗皇帝命令在雁北高原的应州建造佛塔,于是在动用了大批劳力、几乎砍光了周边树木的情况下,建造起一座庞大的寺院和其中最著名的高达64.8m的木结构塔—一释迦塔,后世称之为应县木塔。客观地说,中国在辽之前,从汉至唐,曾建造过无数木结构的高层建筑物,比应县木塔高者应不在少数。但都没有经受住时间的考验而消失了,只有应县木塔经历近千年而不倒,成为独领风骚的一代天骄。应县木塔是我国现存传统木结构古代建筑中结构最宏伟、高度最高、体量最大、年代最久远的建筑遗产。应县木塔也是现存木结构中存在安全风险最大的一处,如木结构的倾斜,位移、构件损坏、材料风化等病害。木塔的现状也是业界多年争论的重点之一,某些专家认为木塔的倾斜与残损已经十分严重,遇到大风或者地震有倒塌的危险,也有一些专家认为木塔现状并无大碍,即使再维持百年也很安全。应县木塔的保护、研究工作同样成为备受关注的焦点,近几十年关于保护与维修一直在进行着不懈的探讨。应县木塔自从列入保护研究的法眼,加入保护与研究行列的有中科院、工程院的院士、高校、科研机构的教授、研究员、高级工程师以及长期从事传统建筑保护的老专家、学者。他们以各自不同的学术背景和业务素质,以及对文物保护哲学和原则的不同理解,提出过各种不同的具有开创性和代表性的保护维修建议。从1970年代起,这些各不相同的观点,在不同场合、不同时间进行过激烈的争论和讨论,有时还要通过举手表决来表明态度。估计中国目前还没有哪个古代的建筑遗产有过如此的魅力和经历。辽代的那个皇帝估计也没有想到这么一个一时之念,竟然留下世纪难题。2木塔的历史作用关于应县木塔保护方法的思索,从梁思成先生发现木塔后就开始了。当大家发现木塔的宏伟和精巧后,紧接着就不约而同地担心起木塔的安全,想着如何对塔进行修整。应县木塔要不要修,基本上专家的意见是比较统一的,那就是要修,因为原因大家都认可,就是木塔在经历了近千年的风雨后,存在这样那样的隐患。从木塔的整体结构看,它是唐、宋时期典型的水平层间结构的叠罗的代表,即各层柱网、梁架斗拱相互交替叠罗在一起,并在应县木塔上进行了重新组合。应县木塔由9个柱网层(其中一层柱网有夹墙支撑),8个梁枋斗拱层,一个屋顶梁架层,从外观上看就是5级的明层楼阁加上作为基座的4个暗层。由于木塔分为内外槽,内槽为设置佛像的空间,要求高度较大,外槽空间主要为人的活动空间,可以低一些,因此内槽的梁枋层被打断后形成空筒。这些层间结构均由木质构件组成:木梁、木柱、木枋、木斗拱、木屋顶,只是屋面用瓦瓦的做法。木构件之间的构造,遵循较为规范的辽代木结构建筑物的营造工艺,其平面模数、才分制度均取自汉唐以来中国木结构建筑的成熟经验,因此可以说是千百年中国古代工匠成就的结晶。以此推论,这座经典建筑的范例,经得起历史的考验,事实证明,该塔建成900多年来,经历了数次较大的地震和其他的外界破坏的危机,挺立至今,不能不说是对中国这种独特木结构做法的极大认同。可惜的是,当时的辽代从官府到工匠,并未对木塔的建造留下只言片语,当时的设计、建造工程及其相关的技术档案几乎为零,导致我们今天对建造时和建造后的情况一无所知,一切仅凭猜想。当然,这种结构的木质建筑物总归有其不可避免的缺陷,如木材材料性能的限制、榫卯结构在节点作用上的不足,结构体系本身合理的程度,导致其不可避免的存在风险,历史上几次大的维修加固就是证明。历史上对木塔的几次维修加固确是记录在案,建成约150年后的金朝人很尊重前朝的劳动,并未对这些前朝的标志加之刀斧或者付之一炬,而是不遗余力地进行维修,估计木结构高层建筑的病害在百年后暴露无疑,因此那次维修应是根本性的,有可能现在主柱之间加的附柱,暗层内外槽间的斜撑均为金代的杰作。记录对于现在的那些病害是哪些年代传承下来的语焉不详。以后大约每120-150年基本大修一次,算下来历史上称得上大修的大概有6～7次。其他均是小修小补。最后一次是民国年间,大约是1920、1930年代。这些历史上的维修,其记录大多是为了表功颂德,真正谈到工艺技术及修缮本身的也并不多,因此我们仍然不清楚每次修缮后的情况及其对当时状况的详细记录。真正开始科学记录应县木塔的是梁思成先生在营造学社期间的研究,当时对其建筑艺术的成就和以此彰显中国乃至东方木结构古建筑之独特魅力的评价很多,但从保护目的发表的评语则相对较少,也可能当时大家并未察觉到木塔的真正风险,或者风险确实不严重。真正发现木塔存在较大安全风险的是1980年代的几次实地勘测,发现木塔二、三层的西南面的塔身木柱存在非常明显的倾斜,这些倾斜程度在一般结构的概念上可以说非常严重。再加上一些构件的残损,如劈裂、弯曲等,使人们对木塔的安全产生很大的担忧。1976年,中国文物研究所(中国文化遗产院的前身)派出专家对木塔进行了第一次现代保护意义上的加固;在二层最严重的两根内槽屋身柱的内侧加上了三角支撑。用以抵挡木柱向内的倾斜。这种加固的结果有着不同的评价,但总的来说还是应该予以肯定。自此以后,木塔的保护、维修、加固被提上了议事日程。在各级政府和管理部门的倡导下,相关从事文物保护工程技术的机构和高等院校、研究机构开始以各种形式开展对木塔保护维修思路和原则及其设计的尝试。3应县木塔维修的现状20世纪中叶国家初兴,1951、1952年即对应县木塔进行了维修,罗哲文先生后来回忆说,“这属于保养工程,对于木塔第二层各柱向东北方向倾斜的严重变形,必须全部落架,才能解决问题”。罗老的建议是要“落架维修”。然而在当时国力尚弱、百废待兴之时,这方面的工作,其巨大的成本显然不能列入日程。在随后的几十年里,木塔的维修并未列入重点考虑的对象,山西古建维修的专家柴泽俊先生1979年编写山西古建筑介绍时,还说“应县木塔虽身中200多发炮弹,使二、三层略有倾闪和扭动,但仍基本完好,安然无恙”。然而,随着时间的推移,木塔各方面的病害似乎越来越严重,人们对木塔现状的担忧也越来越沉重,特别是1976年的唐山大地震让人们感受到了自然的无情和强大,对木塔能否长久保存产生了疑问。于是,1990年代中期,由国家文物局牵头,吹响了应县木塔维修的号角。最明显的标志就是成立国家、省、市县各级共同参与的“应县木塔维修办公室”,办公室的主要职责就是准备实施木塔的维修。然而,要想提出一个大家认同的木塔维修的方案,却不是一帆风顺。从一开始,即有现状维修、落架维修、支撑加固等观点,后来又出现“上部抬升”的创意。由于这些观点的提出错综复杂,且过程杂陈难耐,在此仅就这几种代表性的保护维修观点进行粗略的介绍。3.1“木塔”的解体:未来的依据对中国古代木结构建筑进行落架维修是一种传统的思维和做法,这种方法基于对木结构建筑的特点的理解,即它们也是由一些单个的木构件通过中国式的榫卯进行组装和拼合,传统的木构建筑能拆能装就是这种东方建筑的鲜明特色之一。这种做法在我国的古建筑修缮中非常多见,如1993年启动、5年后完工的晋祠圣母殿等10余处山西地区极为珍贵的木结构古建筑的大修基本都采用这种模式。持这种观点的代表有已经仙逝的罗哲文先生,也有德高望重的王世仁、柴泽俊以及吴锐等专家。这些专家大多有着丰富的古建维修经验,对木结构的传统做法有深入的了解和体会,且大多具有较强的现场实践能力。大落架维修的一般做法是要将所有的建筑构件全部拆卸下来,然后对拆卸下来的构件进行修复、补强和更换。大落架的对象是“建筑物严重残损,如荷载失衡、柱子歪闪、斗拱损折、梁架倾侧等”(柴泽俊语),这些条件应县木塔都具备。因此,这些先生们认为应县木塔应该进行一次彻底的大维修—落架。落架大修是一种古已有之的传统,不必要专门为此编制详细的设计,因为过去诸多的测绘图纸、法式研究,都自然地成为了保护设计的蓝图。至于更详细的技术设计,如构件的加固,则可等到落架后根据构件的实际情况进行补充完善,因此,落架大修是一个思路、一种传统,并未真正见诸方案和图纸。我们可以想象,将应县木塔进行解体,修补更换后的构件再重新进行一次组装,这次组装,必然矫正了原来的倾斜,那些已经完全受压变形的柱头、枋额、斗拱都换为未压碎前形态的新木料(当然也可进行新材料和构造的加固)。于是,一个端正、健康、恢复活力的木塔浴火重生。我们又可以骄傲地宣称东方文明的优越,同时对这种落架大修的传统沾沾自喜。然而我们不得不说,“落架大修”依然存在保护理念上和具体技术上的不确定。首先我们要问自己的是,我们可以接受一个落架大修后的3间庙堂或者殿宇,但我们是否能接受一个高度超过60m、满布泥塑、彩画、壁画,每一个木构件都因其满面沧桑而已成为了艺术品;存在了近千年、在人们心中无比自豪的这样一个历史巨制从一个真实的存在到完全的消失,然后又重新建造起来的痛苦过程?我们可能无法给自己一个圆满的、出自内心的答案。凝立在应县木塔的巨大身影前,想象着当年寂静辽阔的旷野回响着庙堂的钟声,周边的居民房屋一色的黄泥墙平屋顶,仿佛匍匐在圣殿脚下的随从。木塔在经历了这样近千年的威严后,也显出了疲态,屋身不再挺拔、屋面不再飞扬、甚至有些歪斜,这种神态是其千年修行的结果,更加深了我们对其“年迈”的敬仰。进入木塔,高大的释迦佛像,在满是壁画、彩画、雕花藻井的背景下怡然自得,尽管这些场景都有些残破、褪色、甚至灰尘扑扑的。登上木塔,穿梭于由木构件编织的楼层之间,感慨油然而生;木梯的扶手已是瘦骨嶙峋,青筋满布,手掌接触的感觉仿佛握住一个老人的手。一些夹在上下柱梁之间的水平枋木,估计在几百年前就已经不堪重负失去了自身的形态,纤维间的胶结全部失效,木材的劈裂有些触目惊心。上到二层和三层,塔身柱及梁枋变形比较明显,倾倒的屋身及倾斜的地面,让人感觉到似乎有一种超乎自然的力量在起作用。再仔细观察,其实由于整体变形,几乎所有柱和屋身都有倾斜,而且都遵循一定的规律。木塔的变形就是这种木结构受力的最好体现。它忠实地、一丝不苟地记录了木塔的生命历程。任何实验室和仿真的模拟都不能替代。这种千百年的历史留痕,与木塔相生相伴,已经成为人类文明与智慧的见证;成为科学技术进步永恒的标本;成为“一年三百六十日,风刀霜剑严相逼”的心酸记忆;这样的历史佐证,我们忍心由于一代人认识的不统一而毁之一旦吗?除去这些理念和原则上的不确定,其实落架大修在技术上同样并不能保证百分之百的无失误。落架大修在实施上有几个层面的难题。第一就是旧构件的更换问题,按照落架大修的一般做法,对于损伤过重,已无法起到正常作用的构件,都会更换,目前二、三层相当数量的枋木、斗拱、梁柱都存在问题,这些都要换吗?换的标准是什么?估计无人能给出满意的答复。更不用说构件新作的标准,如果仍然续用原有材料,则多年后又会变成现在的模样。如果对构件进行预加固,如横纹补强、加筋等措施,那么传统木架构建筑的真实性还能保证吗?第二就是变形的矫正问题,木结构经过荷载下千百年的重压,很多都已由弹性形变成为了蠕变,蠕变后的构件无法恢复原有形态。而且周围相关联的构件和构造节点等都已经相适应,也就是说,已经适应了变形后的状态,但它们还能适应新的构件尺寸和新的节点方式吗?对已经找到一种新的相对平衡的结构,局部矫正实际会产生新的内力重分布,我们需要做这样的矫正吗?做到什么程度?第三是木塔千百年来经过多次维修和重修,很多的支撑是临时的,有的是很随意的,如后期加的附柱、暗层的很多斜向支撑。过去的很多研究偏多溢美之词,认为木塔暗层的斜撑是类似于现代桁架一样的性质,是保证木塔稳定的关键,这种褒扬不无道理,但也言之过甚,实际很多的暗层梁架貌似科学,实际缺陷很多,要真正发挥作用还要进行真正意义上的结构整饬才行。很多后加的构件是由于变形的需要,如果真正落架消除了变形隐患,那可能很多后期的东西成为多余,或者压根就不能再归位。如果回答是,也许我们不用消除变形,不消除变形,那落架的意义又何在?结构上的难题还不止这些。很多都是我们想像不周全的。综合理念与技术两个方面的考虑,落架大修对于木塔不是最好的选择,最起码现在不是。3.2全支撑方案的未来如果将木塔从建造之初到现在的建筑结构、构造、材料的更替,历史岁月的留痕全面地保存下来,将其看作一个不可替代的历史标本,看作一个过往的魂灵赖以穿梭并寻找归路的栖息地,看作一个堆满了神灵的圣殿,我们的动作要尽量轻柔,避免惊醒了这宁静的一切。如果“落架维修”会抖落这些历史记忆的话,我们是否有其他的选择呢?中国城市规划院的工程院院士王瑞珠先生提出了自己的独到见解,那就是“全支撑方案”。我们应该对王瑞珠院士表示出崇敬之意,王先生是城市规划专家,并未以古建筑的旁观者站队,而是主动地怀着对中国历史的热爱加入到对木塔保护的探讨中。“全支撑方案”的主要观点,是对木塔保持绝对的最小干预、保护措施的最大可识别。具体以王先生当时主持所绘制的设计加固构思图为证。图中,塔的内外槽之间竖起高达3层的钢结构框架,支撑范围可达存在结构和构件残损的底部3层的所有部位。设计者的初衷是利用这些新的支撑结构帮助那些已经衰弱的肌体来承受上部的荷载。这些钢构架可以承托梁枋、抱稳立柱,夹住斗拱,并且承受一切外来的应力攻击。在笔者看来,这好比是好莱坞大片的变形金刚,可以伸出无数的手臂,并且可以按照不同的力学参数调节自己的臂力。在这一切理想都具备的状态下,我们应该承认这是一个有创意的发明。那么“全支撑方案”的保护理念可否接受?对于这个问题,我们不妨从两方面去回答,首先,我们应该肯定该方案的理想是将木塔近千年的历史信息全面无遗漏地保存下来,这个观点是符合《威尼斯宪章》精神的,“世世代代人民的历史文物建筑,饱含着从过去的年月传下来的信息,是人民千百年传统的活的见证”。全支撑的过程不会更换一根柱、一榀梁、一个斗拱,甚至不会去抹掉劈裂枋木的毛刺,不充填一条裂缝,不抹去任何的痕迹,是真正的“全保护”。依此推断,我们还可以得到更加畅想的做法,那就是将木塔整个密封在透明的硅胶里,让其“永生”,这种做法也早有先例,如金沙博物馆的象牙化石,就是密封在硅胶里。只不过要将木塔这样保护恐怕还有待时日。当然,评估木塔保护的理念,还有第二个领域,那就是木塔最重要和突出代表的价值的认知。我们说,木塔是中国古代建筑最杰出的代表,既然它是建筑,就有着建筑的属性,结构、材料、受力体系,工艺和做法,艺术表现等等。既然它是建筑,就有空间特性,木塔中部的佛坛、周边的回路,提供了神和人的不同需求。我们也可以从结构体系中感受力的传递,如木塔的梁架、斗拱的清晰脉络。只有这些才能体现木塔的价值。如果塔的原有空间被侵占、结构体系不被认同,那么作为建筑的价值又何在?张锦秋院士在讨论时就曾经一语中的指出,“木塔应该是一个活的建筑结构有机体,而不是一个没有生命的标本”。看起来木塔保护的“全支撑方案”,很难满足上述两方面的要求,或者说会顾此失彼。那么,从技术角度看全支撑有多少可能性?首先,要设置一个独立悬挑的钢结构框架,支点在哪里呢?放在塔内,只有内外两槽的空间,内槽均为佛坛,无处立足,外槽可利用一些空间,但也要穿透上部各层楼地板,要知道木塔由斗拱梁枋编织的网很密,可以穿插的空间十分有限。而且穿插过程损坏势在难免。即使找到了空隙,落脚于何处?木塔底层是两圈很厚的土墙,勉强放在地上,如何扎根？(实际上,方案中钢框架柱很多都插在墙上,而大家知道这墙是万万动不得的)即使扎了根,不可预测的荷载对基台的扰动也许会根本上破坏木塔的稳定性。全支撑方案的更大难点在于如何支撑,这一点原方案中没有全面展开,在这里也就不去胡乱猜想,免得南辕北辙。综上所述,“全支撑方案”从一些方面有着积极的意义,但从另一个角度,则显得不够成熟和全面,甚至是不可行的。3.3升降方案的确定如果说“落架大修”与“全支撑”代表了文物保护的两个极端倾向,有没有中间道路可走?答案是肯定的,在大落架与全支撑之间有很多的选择,其中以葛修润院士和太原工学院为代表提出的上部抬升,下部大修的方案具有一定的典型性。应县木塔虽然主体结构为木构架,但底层在内外槽柱之间加固了土坯墙,墙厚将近1m,这样使得底层的结构刚性大大增强。二层以上均为木构架,这样,突变就发生在二层。木塔的荷载在通常情况下,以自重为主,因此下层总比上层负重要大,二层因而成为受力最大的持力层。现状情况是二层的木构件残毁最严重。倾斜、开裂、变形均超过其他层。也成为木塔亟需进行维修的部位。相对来说,三层较二层要好一些,尽管也有倾斜,但更多的是因为受二层变化的影响。四、五两层则基本完好。构件形态及其结构受力特征都较完好,因此基本不需维修。底层问题较轻,三层以上可以不顾。二层则需较大动作的修缮。于是乎,如何维修二层而维持其余不动,成为了一种选择。将木塔不需维修的上面几层统一原状抬起与二层脱开,对二层进行局部落架维修,然后再将上面几层放回维修后的部分,就是抬升方案的主要内容。这种方法的优势是显而易见的,它可以使落架的损失减少到最大,可以对二层的结构和材料病害进行较彻底的根治。抬升的方法从原理上说也是可行的,当时提出的就有两种设想,其一是提升,即搭设空间支架,既可覆罩全塔,又可提供提升木塔上层的架构。另外一种是于塔下建设支架,通过支顶的方式将上部顶起,葛修润院士称其为“灶台式”,顾名思义,就像将支架与