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第41章 石拱桥的教科书:赵州桥

李春是隋代的一位普通工匠,由于史书缺乏记载,他的生平、籍贯及生卒年月已无法得知。唐代中书令张嘉贞为赵州桥所写的“铭文”中有:“赵郡洨河石桥,隋匠李春之迹也,制造奇特,人不知其所以为。”我们方知道是李春建造了这座有名的大石桥——赵州桥。

赵州桥是安济桥的俗称,它位于今河北省赵县城南五里的洨河上,横跨洨河南北两岸,是中国现存最早的大型石拱桥,也是世界上现存最古老、跨度最长的敞肩圆弧拱桥。大桥全长64.40米,拱顶宽9米,主孔径跨度为37.02米。全桥全部用石块建成,共用石块1000多块,每块石重达1吨,桥上装有精美的石雕栏杆,雄伟壮丽、灵巧精美。它以首创的敞肩拱结构形式、精美的建筑艺术和施工技巧等杰出成就,在中外桥梁史上令人瞩目,充分代表了中国古代劳动人民在桥梁建造方面的丰富经验和高度智慧。

赵州桥建于隋代。隋朝统一中国后,结束了长期以来南北分裂、兵戈相见的局面,促进了社会经济的发展。当时的赵县是南北交通必经之路,从这里北上可抵重镇涿郡(今河北涿州市),南下可达京都洛阳,交通十分繁忙。可是这一交通要道却被城外的洨河所阻断,影响了人们来往,每当洪水季节甚至不能通行,为此隋大业元年(公元605年)决定在洨河上建设一座大型石桥以结束长期以来交通不便的状况。李春受命负责设计和大桥的施工。李春率领其他工匠一起来到这里,对洨河及两岸地质等情况进行了实地考察,同时认真总结了前人的建桥经验,结合实际情况提出了独具匠心的设计方案,按照设计方案精心细致施工,很快就出色地完成了建桥任务。李春他们在设计和施工中创下许多技术成就,把中国古代建筑技术提高到一个全新的水平。

当时的人们还创造了传说故事来,纪念造桥的能工巧匠。相传赵州桥是鲁班所造,一天张果老带着柴荣经过这座石桥,谁知张果老带着装有太阳和月亮的褡裢,柴荣推着载有五岳名山的小车,竟压得桥摇晃起来,鲁班急忙跳进水中,用手撑住大桥,拱圈上便留下了他的掌印,桥面上也因此留下了驴蹄印、车道沟等痕迹。这些痕迹其实更多地展现出赵州桥是当时重要的交通要道,每日一番车水马龙的景象。

赵州桥的敞肩圆弧拱形式是中国劳动人民的一大创造,西方在14世纪才出现敞肩圆弧石拱桥,比中国晚了600多年。英国著名中国科学技术史专家李约瑟博士在其巨著《中国科学技术史》中曾经列举了26项从1世纪到18世纪先后由中国传到欧洲和其他地区的科学技术成果,其中的一项就是弧形拱桥。赵州桥建成后成为中国北南交通的要冲,有“坦途箭直千人过,驿使驰驱万国通”的美誉。舟船在桥下航行,人马车辆从桥上驶过,大大方便了交通运输和人民生活,为洨河两岸人员来往提供了便利条件。

李春根据自己多年丰富的实践经验,经过严格周密勘查、比较,选择了洨河两岸较为平直的地方建桥。这里的地层是由河水冲积而成,地层表面是久经水流冲刷的粗砂层,以下是细石、粗石、细砂和黏土层。根据现代测算,这里的地层每平方厘米能够承受4.5到6.6公斤的压力,而赵州桥对地面的压力为每5—6平方厘米/公斤,能够满足大桥的要求。选定桥址后在上面建造地基和桥台。自建桥到现在,桥基仅下沉了5厘米,说明这里的地层非常适合建桥。

在石材方面,李春就地取材,选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料。中国习惯上把弧形的桥洞、门洞之类的建筑叫做“券”。他在石拱砌置方法上,均采用了纵向(顺桥方向)砌置方法,就是整个大桥是由28道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成;拱厚皆为1.03米,每券各自独立、单独操作,相当灵活。每券砌完全合拢后就成一道独立拼券砌完一道拱券,移动承担重量的“鹰架”,再砌另一道相邻拱。这种砌法有很多优点,它既可以节省制作“鹰架”所用的木材,便于移动,同时又利于桥的维修,一道拱券的石块损坏了,只要嵌入新石,进行局部修整就行了,而不必对整个桥进行调整。

赵州桥的拱用于跨度比较小的桥梁比较合适,而大跨度的桥梁选用半圆形拱,就会使拱顶很高。一是造成桥高坡陡、车马行人过桥非常不便。二是施工不利,半圆形拱石砌石用的脚手架就会很高,增加施工的危险性。为此,李春和工匠们一起创造性地采用了圆弧拱形式,使石拱高度大大降低。赵州桥的主孔径跨度为37.02米,而拱高只有7.23米,拱高和跨度之比为1∶5左右,这样就实现了低桥面和大跨度的双重目的,桥面过渡平稳,车辆行人非常方便,而且还具有用料省、施工方便等优点。当然圆弧形拱对两端桥基的推力相应增大,需要对桥基的施工提出更高的要求。

采用敞肩是李春对拱肩进行的重大改进,把以往桥梁建筑中采用的实肩拱改为敞肩拱,即在大拱两端各设两个小拱,靠近大拱脚的小拱净跨为3.8米,另一拱的净跨为2.8米。这种大拱加小拱的敞肩拱具有优异的技术性能。第一,可以增加泄洪能力,减轻洪水季节由于水量增加而产生的洪水对桥的冲击力。古代洨河每逢汛期,水势较大,对桥的泄洪能力是个考验,四个小拱就可以分担部分洪流,大大降低洪水对大桥的影响,提高大桥的安全性。第二,敞肩拱比实肩拱可节省大量土石材料,减轻桥身的自重。据计算四个小拱可以节省石料26立方米,减轻自身重量700吨,从而减少桥身对桥台和桥基的垂直压力和水平推力,增加桥梁的稳固。第三,增加了造型的优美,四个小拱均衡对称,大拱与小拱构成一幅完整的图画,显得更加轻巧秀丽,体现建筑和艺术的完整统一。第四,符合结构力学理论,敞肩拱式结构在承载时使桥梁处于有利的状况,可减少主拱圈的变形,提高了桥梁的承载力和稳定性。

中国古代的传统建筑方法,一般比较长的桥梁往往采用多孔形式,这样每孔的跨度小、坡度平缓,便于修建。但是多孔桥也有缺点,如桥墩多,既不利于舟船航行,也妨碍洪水宣泄;桥墩长期受水流冲击、侵蚀,天长日久容易塌毁。因此,李春在设计大桥的时候,采取了单孔长跨的形式,河心不立桥墩,使石拱跨径长达37米之多。这是中国桥梁史上的空前创举。

赵州桥建于公元605年距今1400多年,经历了10次水灾、8次战乱和多次地震,特别是公元1966年3月8日邢台发生7.6级地震,赵州桥距离震中只有40多公里,都没有被破坏,著名桥梁专家茅以升说,先不管桥的内部结构,仅就它能够存在1400多年就说明了一切。公元1963年的水灾大水淹到桥拱的龙嘴处,据当地的老人说,站在桥上都能感觉桥身很大的晃动。据记载,赵州桥自建成至今共修缮9次。

新中国成立以后,赵州桥被列为全国重点文物保护单位,有关部门对这一古代大桥进行了彻底维修,以保持其辉煌的历史地位。赵州桥已成为中国人民聪明智慧的象征和进行爱国主义、历史主义教育的场所。赵州桥的建成在中国桥梁史上具有重要影响,它的大跨度、圆弧拱、敞肩形式为以后的桥梁建设开创了新的天地。隋代以后,出现了许多与赵州桥相类似的大型拱桥,已经发现的就有十几座,如山西崞县的普济桥、晋城的景德桥、河北赵县的永通桥、济美桥等。赵州桥已经成为中国桥梁建设的典范。

然而像赵州桥这样突出的技术成就和像李春这样杰出的桥梁专家,在封建社会中并不为封建统治者所重视,甚至在史书中也没有留下多少痕迹,我们除了知道隋朝工匠李春设计建造了这座举世闻名的大桥外,其他却一无所知,不能不说是一个很大的遗憾。但是即使如此,我们仍然坚信:李春作为一代桥梁专家和赵州桥作为一座历史名桥将永载史册,为后人所牢记。

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