书城科普读物探究式科普丛书-天堑变通途:桥
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第1章 天堑地壑变通途——桥的介绍(1)

李白的《蜀道难》中描述蜀道之险恶陡峭有“地崩山摧壮士死,然后天梯石栈相钩连”,引用了一个典故,映衬蜀道的险峻陡立。

然后是上有回日高标,下有逆折之回川,黄鹤都飞不过,猿猱欲度愁攀缘。古蜀道几乎相当于横崖绝壁,但后人却能打通蜀道,渡之安然,原因是修建了连通蜀道的桥。这便是桥的作用和魅力——使天堑地壑变为通途。

第一节人类行走的奇想——认识篇

1.桥的基本概念

众所周知,桥是架在水道或者空中利于交通的一种人工建筑物。

它由上下两部分结构组成。上部结构包括桥身和桥面,下部结构包括桥墩、桥台和基础。

它们高悬低卧,形态万千,有的雄踞山峦野岭,古朴雅致;有的跨越岩壑溪间,相映生辉;有的坐落闹市通衢,造型奇巧独特;有的别致新颖,巧夺天工。可谓五花八门,姿态万千。但桥是为人类服务的,它的诞生也决定了它的价值和用途。生活中,桥总是默默无闻地为行人车马跨江过河飞津济渡,无论雨打风吹、严寒酷暑,它毅然支持着那段路面。建桥最主要的目的就是为了解决跨水或者越谷的交通,以便于运输工具或行人在桥上畅通无阻。若从其最早或者最主要的功用来说,桥应该是专指跨水行空修建的“道路”。故《说文解字》段玉裁对桥的注释为:“梁之字,用木跨水,今之桥也。”说明桥的最初含义是指架木于水面上的通道,以后又引申为架于悬崖峭壁上的“栈道”和架于楼阁宫殿间的“飞阁”等天桥的形式。现代的桥又在城市交通中发挥着重要作用,平地起桥(立交桥),贯通东西南北,不仅有助于缓解交通堵塞,还成为现代化城市一道亮丽的风景线。

2.我国桥的特点

由于中国地形复杂多变,且江河水系发达,因此中国从古代便与桥结缘,许多古诗词中都有记载,“长虹卧波”缘于杜牧的《阿房宫赋》,“洛水桥边青日斜”来自刘禹锡的《浪淘沙》,可见中国的桥是自古就有渊源的。

中国山川众多、江河纵横,是个桥梁大国,无论是建桥历史、建桥技术,还是桥梁数量都处于世界领先地位。从赵州桥到南京长江大桥、千百年来,桥梁早已成为人们社会生活中不可缺少的组成部分。但由于我国幅员辽阔,从南到北,从东到西,在地理气候、文化习俗以及社会生产力发展水平上都存在较大的差异。因此,桥梁的建造基础结构形态、价值用途各有不同。具体说来大致有如下特点:

(1)地域性

我国土地广袤,南北之间和东西之间的桥梁受所在自然地理和人文社会的影响,因地制宜,都形成了各自相对独立的风格和特色。

如北方中原地区,黄河流域,地势较为平坦,河流水域较少,人们运输物资多依赖骡马大车或手推板车。因此,这里的桥梁多为宽坦雄伟的石拱桥和石梁桥;西北和西南地区,山高水急、谷深崖陡,难以砌筑桥墩,因此,多采用藤条、竹索、圆木等山区材料建造绳索吊桥或伸臂式木梁桥;岭南闽粤沿海地区,盛产质地坚硬的花岗岩石,所以石桥比比皆是;而云南少数民族地区,因竹材丰富,便到处可见别具一格的各式竹材桥梁。从桥梁的风格上看,北方的桥如同北方的人,显得粗犷朴实;南方的桥也同南方的人,显得灵巧轻盈。当然,这跟自然地理也有极大关系,如北方的河流因水流量起伏变化很大,又有山洪冰块冲击,故桥梁必须厚实稳重;而南方河流水势则较平缓,便于通航,故桥梁相对较纤细秀丽。

(2)多样性

我国历史悠久,地大物博,山河奇秀,南北地质地貌差异较大,因此对建桥的技术要求也高。

大约在汉代时,桥梁的四种基本桥型:

梁桥、浮桥、索桥、拱桥便已全部诞生了。这四种桥根据其建筑材料和构造形式的不同,又分别演化出:木桥、石桥、砖桥、竹桥、盐桥、冰桥、藤桥、铁桥、苇桥、石柱桥、石墩桥、漫水桥、伸臂式桥、廊桥、风雨桥、竹板桥、石板桥、开合式桥、溜索桥、三边形拱桥、尖拱桥、圆拱桥、连拱桥、实腹拱桥、坦拱桥、徒拱桥、虹桥、渠道桥、曲桥、纤道桥、十字桥,以及栈道、飞阁等,可谓五花八门,应有尽有。我国几乎是桥的集大成者,中国的桥如同桥梁种类的博物馆。

(3)多功能性

我国古代的工匠师建桥时很注意发挥桥梁的最大作用,既能考虑到因地制宜、耐久实用,又能考虑使桥梁尽量起到多功能的作用。如江南的拱桥多为两头平坦,中间高拱隆起,使之既产生造型上的弧线美,又利于行舟。而南方地区常见的廊式桥则更充分反映了一桥多用的特点。南方雨水多、日照强,工匠便在桥上修建廊屋,这不仅为过往行人提供了躲避风雨日照、便于歇息的场所,而且还增加了桥梁的自重,以免洪水把桥冲掉,同时起到保护木梁、铁索不受风雨腐蚀的作用。此类廊桥,因是人员过往要冲,故还利用它兼作集市、住宿和进行各种商业活动。如广东潮安县的湘子桥,素有“一里长桥一里市”之称,桥中设一段可以开合的浮桥,以利通航;桥上建廊屋、楼后作为集市,其间店面栉比,自晨至暮,车水马龙,热闹非凡,以至于不闻不见咆哮的潮水和宽阔的江面,故民间流传有“到了湘桥问湘桥”的笑话。可见,中国古代桥梁的设计模式,功能性占主要因素,桥的建造即决定其用途,使其最大限度地为人类所用。

(4)群众公益性

桥梁自产生开始,便以属于民众共有的社会性出现。我国的传统建筑一般为私有,唯有桥梁,不管是官修的还是私建的,都为大众所共有。桥的建造是为人民服务的,有利于人们的日常交通生活,具有公益性。数千年来,爱桥护桥成为一种良好风尚,而“修桥铺路”则是造福大众的慈善行为,为民众所推崇。因此,修桥或建桥具有广泛的群众性。查看史志,我国历来修桥建桥的方式大概有四种:一是民建,即由一家一姓独立建桥;二是募捐集资,报请官府审批,协力兴建;三是官倡民修,由地方官倡导,士绅募捐,并指派官吏或商绅主持完成,这类桥多属较大的桥梁;四是全由官府拨款施工兴建的。所以,我国古桥遍布各地,连穷乡僻壤也建有许多桥。其数量之多、分布之广,居世界首位。

以上四点便是我国古桥的基本特点,是由桥本身的属性所决定的,正是这些特点使桥更具利用价值和存在意义。

3.桥的产生与发展

由于地球表面特殊的地貌,例如沟壑、悬崖、江河、裂谷等,而人类的行走只限于平地,不能像鸟类那样腾飞,因此在开发和改造大自然过程中必须有一种物质出现,使人类能够渡越江河、壑沟等,因此,桥便应运而生,随着生产力的发展而不断改变。

人类发明桥梁经历了一个漫长的过程:在人建造桥梁之前,自然界由于地壳运动或其他自然现象的影响形成了不少天然的桥梁形式。如浙江天台山横跨瀑布上的石梁桥、江西贵溪因自然侵蚀而成的石拱桥(仙人桥)以及小河边因自然倒下的树干而形成的“独木桥”,或两岸藤萝纠结在一起而构成的天生“悬索桥”等。人类从这些天然桥中得到启示,便在生产生活过程中不断效仿大自然。开始时利用一根木料架在小河上,或在氏族聚居群周围的壕沟上搭起一些独木桥,或在窄而浅的溪流中用石块垫起一个接一个略高出水面的石蹬,构成一种简陋的“跳墩子”石梁桥。

这些“独木桥”、“跳墩子”石梁桥便是人类建筑的最原始的桥梁。

以后随着社会生产力的发展,不断由低级演化为高级,才逐渐产生各种各样的跨空桥。

我国的桥大致经历了四个发展阶段:第一阶段以西周、春秋为主,包括此前的历史时代,这是古桥的创始时期。此时的桥除原始的独木桥和汀步桥外,主要有梁桥和浮桥两种形式。当时由于生产力水平落后,多数只能建在地势平坦、河身不宽、水流平缓的地段,桥也只能是些木梁式小桥,技术问题较易解决。而在水面较宽、水流较急的河道上则多采用浮桥。这是桥的最原始、最初级的阶段,其构造简单,技术含量较低。

第二阶段以秦、汉为主,包括战国和三国时期,是古代桥梁的创建发展时期。秦汉是我国建筑史上一个璀璨夺目的发展阶段,这时不仅发明了人造建筑材料的砖,而且创造了以砖石结构体系为主体的拱券结构,为后来拱桥的出现创造了先决条件。战国时期铁器的出现促进了建筑方面对石料的多方面利用,从而使桥梁在原木结构桥梁的基础上增添了石柱、石梁、石桥面等新构件。古拱桥的创建,在中国古代建桥史上无论是实用方面,还是经济、美观方面都起到了划时代的作用。石梁石拱桥的诞生,不仅减少了维修费用、延长了桥的使用时间,还提高了结构理论和施工技术的科学水平。因此,秦汉建筑石料的使用和拱券技术的出现实际上是桥梁建筑史上的一次重大革命。从一些文献和考古资料来看,大约在东汉时期,梁桥、浮桥、索桥和拱桥这四大基本桥型已全部形成。由于生产力的发展和进步,使桥梁的建设和设计有了很大的革新和改善,桥的技术含量逐步提高,从而更利于人类的生活使用。

第三阶段以唐宋为主,两晋、南北朝和隋唐、五代为辅的时期,这是古代桥梁发展的鼎盛时期。隋唐时期国力较之秦汉更为强盛,唐宋两代又取得了较长时间的安定统一,工商业、运输交通业以及科学技术水平等十分发达,是当时世界上最先进的国家。东晋以后,由于大量汉人贵族官宦南迁,经济中心自黄河流域移往长江流域,使东南水网地区的经济得到大发展,经济和技术的大发展又反过来刺激桥梁的大发展。

因此,这时创造出许多举世瞩目的桥梁,如隋代石匠李春首创的敞肩式石拱桥-赵州桥,北宋“牢城废卒”发明的叠梁式木拱桥-虹桥,南宋的石梁桥与开合式浮桥相结合的广东潮州的湘子桥等。

这些桥在世界桥梁史上都享有盛誉,尤其是赵州桥,类似的桥在世界其他国家和地区晚了7个世纪才出现。纵观中国桥梁史,几乎所有的重大发明和成就以及能称世界第一的桥梁都是这一时期创建的。封建社会发达时期,拱桥的类型和创建技术不断拓展和革新,使桥类更加灵巧、齐备、耐用、美观,封建社会的繁华也造就了桥梁的发展和辉煌。

第四阶段为元、明、清三朝,这是桥梁发展的饱和期,几乎没有什么大的创造和技术突破。这个时期的主要成就是对一些古桥进行了修缮和改造,并留下了许多修建桥梁的施工说明文献,为后人提供了大量文献资料,例如明代的《天工开物》。此外,也建造完成了一些艰巨工程,如明代江西南城的万年桥、贵州的盘江桥等。

同时,在川滇地区还兴建了不少索桥,索桥建造技术也有所提高。

到清末,即1881年,随着我国第一条铁路的通车,迎来了我国桥梁史上的又一次技术大革命。当时封建社会已濒临灭亡,由于它腐朽,其生产关系不适应生产力的发展,落后的生产关系也阻碍了中国桥梁的发展。

4.桥的类型与形式

桥在构造方面可谓形态万千、复杂繁多,其分类方法众多,基本上可依据结构、外观、用途、属性等几方面划分,为了便于了解和记忆,从单方面分类即可。

桥按结构及外观分为梁桥、浮桥、索桥和拱桥四种基本类型。

(1)梁桥

又称平桥、跨空梁桥,是以桥墩做水平距离承托,然后架梁并平铺桥面的桥。这是应用最为普遍的一种桥,在历史上也比其他桥型出现得早。它有木、石或木石混合等形式。先秦时梁桥都是用木柱做桥墩,但木柱、木梁腐烂较快,且承重能力有限,弱点较多,不能适应形势的发展。因此,取而代之的是石柱木梁桥,如秦汉时建成的多跨长桥:渭桥、灞桥等。约在汉代时桩基技术发明,于是出现了石桥墩,标志着木石组合的桥梁能够跨越较宽大的河道,能经受住惊涛骇浪的冲击。由于石墩上的木梁不耐风雨侵蚀,于是便在桥上建起了桥屋以保护桥身,此桥型(廊桥)后多见于南方,最早见于黄河流域。中小型的石梁或石板桥构造方便,材料耐久,维修省力,是民间最喜爱的一种桥形。梁桥中间无桥墩者,称单跨梁桥;若水中有一桥墩,使桥身形成两孔者,便称双跨梁桥;若有两墩以上,便称多跨梁桥。

(2)浮桥

又称舟桥、浮航、浮桁,因其架设便易,常用于军事目的,故也称“战桥”-一种用数百艘木船连接起来并列于水面,船上铺木板供人马往来通行的桥。在《三国演义》中的“赤壁之战”中,曹军因是北方军队,不习水性,便用万艘木船连锁成桥。若严格意义上的桥是以跨空和有柱墩为标志的话,那它还不是实际意义上的桥。浮桥主要建于河面过宽及河水过深或涨落起伏大的地方,非一般木石柱梁桥所能做到。浮桥两岸多设柱桩或铁牛、铁山、石柱、石狮等以系缆。隋炀帝大业元年(公元605年)在洛阳洛水上建成的天津桥是第一次用铁链连接船只的浮桥。浮桥目前在我国南方如江西、浙江、广西等地方仍常见使用,较适合于南方的地形和地貌,应用方便,结构较为简单。