[科普中國]-為什么巴黎圣母院抵御不了大火？“石皮木心”結(jié)構(gòu)成軟肋

2019年4月15日，當(dāng)?shù)貢r間傍晚18時50分，一場大火降臨了擁有850多年歷史的巴黎圣母院。短短幾個小時，這座見證了法國歷史上諸多重大事件的古老教堂，已經(jīng)面目全非。幸運的是，圣母院標(biāo)志性的雙塔結(jié)構(gòu)、祭壇、十字架和荊棘王冠等一些珍貴的歷史文物得以留存下來。所幸此前，由建筑與藝術(shù)史專家安德魯·塔隆主持，對這座建筑進行了高精度激光掃描和計算機建模，為圣母院的重建帶來了希望。為什么看起來堅固石造建筑的巴黎圣母院，幾乎葬身于難以撲滅的烈焰，而主體結(jié)構(gòu)又得以幸存？我們不妨走進它的內(nèi)部，來解開這個謎團。精心打造的巴黎“地標(biāo)”塞納河從法國首都巴黎穿城而過，河中央的西岱島是這座城市的源頭和中心，也是巴黎圣母院的所在。1710年出土的一根羅馬帝國時期的石柱告訴我們，圣母院使用的地塊，曾是當(dāng)?shù)厝朔铎肓_馬神話主神朱庇特的廟宇。隨著基督教在羅馬帝國境內(nèi)傳播，古老的神廟也被改建成了最早的教堂。而后，教堂幾次被毀，又被人們重建。公元9世紀(jì)末，在圍攻巴黎的維京人被擊敗之后，西岱島上建起了羅曼式風(fēng)格的新教堂。所謂“羅曼式”，便是模仿羅馬帝國時期的建筑風(fēng)格，利用殘存的建筑學(xué)知識甚至當(dāng)年留存下來的建筑材料，修建有厚實墻體和墩柱的石造建筑。但隨著巴黎的發(fā)展和人口數(shù)量的增加，這座教堂逐漸變得擁擠不堪。因此在1160年，巴黎主教莫里斯·德·蘇利決定在原址建造一座更大的教堂，這便是巴黎圣母院漫長歷史的起點。此時，在巴黎北面的圣德尼（Saint-Denis），1144年竣工的大教堂已經(jīng)憑借全新的建筑風(fēng)格，成為令人印象深刻的地標(biāo)建筑。因為使用了尖拱門，圣德尼大教堂顯得高聳削瘦，再配上色彩斑斕的玻璃畫，就成功地傳遞出威嚴(yán)的感覺。這種被后世稱為“哥特式”的建筑風(fēng)格，引起了德·蘇利的注意。他決定讓新的教堂也采用這種建筑風(fēng)格，并且規(guī)模要更大，足以宣示巴黎的地位。原有的羅曼式教堂則會被拆除，為新教堂提供石料。1163年春天，巴黎圣母院奠下了基石。此后，經(jīng)過幾代優(yōu)秀的建筑設(shè)計師和石匠、玻璃工匠、雕刻師持續(xù)100多年的接力努力，這座巨大的教堂終于在1345年竣工。它的鐘塔高達69米，尖頂（flèche）則超過了90米，這使它成為巴黎最高的建筑物，直到1889年埃菲爾鐵塔竣工。藝術(shù)與智慧的“結(jié)晶”不過，圣母院最終呈獻給世人的樣子，相比最初的施工方案已經(jīng)有所不同。在13世紀(jì)和14世紀(jì)，建筑師們設(shè)計了復(fù)雜的飛扶壁（arc-boutant）體系，而且進行過一次優(yōu)化，同時設(shè)法減輕拱頂?shù)馁|(zhì)量，使高大的外墻可以建造得更??；卸下大部分承重職責(zé)的外墻，則為圣母院引入另一項引人注目的設(shè)計——標(biāo)志性的玫瑰花窗提供了可能。在人類尚不能制造大塊玻璃的年代，這些精致的玻璃畫是由工匠用不同顏色的素材拼接而成的。它們不僅能改善圣母院里的采光，并且營造出令人驚嘆的光影，也和形形色色的雕像一道，成為不識字的人們也能讀懂的“窮人之書”，幫助他們理解《圣經(jīng)》中的場景和故事。也正是這樣的設(shè)計，決定了圣母院的建筑結(jié)構(gòu)其實很脆弱。當(dāng)圣母院發(fā)生火災(zāi)的時候，美國總統(tǒng)唐納德·特朗普立刻通過自媒體“支招”，建議巴黎出動消防直升機來滅火。然而，他的想法只能是一廂情愿，因為如果真的這么做，傾瀉而下的“水彈”足以擊碎這座精致的建筑。“木心”結(jié)構(gòu)成弱點只看過照片而沒有實地探訪的人，很容易誤認(rèn)為巴黎圣母院只包括那兩座標(biāo)志性的鐘塔。但事實上，那只是它的西立面；整個教堂實際上是一座規(guī)模相當(dāng)巨大的建筑。如果從空中俯視，我們會發(fā)現(xiàn)它大體呈現(xiàn)出十字架的形狀。人們從西立面的入口進入教堂，來到中廳，也就是“十字架”長梁中位于交點下面的那一部分?！笆旨堋钡亩塘簝啥耍謩e是兩扇最大的玫瑰花窗；而長短兩條梁的交點，便是這次火災(zāi)中被燒毀的尖頂。為了最大限度減少外墻承受的質(zhì)量，圣母院的屋頂實際上是雙層結(jié)構(gòu)。在用石材搭建的拱頂之上，屋頂并非也由石材建造，而是用橡木搭建起昵稱為“森林”的屋頂框架，再蒙以鉛皮來隔開雨水。以圣母院的體量，組成屋頂框架的每一根粗大木材，都曾是一棵橡樹的樹干。因此，“森林”的昵稱既是形容屋頂上如同森林一樣錯綜復(fù)雜的木結(jié)構(gòu)，也暗指當(dāng)年的人們曾經(jīng)為建造這樣一個屋頂，砍伐了一整片森林。簡而言之，圣母院的屋頂，也就是這次火災(zāi)中遭受重創(chuàng)的部分，遠沒有外表顯現(xiàn)出來的那么堅固，因為它的里面其實充滿了易燃的木材。至于立在屋頂中央的尖頂，其實也是“石皮木心”。它的外表是精心雕飾的磚石，頂部蒙有金屬，中間起到支撐作用的結(jié)構(gòu)卻是用木材搭建。因此，當(dāng)大火從尖頂燃起來的時候，很快就燒毀了內(nèi)部的木結(jié)構(gòu)，令失去支撐的尖頂轟然倒塌。緊接著，火勢沿著與尖頂相連的屋頂“森林”，朝4個方向迅速蔓延。絕妙的“雙層屋頂”設(shè)計不過，面對突如其來的火災(zāi)，也正是雙層屋頂?shù)脑O(shè)計，挽救了圣母院的主體結(jié)構(gòu)。失火的木材很難燒穿石質(zhì)的拱頂，只會在上面燃燒殆盡。因此，只要拱頂在救火過程中不被破壞，那么圣母院雖然會失去屋頂，但內(nèi)部基本不會有明火，熔化的鉛也很難進入建筑內(nèi)部。它的主體結(jié)構(gòu)和里面保存的文物，以及安裝在拱頂以下位置的花窗玻璃，仍然有可能幸存。不過，隨著烈火逐漸燒向鐘塔所在的西立面，它找到了一個有可能擊垮圣母院的“突破口”，因為鐘塔的結(jié)構(gòu)也是用木材來支撐的。如果鐘塔垮塌，那些巨大而沉重的鐘就會掉落下來，拖垮這個最為著名的立面，甚至引起更大范圍的傾頹，無疑會大大增加后續(xù)修復(fù)圣母院的難度。幸運的是，消防隊員們盡全力阻止了大火蔓延到鐘塔的火趨，保住了里面可以追溯到13世紀(jì)圣母院初建之時的木結(jié)構(gòu)，也保住了重建的希望。飽經(jīng)風(fēng)霜的圣母院，法國歷史的“見證者”從建成至今，巴黎圣母院見證了法國歷史上的諸多重大事件，比如羅馬教廷為圣女貞德平反、拿破侖·波拿巴稱帝的加冕禮、宣告兩次世界大戰(zhàn)結(jié)束的“和平鐘聲”，以及夏爾·戴高樂、弗朗索瓦·密特朗等法國前總統(tǒng)的國葬。法國歷史上的政治動蕩，也在圣母院留下了印記。1789年爆發(fā)的法國大革命和隨后的一系列政變，以及持續(xù)到1815年的拿破侖戰(zhàn)爭，就曾使圣母院幾乎走到徹底廢棄的邊緣。在法國大革命期間，反對羅馬天主教的革命政府試圖建立一種全新的無神論信仰，稱為“理性崇拜”（Culte de la Raison）。馬克西米連·德·羅伯斯庇爾的雅各賓派執(zhí)政之后，他又引入了既非羅馬天主教又非無神論的“至高崇拜”（Culte de l'?tre suprême），信仰造物主的存在和靈魂的不朽，并崇尚源于古希臘時期的公共美德，以期將社會導(dǎo)向自由和民主。在法國社會改變信仰的過程中，巴黎圣母院也受到了嚴(yán)重的破壞，很多文物損毀或是失竊，位于西立面上的《圣經(jīng)》中猶太國王的雕像，也被誤認(rèn)為是法國歷任國王的雕像，遭到“斬首”的命運。1799年，拿破侖通過“霧月政變”執(zhí)掌法國政權(quán)后，在1801年將巴黎圣母院恢復(fù)為教堂。不過，盡管他將這里選作加冕禮的會場，但連年戰(zhàn)亂使法國很難有資金對圣母院進行維修。當(dāng)拿破侖在滑鐵盧戰(zhàn)役中被擊敗，第二次退位并被流放到圣赫勒拿島的時候，圣母院已經(jīng)成了一座半是教堂、半是廢墟的“危房”。轉(zhuǎn)機發(fā)生在1831年。時年僅29歲的維克多·雨果，在這一年出版了他的代表作《巴黎圣母院》，回望這座建筑承載的歷史，以及法國歷史上曾經(jīng)的輝煌時代。這部小說在社會上引起了轟動，也讓人們關(guān)注圣母院的狀況，并且紛紛自發(fā)捐款，請愿修繕這座見證了法國歷史的建筑物。1844年，根據(jù)法國國王路易·菲利普一世的命令，兩位年輕的建筑師讓-巴蒂斯特·拉敘斯和歐仁·維歐勒-勒-杜克著手修復(fù)巴黎圣母院。法國最優(yōu)秀的石匠、玻璃工匠和雕刻師再次被召集起來，重新制作圣母院應(yīng)有的裝飾，設(shè)法替換衰朽的建筑構(gòu)件，并且用一個更為華麗的新尖頂，也就是這次火災(zāi)中被燒毀的尖頂，取代了1786年損毀的舊尖頂?shù)膹U墟。經(jīng)過25年的艱苦勞動，巴黎圣母院終獲新生。當(dāng)時間進入現(xiàn)代社會，環(huán)境污染對巖石材料的損害，以及維護資金不足等問題，都在困擾著巴黎圣母院。在這次火災(zāi)發(fā)生之前，它已經(jīng)有過很多次石材崩落的事故，建筑結(jié)構(gòu)也因為缺乏維護出現(xiàn)了缺陷。幸運的是，人們已經(jīng)運用信息時代的技術(shù)，為這座建筑搭建了精度極高的數(shù)字模型。新技術(shù)的加盟是否會讓遭逢災(zāi)難的巴黎圣母院劫后重生呢？據(jù)法國當(dāng)?shù)仉娨曋鞒秩嗽诂F(xiàn)場直播中表示，預(yù)計圣母院重修至少需要8-10年時間，在此期間不會對外開放。也就是說，在今后十年內(nèi)去巴黎的游客，將無緣感受這座教堂輝煌的藝術(shù)。誰也沒有想象過，沒有巴黎圣母院的巴黎是什么樣的。誰也沒有想到，經(jīng)歷了無數(shù)風(fēng)雨、戰(zhàn)爭和動亂，塞納河環(huán)抱的巴黎圣母院卻在科技發(fā)達的21世紀(jì)毀于大火。通過“巴黎圣母院大火”事件，也反映出文物古跡的脆弱性，如何能更好地保護好文物古跡？歡迎大家各抒己見。作者| 馬之恒 科普作家審稿| 繆倩文 中科院自動化所 模式識別與智能系統(tǒng)學(xué) 博士編輯| 王波文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團隊推出轉(zhuǎn)載請注明來自科普中國