[科普中国]-为什么巴黎圣母院抵御不了大火？“石皮木心”结构成软肋

2019年4月15日，当地时间傍晚18时50分，一场大火降临了拥有850多年历史的巴黎圣母院。短短几个小时，这座见证了法国历史上诸多重大事件的古老教堂，已经面目全非。幸运的是，圣母院标志性的双塔结构、祭坛、十字架和荆棘王冠等一些珍贵的历史文物得以留存下来。所幸此前，由建筑与艺术史专家安德鲁·塔隆主持，对这座建筑进行了高精度激光扫描和计算机建模，为圣母院的重建带来了希望。为什么看起来坚固石造建筑的巴黎圣母院，几乎葬身于难以扑灭的烈焰，而主体结构又得以幸存？我们不妨走进它的内部，来解开这个谜团。精心打造的巴黎“地标”塞纳河从法国首都巴黎穿城而过，河中央的西岱岛是这座城市的源头和中心，也是巴黎圣母院的所在。1710年出土的一根罗马帝国时期的石柱告诉我们，圣母院使用的地块，曾是当地人奉祀罗马神话主神朱庇特的庙宇。随着基督教在罗马帝国境内传播，古老的神庙也被改建成了最早的教堂。而后，教堂几次被毁，又被人们重建。公元9世纪末，在围攻巴黎的维京人被击败之后，西岱岛上建起了罗曼式风格的新教堂。所谓“罗曼式”，便是模仿罗马帝国时期的建筑风格，利用残存的建筑学知识甚至当年留存下来的建筑材料，修建有厚实墙体和墩柱的石造建筑。但随着巴黎的发展和人口数量的增加，这座教堂逐渐变得拥挤不堪。因此在1160年，巴黎主教莫里斯·德·苏利决定在原址建造一座更大的教堂，这便是巴黎圣母院漫长历史的起点。此时，在巴黎北面的圣德尼（Saint-Denis），1144年竣工的大教堂已经凭借全新的建筑风格，成为令人印象深刻的地标建筑。因为使用了尖拱门，圣德尼大教堂显得高耸削瘦，再配上色彩斑斓的玻璃画，就成功地传递出威严的感觉。这种被后世称为“哥特式”的建筑风格，引起了德·苏利的注意。他决定让新的教堂也采用这种建筑风格，并且规模要更大，足以宣示巴黎的地位。原有的罗曼式教堂则会被拆除，为新教堂提供石料。1163年春天，巴黎圣母院奠下了基石。此后，经过几代优秀的建筑设计师和石匠、玻璃工匠、雕刻师持续100多年的接力努力，这座巨大的教堂终于在1345年竣工。它的钟塔高达69米，尖顶（flèche）则超过了90米，这使它成为巴黎最高的建筑物，直到1889年埃菲尔铁塔竣工。艺术与智慧的“结晶”不过，圣母院最终呈献给世人的样子，相比最初的施工方案已经有所不同。在13世纪和14世纪，建筑师们设计了复杂的飞扶壁（arc-boutant）体系，而且进行过一次优化，同时设法减轻拱顶的质量，使高大的外墙可以建造得更薄；卸下大部分承重职责的外墙，则为圣母院引入另一项引人注目的设计——标志性的玫瑰花窗提供了可能。在人类尚不能制造大块玻璃的年代，这些精致的玻璃画是由工匠用不同颜色的素材拼接而成的。它们不仅能改善圣母院里的采光，并且营造出令人惊叹的光影，也和形形色色的雕像一道，成为不识字的人们也能读懂的“穷人之书”，帮助他们理解《圣经》中的场景和故事。也正是这样的设计，决定了圣母院的建筑结构其实很脆弱。当圣母院发生火灾的时候，美国总统唐纳德·特朗普立刻通过自媒体“支招”，建议巴黎出动消防直升机来灭火。然而，他的想法只能是一厢情愿，因为如果真的这么做，倾泻而下的“水弹”足以击碎这座精致的建筑。“木心”结构成弱点只看过照片而没有实地探访的人，很容易误认为巴黎圣母院只包括那两座标志性的钟塔。但事实上，那只是它的西立面；整个教堂实际上是一座规模相当巨大的建筑。如果从空中俯视，我们会发现它大体呈现出十字架的形状。人们从西立面的入口进入教堂，来到中厅，也就是“十字架”长梁中位于交点下面的那一部分。“十字架”的短梁两端，分别是两扇最大的玫瑰花窗；而长短两条梁的交点，便是这次火灾中被烧毁的尖顶。为了最大限度减少外墙承受的质量，圣母院的屋顶实际上是双层结构。在用石材搭建的拱顶之上，屋顶并非也由石材建造，而是用橡木搭建起昵称为“森林”的屋顶框架，再蒙以铅皮来隔开雨水。以圣母院的体量，组成屋顶框架的每一根粗大木材，都曾是一棵橡树的树干。因此，“森林”的昵称既是形容屋顶上如同森林一样错综复杂的木结构，也暗指当年的人们曾经为建造这样一个屋顶，砍伐了一整片森林。简而言之，圣母院的屋顶，也就是这次火灾中遭受重创的部分，远没有外表显现出来的那么坚固，因为它的里面其实充满了易燃的木材。至于立在屋顶中央的尖顶，其实也是“石皮木心”。它的外表是精心雕饰的砖石，顶部蒙有金属，中间起到支撑作用的结构却是用木材搭建。因此，当大火从尖顶燃起来的时候，很快就烧毁了内部的木结构，令失去支撑的尖顶轰然倒塌。紧接着，火势沿着与尖顶相连的屋顶“森林”，朝4个方向迅速蔓延。绝妙的“双层屋顶”设计不过，面对突如其来的火灾，也正是双层屋顶的设计，挽救了圣母院的主体结构。失火的木材很难烧穿石质的拱顶，只会在上面燃烧殆尽。因此，只要拱顶在救火过程中不被破坏，那么圣母院虽然会失去屋顶，但内部基本不会有明火，熔化的铅也很难进入建筑内部。它的主体结构和里面保存的文物，以及安装在拱顶以下位置的花窗玻璃，仍然有可能幸存。不过，随着烈火逐渐烧向钟塔所在的西立面，它找到了一个有可能击垮圣母院的“突破口”，因为钟塔的结构也是用木材来支撑的。如果钟塔垮塌，那些巨大而沉重的钟就会掉落下来，拖垮这个最为著名的立面，甚至引起更大范围的倾颓，无疑会大大增加后续修复圣母院的难度。幸运的是，消防队员们尽全力阻止了大火蔓延到钟塔的火趋，保住了里面可以追溯到13世纪圣母院初建之时的木结构，也保住了重建的希望。饱经风霜的圣母院，法国历史的“见证者”从建成至今，巴黎圣母院见证了法国历史上的诸多重大事件，比如罗马教廷为圣女贞德平反、拿破仑·波拿巴称帝的加冕礼、宣告两次世界大战结束的“和平钟声”，以及夏尔·戴高乐、弗朗索瓦·密特朗等法国前总统的国葬。法国历史上的政治动荡，也在圣母院留下了印记。1789年爆发的法国大革命和随后的一系列政变，以及持续到1815年的拿破仑战争，就曾使圣母院几乎走到彻底废弃的边缘。在法国大革命期间，反对罗马天主教的革命政府试图建立一种全新的无神论信仰，称为“理性崇拜”（Culte de la Raison）。马克西米连·德·罗伯斯庇尔的雅各宾派执政之后，他又引入了既非罗马天主教又非无神论的“至高崇拜”（Culte de l'?tre suprême），信仰造物主的存在和灵魂的不朽，并崇尚源于古希腊时期的公共美德，以期将社会导向自由和民主。在法国社会改变信仰的过程中，巴黎圣母院也受到了严重的破坏，很多文物损毁或是失窃，位于西立面上的《圣经》中犹太国王的雕像，也被误认为是法国历任国王的雕像，遭到“斩首”的命运。1799年，拿破仑通过“雾月政变”执掌法国政权后，在1801年将巴黎圣母院恢复为教堂。不过，尽管他将这里选作加冕礼的会场，但连年战乱使法国很难有资金对圣母院进行维修。当拿破仑在滑铁卢战役中被击败，第二次退位并被流放到圣赫勒拿岛的时候，圣母院已经成了一座半是教堂、半是废墟的“危房”。转机发生在1831年。时年仅29岁的维克多·雨果，在这一年出版了他的代表作《巴黎圣母院》，回望这座建筑承载的历史，以及法国历史上曾经的辉煌时代。这部小说在社会上引起了轰动，也让人们关注圣母院的状况，并且纷纷自发捐款，请愿修缮这座见证了法国历史的建筑物。1844年，根据法国国王路易·菲利普一世的命令，两位年轻的建筑师让-巴蒂斯特·拉叙斯和欧仁·维欧勒-勒-杜克着手修复巴黎圣母院。法国最优秀的石匠、玻璃工匠和雕刻师再次被召集起来，重新制作圣母院应有的装饰，设法替换衰朽的建筑构件，并且用一个更为华丽的新尖顶，也就是这次火灾中被烧毁的尖顶，取代了1786年损毁的旧尖顶的废墟。经过25年的艰苦劳动，巴黎圣母院终获新生。当时间进入现代社会，环境污染对岩石材料的损害，以及维护资金不足等问题，都在困扰着巴黎圣母院。在这次火灾发生之前，它已经有过很多次石材崩落的事故，建筑结构也因为缺乏维护出现了缺陷。幸运的是，人们已经运用信息时代的技术，为这座建筑搭建了精度极高的数字模型。新技术的加盟是否会让遭逢灾难的巴黎圣母院劫后重生呢？据法国当地电视主持人在现场直播中表示，预计圣母院重修至少需要8-10年时间，在此期间不会对外开放。也就是说，在今后十年内去巴黎的游客，将无缘感受这座教堂辉煌的艺术。谁也没有想象过，没有巴黎圣母院的巴黎是什么样的。谁也没有想到，经历了无数风雨、战争和动乱，塞纳河环抱的巴黎圣母院却在科技发达的21世纪毁于大火。通过“巴黎圣母院大火”事件，也反映出文物古迹的脆弱性，如何能更好地保护好文物古迹？欢迎大家各抒己见。作者| 马之恒 科普作家审稿| 繆倩文 中科院自动化所 模式识别与智能系统学 博士编辑| 王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国