陜北古塔建筑災(zāi)損分析及加固對策研究

吳松柏 楊博 廖浩 張事成 高志鵬 程麥理

摘 要：陜北作為中原文化與北方游牧民族的過渡地帶，古塔建筑承載了豐富的文化內(nèi)涵，在自然、人為及內(nèi)在因素等作用下，各類古塔建筑破壞嚴重，磚石古塔亟待保護。本研究通過對陜北地區(qū)現(xiàn)存的磚石古塔建筑開展翔實調(diào)研，結(jié)合古塔建設(shè)概況及災(zāi)損特點，深入剖析磚石古塔建筑的災(zāi)害成因，提出相關(guān)加固對策及建議，為區(qū)域古塔建筑的開發(fā)保護提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：古塔建筑;災(zāi)損成因;加固對策;陜北地區(qū)

中圖分類號：TG333 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.015

Study on Disaster Damage Analysis and Reinforcement Countermeasures of Ancient Pagodas in Northern Shaanxi

WU Songbai? ? YANG Bo? ? LIAO Hao? ? ZHANG Shicheng? ? GAO Zhipeng? ? CHENG Maili

（School of Architectural Engineering， Yan'an University， Yan'an 716000，China）

Abstract： As the transitional zone between the Central Plains culture and the northern nomads， the ancient pagodas in northern Shaanxi carry rich cultural connotations. Under the action of natural， man-made and internal factors， all kinds of ancient pagodas are seriously damaged， and the ancient pagodas need to be protected urgently. Based on the detailed investigation of the existing ancient pagoda buildings in northern Shaanxi， combined with the general situation of ancient pagoda construction and the characteristics of disaster damage， this study deeply analyzes the disaster causes of ancient pagoda buildings， and puts forward relevant reinforcement countermeasures and suggestions， provides reference for the development and protection of regional ancient pagodas architecture.

Keywords： ancient pagoda building; causes of damage;reinforcement countermeasures; Northern Shaanxi

0 引言

塔建筑最早起源于印度，隨佛教傳入我國，經(jīng)與我國的建筑風格相結(jié)合，形成了獨具中國建筑特色的新型建筑結(jié)構(gòu)形式。古塔多以磚石為建筑材料，其材料來源廣泛、耐久性強，使得磚石古塔建筑在我國分布廣泛。陜北作為中國黃土高原的核心地域，是中原民族與北方游牧民族文化交流及生產(chǎn)融合的過渡地帶，磚石古塔建筑的形制文化豐富，在長期風蝕、水侵、人為破壞和偶然強烈地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的安全及整體性面臨嚴峻的災(zāi)損風險。

古塔建筑在長年累月的露天環(huán)境服役下，建筑結(jié)構(gòu)的地基、塔身及關(guān)鍵構(gòu)（部）件發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)害性損傷。對于古塔建筑的變形災(zāi)害，候?qū)W慧[1]通過對古塔建筑的傾斜、彎曲和扭轉(zhuǎn)變形參量的精細量化分析，借助Mathmatica軟件對古塔頂點在地面投影的直線函數(shù)擬合，用扭轉(zhuǎn)角度來表征古塔扭曲變形。龔復(fù)軍[2]通過對磚石古塔體的變形成因分析，結(jié)合古塔糾偏技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對不同古塔糾偏方案進行了比選分析，給出了不同糾偏措施的技術(shù)要點和適用性。趙東等[3]以西安萬壽寺塔糾偏工程為例，通過對增設(shè)圈梁、圈梁—地梁組合及圈梁地梁托盤組合等不同方案下塔體與基礎(chǔ)協(xié)同工作模式分析，探討了基礎(chǔ)剛度對古塔受力機理的影響。在古塔動力致災(zāi)方面，袁建力[4]根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學基本理論和磚石古塔動力特性實測數(shù)據(jù)，通過對砌體材料性能、塔身厚度等關(guān)鍵參數(shù)分析，提出了基于彎曲懸臂桿模型磚石古塔基本周期的四系數(shù)簡化計算公式。楊濤等[5]基于動力增量法（IDA）對西安小雁塔進行了動力彈塑性分析，探討了小雁塔結(jié)構(gòu)在增量地震動作用下的動力響應(yīng)和不同性能狀態(tài)下各樓層位移及層間位移角的變化規(guī)律，評估了小雁塔結(jié)構(gòu)的抗震性能。周星宇等[6]借助Abaqus軟件對龍護舍利塔進行了Pushover分析，以最大層間位移角指標評估了磚石古塔抗震性能，進一步分析了地震作用下磚石古塔的損傷演化過程。盧俊龍等[7]以興教寺玄奘塔為結(jié)構(gòu)模型開展了振動臺試驗，對比分析了在雙向、三向地震作用下磚石古塔結(jié)構(gòu)的加速度及位移反應(yīng)耦聯(lián)效應(yīng)。張永亮[8]通多對磚石古塔的極限承載力和層間位移角指標進行綜合分析，探討了磚石古塔的抗震性能，并提出了鋼帶圍箍和聚丙烯酸酯乳液砂漿灌注的古塔綜合加固措施。

本研究通過對陜北磚石古塔建筑進行踏勘調(diào)研、資料調(diào)閱，探討分析磚石古塔建筑的災(zāi)害成因及損傷機制，給出不同災(zāi)損形態(tài)下古塔建筑的加固維護措施，研究結(jié)果對同類型磚石古塔建筑的保護開發(fā)有積極意義。

1 古塔建設(shè)概況

陜北地區(qū)古塔建筑類型主要有樓閣式、密檐式、亭閣式、經(jīng)幢式、喇嘛塔、多寶塔等，屬性涵蓋佛塔、道士塔、宣禮塔、文峰塔等，質(zhì)地則以磚、石、鐵、木、土等為最多。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)存唐代至民國時期的不可移動陜北古塔建筑有101座，延安市現(xiàn)有79座，其中寶塔區(qū)4座、子長縣3座、延川縣4座、延長縣2座、黃龍縣1座、洛川縣19座、富縣12座、志丹縣25座、吳起縣2座;榆林市有22座，其中榆陽區(qū)4座、橫山區(qū)11座、府谷縣2座、佳縣1座、米脂縣1座、綏德縣3座。分析陜北地區(qū)古塔建筑地理分布格局可知，延安市現(xiàn)存古塔數(shù)量明顯多于榆林市，其中延安市的洛川縣、富縣、志丹縣和榆林市的橫山區(qū)古塔建筑分布較為集中。按古塔建筑建造時代劃分，陜北古塔有唐代1座、宋代3座、元代1座、宋—元—明塔11座（建造年代有待深入考究）、明-清代83座、民國塔2座，其中縣級以上文物保護單位及其附屬遺存有37處73座[9]。

陜北磚石古塔建筑形制豐富，文化內(nèi)涵深厚，建筑風格獨特，一定程度上反映了中原文化與北方游牧民族的高度融合。始建于明代的嶺山寺塔（延安寶塔，圖1）位于嘉陵山頂，八層九級樓閣式磚塔，塔高44 m，是革命圣地延安的標志和象征、延安城的城徽，見證了延安市的歷史變遷。榆林凌霄塔是邊防料敵高塔的典型實例，該塔也屬于樓閣式塔，塔高43 m、八角十三層，是明代軍事重鎮(zhèn)“榆林衛(wèi)城”發(fā)展史的重要佐證，明末李自成攻打榆林及1947年榆林戰(zhàn)役都首先攻占該制高點，塔身仍留有炮火痕跡。

密檐式塔在陜北的代表有唐代延安富縣柏山寺塔及福嚴院塔、洛川萬鳳塔（圖2），該類塔型底層寬大，二層及以上迅速縮矮，外觀比例協(xié)調(diào)有致，極具藝術(shù)感染力。綏德興善寺舍利塔（圖3）和寶臺寺塔分別建于1451年和1442年，各高六級10 m和五級7.5 m，兩塔形制、風格相近，是陜西省多層幢式古塔的典型代表。多寶塔在陜北古塔建筑中也有重要體現(xiàn)，建于1557年的榆林橫山萬靈寺塔（圖4），塔身構(gòu)型精美，是陜西省唯一見到的自銘“多寶佛塔”，對研究明代多寶佛塔定名、形制有重要參考。

石窟造像塔也是陜北古塔建筑的重要代表，如延安清涼山萬佛洞石窟造像塔、鳳凰山千佛洞石窟造像塔、志丹呂川石窟造像塔等，唐家坪琉璃塔（已遷至清涼山，圖5）以藍、綠、黃等色琉璃磚砌筑，塔心為土坯泥漿填實，該塔五層均有精美造像，做工細致、色澤絢麗，是陜西省境內(nèi)僅見的一座琉璃造像塔。延安市發(fā)掘的金代畫像磚塔（李渠鎮(zhèn)金墓畫像磚塔、馮莊鎮(zhèn)金墓畫像磚塔等）配以組合題材，融入傳統(tǒng)二十四孝等故事場景，側(cè)面反映宋金時期延安市民眾的社會生活、倫理意識及思想信仰。神木市博物館收藏的清代香泥塔，造型接近蒙古包式樣，塔高4～6 cm，多數(shù)塔身直徑小于塔高，便于攜帶。該類小型香泥佛塔多以寺院遺址出土較多，主要用途是佛教徒家庭佛堂供奉，這也是古塔文化對文化交流的最好佐證。

陜北延安現(xiàn)存錐形磚、石、土塔20余座，其中以“洛川土塔群”最為典型。宜川南坡猴子廟塔通高7 m，塔身塊石環(huán)砌，石板壓檐，該塔為國內(nèi)僅見的猴子廟遺存，研究價值極高。此外，富縣清代的“白骨塔”（圖6）為方錐形磚石瘞骨塔，金字塔形，塔碑記載了同治年間該處百姓遭劫、生靈涂炭的悲愴史實，對清末陜甘民族史和地方史研究有重要參考價值。

2 災(zāi)損成因分析

古塔建筑是我國優(yōu)秀建筑文化歷史留存的有效方式之一，但大多古塔建筑都因地理位置、歷史沿革等原因面臨保存問題。古塔建筑的災(zāi)損破壞原因主要有以下3個方面。

2.1 自然因素

環(huán)境作用持續(xù)時間長，是古塔建筑破壞的重要因素，主要表現(xiàn)在以下4個方面。

2.1.1 風沙作用導(dǎo)致的塔體風化、破壞。陜北地處毛烏素沙漠南緣，常年風力強勁，經(jīng)年累月的飛沙走石對古塔建筑的表面蝕刻給古塔帶來嚴重破壞，同時磚石材料風化、強度降低，進一步加劇了塔身結(jié)構(gòu)的損傷。

2.1.2 雨水入滲地基，引起基礎(chǔ)不均勻沉降，塔身底部返堿變酥，塔體傾斜、開裂。對于具有顯著濕陷敏感性的黃土地基，雨水大量入灌致使基礎(chǔ)沉陷，塔體結(jié)構(gòu)整體發(fā)生傾斜、開裂，塔體底部磚石材料返堿，材料力學性能劣化，結(jié)構(gòu)承載能力降低。此外，雨水對強夯黃土塔常年沖刷，塔體局部或部分坍塌，土體沖蝕、流失，結(jié)構(gòu)殘缺。

2.1.3 磚石塔身檐口及頂部植物生長，塔內(nèi)有動物筑巢活動。對于偏僻地域的古塔建筑，疏于維護的磚石塔身生長有低矮灌木及草本植物，發(fā)達的植物根系產(chǎn)生的張力易使塔體結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂，植物根系分泌物加速磚石材料的腐蝕，導(dǎo)致塔體結(jié)構(gòu)進一步發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

2.1.4 雷擊、強震等作用也是古塔建筑發(fā)生破壞的重要原因。對于偶發(fā)的地震、雷擊等強烈自然災(zāi)害作用，磚石古塔結(jié)構(gòu)常發(fā)生劇烈振動，地基基礎(chǔ)及塔身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度開裂破壞，縱、橫向裂縫發(fā)育程度加劇。

2.2 人為破壞

在磚石古塔建筑長期服役期間，人為因素是古塔生命周期長短的關(guān)鍵，人為破壞作用主要有以下3個方面。

2.2.1 人為盜掘。在利益的驅(qū)動下，不同時代的不法分子對價值極高的古塔建筑展開了瘋狂的掠奪性盜掘，盜洞及非法發(fā)掘極大程度地破壞了磚石古塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及耐久性，給古塔建筑的研究和保護產(chǎn)生嚴重影響。

2.2.2 戰(zhàn)爭、法難及人為運動。由古及今的歷次大規(guī)模戰(zhàn)爭中，古塔建筑經(jīng)受了不同程度的人為摧毀，給古塔的存留造成嚴重威脅。

2.2.3 人為刻畫、毀損。在古塔建筑被開發(fā)利用前后，塔身表面常見有人為刻畫，加劇了磚石材料的性能劣化，一定程度上加大了古塔建筑的毀損。

2.3 內(nèi)部原因

隨著長期的風吹雨淋等自然因素作用，古塔建筑的磚石材料性能老化，土體流失、崩解，結(jié)構(gòu)承載能力降低。磚石塊體間的黏結(jié)材料干縮、老化，結(jié)構(gòu)材料的抗拉、剪切等力學性能幾近喪失，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)（部）件物理指標變化，使得磚石古塔建筑的結(jié)構(gòu)整體性降低，進而誘發(fā)古塔建筑發(fā)生局部或整體的結(jié)構(gòu)性開裂、坍塌破壞。

3 加固維護對策

在自然、人為及內(nèi)在因素作用下，除數(shù)量較少的古塔建筑經(jīng)后期多次修繕被保護完好外，陜北地區(qū)絕大多數(shù)磚石古塔建筑災(zāi)害嚴重。根據(jù)古塔建筑災(zāi)害成因分析，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和加固理論，提出以下對磚石古塔建筑加固維護的建議。

3.1 地基加固

對于古塔建筑地基開挖、不合理的工程擾動及不均勻沉降引起的古塔建筑塔體傾斜、開裂災(zāi)害，可在塔體基礎(chǔ)底部加設(shè)混凝土筏基、圈梁等構(gòu)造，補強古塔的基礎(chǔ)剛度，然后采用頂升糾偏、迫降糾偏、綜合糾偏等技術(shù)進行結(jié)構(gòu)糾偏[10]。通過古塔基礎(chǔ)剛度增強，提高塔身與基礎(chǔ)的協(xié)同受力，進而增加古塔建筑的抗傾覆變形能力。

3.2 裂縫封閉

在各種外界及內(nèi)部因素作用下，古塔建筑結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部會形成規(guī)則或不規(guī)則的開裂病害，當塔體裂縫開裂寬度較小時，可采用填縫膠體進行封閉，防止裂縫病害繼續(xù)發(fā)展影響古塔的生命周期;當塔體開裂寬度較大時，可采用灌漿封閉或者進行補強，當古塔建筑塔體體量較小時，可采用鋼筋或鋼帶將塔身環(huán)箍，減小裂縫開展，增強古塔建筑隊的病害抵抗能力，提高結(jié)構(gòu)承載性能。

3.3 表面修補

磚石古塔建筑在風沙蝕刻、人為刻畫及偶然撞擊等作用下會導(dǎo)致塔體表面風化、破損，對于該類病害可針對塔體表面破壞程度采用相同或類似塔體建筑材料進行塔體原貌修復(fù)，并結(jié)合古塔建筑的文物保護級別開展定期檢查和維護，及時清理磚石縫隙生長的植物及雜草。

3.4 結(jié)構(gòu)加強

古塔受限于建筑材料及施工工藝，通常其結(jié)構(gòu)整體性較差、承載力不高，因此對于開裂嚴重、局部歪閃等結(jié)構(gòu)性損傷，結(jié)構(gòu)加強措施可采用在塔體增設(shè)構(gòu)造柱、鋼托桿、鋼拉桿、錨桿等內(nèi)部構(gòu)件，此外還可在塔體外部設(shè)置支護構(gòu)件、托架等，通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)整體性加固，提高古塔建筑的承載能力抗變形能力。

3.5 增設(shè)圍護

對于地處環(huán)境惡劣、人類破壞及動物活動頻繁的古塔建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)在古塔建筑周圍設(shè)置圍欄或隔離帶等防護設(shè)施以保護古塔建筑不被直接的外部作用破壞而發(fā)生毀損。當塔體體量較小，塔身銘文、造像等具備極大歷史價值或珍貴文物的古塔結(jié)構(gòu)，可采用定制專用玻璃幕罩進行圍護，保護結(jié)構(gòu)的存留，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

4 結(jié)語

古塔作為我國古代文化發(fā)展、思想變遷、建筑藝術(shù)傳承的重要載體，開展古塔建筑的有效發(fā)掘和保護開發(fā)，研究重大區(qū)域歷史變革和繼承民族特色文化意義重大。本研究通過對陜北磚石古塔建筑進行翔實調(diào)研，結(jié)合古建筑災(zāi)損現(xiàn)狀和特點，深入探究磚石古塔的災(zāi)損成因，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計理論提出相關(guān)加固維護對策，研究對促進磚石古塔建筑的保護和開發(fā)有積極意義。

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