学术前沿：黄土高原发现已知最早的复合陶瓦
2023年5月19日，国际期刊《科学报告》（Scientific Reports）在线发表了北京大学考古文博学院与甘肃省文物考古研究所合作对甘肃灵台桥村遗址出土的龙山文化早期复合陶瓦的研究成果，成功复原了目前世界上已知最早的复合陶瓦屋顶，实现了对复合陶瓦溯源研究的重大突破。北京大学考古文博学院博士生徐艺菁和甘肃省文物考古研究所研究员周静为文章的共同第一作者，北京大学考古文博学院张海、彭明浩、刘晟宇为论文的共同通讯作者。
世界上已知最早的复合陶瓦
及复合瓦技术
桥村遗址出土已知最早复合陶瓦 瓦是当今人类建筑屋顶的重要组件，在世界范围内普遍使用。历史上，陶瓦屋顶的发明提高了建筑屋顶的耐用性、防水抗风性，降低了房屋的维护成本，并对建筑的材料、形态和结构的发展产生重要影响。
目前，学界关于陶瓦——特别是由筒瓦和板瓦组成的复合瓦的起源仍不清楚：比如复合瓦的拼接技术和细节，瓦顶建筑形态和结构的演变，瓦屋顶出现的自然和社会背景等。目前世界范围内最早的陶瓦发现于公元前三千纪晚期的希腊地区（公元前2650~2200年），这类瓦件形态单一，近似直板。由筒瓦和板瓦组合而成的复合陶瓦大致在同时期或略晚（公元前2400~1800年的龙山时代）出现在中国黄土高原地区，如桥村、芦山峁、石峁遗址等。而在欧亚大陆西部，复合陶瓦要到千年以后的迈锡尼文明时期才出现。
A. 世界早期瓦件遗存分布图
B. 黄土高原和东部泛滥平原地区陶瓦、陶水管和建筑夯土遗存的分布图
C. 桥村遗址遗迹分布图
研究团队证明了桥村遗址出土早期复合陶瓦是目前确切所知黄土高原地区也是世界上年代最早的复合陶瓦。桥村遗址位于甘肃省灵台县西屯乡桥村社北庄村，是一处遗存性质相对单纯的龙山文化遗址（公元前2400~1900年）。经系统调查发现遗址面积约103万平方米，是龙山时代泾河流域的一处中心性聚落。遗址经钻探在黄土台塬顶部发现建筑夯土的线索，在这些建筑的附近发现了成组的玉器和大量的陶瓦。瓦件遗存集中发现在台地东南边缘的壕沟G2。碳十四测年显示陶瓦的绝对年代集中在公元前2400~2200年，属于龙山文化早期（即庙底沟二期文化阶段）。
早期复合陶瓦的“龙山-西周传统” 现有考古发现表明，黄土高原地区出土了世界上最早的复合陶瓦；但不同遗址的复合瓦在瓦件构成比例、装饰类型等细节表现出多样化。这些差异表明早期复合瓦有多种制作和搭接方式，但目前还无法完全确认是因为地域还是时间早晚导致了这些不同。陶瓦的发明同时催生了建筑结构的变革，即厚夯土墙的出现。相比于木骨泥墙结构，夯土墙的承重能力更强。复合陶瓦与夯土墙的共同进化是东亚地区特有的传统，这与地中海地区的陶瓦与石墙/土坯墙的组合存在显著差异。
黄土高原地区龙山文化遗址碳十四测年数据分布
夏商时期（公元前1800~1046年），复合陶瓦只在黄土高原或及邻近地区发现。如陕西枣树沟脑遗址和四川三星堆遗址发现了一些瓦件。起源于东部泛滥平原的二里头文化或商代遗址中却没有发现瓦件遗存。这进一步表明早期瓦屋顶技术仅限于黄土高原及紧密联系的邻近地区。
西周时期（公元前1046~771年），复合瓦仍主要分布在周文化核心的关中地区，并有了极大的发展，遗存数量明显增加；类型上除筒瓦、板瓦和槽形板瓦外，增加了半瓦当和脊瓦等用于特殊位置的构件，更完善的屋面瓦系统逐渐形成；形制上趋于标准化，同时筒瓦发展出瓦舌，另一端凹面进行抹斜，构成类似“榫卯”的结构以便搭接。直到西周，复合瓦技术与厚夯土墙的组合基本仍局限于黄土高原，可称之为 “龙山-西周传统”。
西周以后，复合瓦技术在东亚地区广泛流传。目前的考古材料表明，从公元3世纪开始，瓦件和相关的屋顶技术就逐渐传播到朝鲜半岛、日本、俄罗斯远东地区和东南亚等地。
考古、建筑、文物保护、
计算机仿真模拟重建复合陶瓦屋顶
因为单个遗址样本量较小、瓦件破碎度高、大多数遗存没有明确考古背景等原因，我们对复合瓦是如何制作、搬运并放置在屋顶上等问题的了解仍然有限，对早期瓦件制作的标准化程度也知之甚少。为突破以上局限，研究团队结合形态测量、定量分析、三维建模、计算机仿真模拟的方法，重建桥村遗址的复合陶瓦屋顶，探讨陶瓦的生产技术水平。
通过系统比较桥村遗址和邺城核桃园一号建筑基址（公元553~577年）瓦件的类型及构成比例、形制、规格，发现它们在各方面都很相似，且与《营造法式》（公元1103年）的记载相吻合。可见在上千年的时间里，建造复合瓦屋顶的基本规则和原则变化不大，所以历史时期的考古发现和文献记录可以为桥村遗址瓦屋顶重建和相关研究提供重要参照。
桥村遗址复合陶瓦及瓦顶建筑的3D模型
桥村的陶瓦经整理挑选出5000余件可测量的标本，分为筒瓦、板瓦两大基本类型。筒、板瓦均有“小头”和“大头”之分。大部分筒瓦的小头一端带有瓦钉。板瓦根据形制可细分为三类：占比最高的普通板瓦，没有瓦钉和切口；小头带有两个切口和瓦钉的特殊板瓦，数量明显较少；瓦身平直的槽形板瓦。
不同类型瓦件的比例是重建瓦屋顶的基础。比例最高的普通筒、板瓦构成了瓦屋顶的主要面层，而少数特殊形制的瓦件被放置在特定位置。槽形板瓦瓦身平直，可能就被放置在夯土墙的顶部；带切口的板瓦可能被放置在屋顶最上排，切口和钉子向上朝向屋脊以便搭接；少数没有瓦钉的筒瓦可能被用作脊瓦。
基于以上推断，并参照芦山峁F2建筑的规格和尺寸以及美国旧金山艺术博物馆收藏的一件齐家文化的屋形陶罐的两面坡式屋顶样式，研究团队重建了一个复合陶瓦屋顶。
研究团队对5000余件瓦件标本的宽度、高度和厚度进行了测量，发现它们基本符合正态分布，表明这些瓦件生产有一个标准的“规格”。变异系数（CV）是一项评估人工制品尺寸标准化程度的统计学指标，经测算桥村瓦件各项测量指标中，宽度的CV值更小，说明工匠对宽度的控制胜于对高度和厚度的控制。相比之下，核桃园出土瓦件的CV值更小，表明历史时期的瓦件的标准化程度明显更高。
为进一步评估瓦屋顶搭接的可行性、瓦件低标准化对屋顶搭接的影响和人工干预的必要性。研究团队设计随机、分组、人工控制三种情况下的计算机模拟程序，复原瓦片的搭接过程。
重复的计算机模拟表明，随机模型无法有效完成屋瓦的拼接，主要问题在于部分位置上的瓦件需要更换超多次数才能实现，这在实践中是不现实的。对失败情况的分析表明，瓦件形态的不规则性是导致铺瓦失败的主要原因，个别瓦件的端部太窄或太宽会导致周围瓦件搭接的失败。在随机模型基础上，分组模型考虑到了不同规格瓦件之间的选择性衔接问题，但成功率依然达不到预期的效果。相反，可以随时调整的人工控制模型则能有效解决问题。因此，计算机模拟的结果表明，当瓦件生产处于低标准化水平时，必要的人工控制是瓦屋顶成功建造的关键因素。而上述模拟搭接过程中应用的调整方法在《营造法式》中也有相应的记载。
龙山时代黄土高原复合陶瓦的
环境背景和社会文化意义
从计算机模拟的结果看，桥村瓦件虽然是标准化生产的产品，但因为标准化程度偏低，在铺接过程中需要瓦匠进行调整。根据《营造法式》的记载，瓦件生产和铺接都需要大量的劳动力，是一种超越家户的公共性事务。
A. 瓦顶建筑和窑洞的风蚀指数
B. 瓦顶建筑和窑洞的地形正开度
C. 地图A和地图B的密度图
D. 桥村遗址瓦顶建筑和窑洞的分布复原图
龙山时代，黄土高原地区独特的自然环境和社会背景催生了陶瓦的发明和使用。黄土高原地区龙山时代最主要的建筑形式便是窑洞。然而大量窑洞都分布在山坡地带，空间可视性较差，不宜作为社会交往的公共场所。为促进社群的凝聚力，区域的中心性遗址在台塬顶部修建了大型建筑群，如石峁的皇城台、芦山峁的大小营盘梁、碧村的小玉梁和桥村的塬顶等；但在拥有了开阔视域的同时，这些建筑因缺少遮蔽更容易受到风霜雨雪等恶劣天气的威胁，环境压力推动了陶瓦的发明以保护夯土建筑。
另一方面，从龙山时代到青铜时代，东西方交往愈发频繁，黄土高原地区因其地理位置更是其中的重要组成部分。过往对玉器、青铜器及其他奢侈产品的研究表明，区域内和区域之间的不同遗址都存在密切的交换或贸易的情况，社群之间的互动明显增强。在学者们所讲的“半月弧”地带，许多中心性遗址如桥村、芦山峁、石峁遗址都活跃在社会交流网络中；比如在石峁皇城台地点发现的玉器、铜范、口簧、骨针等就是仪式、宴会等公共性活动、手工业生产活动和社群间交换或贸易的证据，瓦顶建筑很可能就是进行这些活动的公共场所。
随着牛、羊和青铜冶铸技术的引进，进一步加速了整个黄河流域的社会复杂化和青铜文明的出现。龙山时代黄土高原的社群越来越注重公共性社会事务，以桥村为代表的陶瓦顶建筑的发明与龙山时代的黄土高原地区日益频繁的社会交往和公共事务管理密切相关，并促进了该地区的社会管理、集体权力增长和文明的进程。复合陶瓦的发明和传播正是这个过程的集中体现。
