现代工程木材在修复法国巴黎圣母院中的应用
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2024-05-15 10:45 来源:国际木业
摘要：巴黎圣母院是法国最著名的地标之一。数个世纪以来，它矗立在法国巴黎的市中心，受到世界各地教徒和游客的膜拜和崇敬。2019年初夏，一场由未知原因引发的大火，导致正在维护修复中的教堂的耳堂和中庭交汇处的尖塔倒塌及石质拱顶坍塌，可以追溯到9世纪用橡树原木制成的屋顶结构框架部分全部烧毁。法国政府在确保铅屋顶燃烧后残余的污染物对周围居民的人身安全不会受到威胁后，拆除了部分烧毁的脚手架，并用胶合木来对残余结构上着手重建修复工作，对屋顶和尖塔的外形进行了修缮。建筑设计师在教堂的残余结构上，将木材和石材重新结合，对屋顶和尖塔的外形进行了设计，并着手重建。这一场灾难无疑是世界文化遗产的一大损失，但人们应该通过其历史和结构更好地了解它，而不是囿于指责木材的局限性。本文从历史、结构到木质材料来分析和理解这座伟大的建筑，了解火灾的蔓延途径，并对教堂在未来的修整、尖塔的重建及改造中所涉及到的部分木结构的方案进行介绍。
关键字：巴黎圣母院，橡木，重型木基产品，阻燃，尖塔，屋顶，飞扶壁。
1.巴黎圣母院的独特之处
1.1巴黎圣母院的历史
巴黎圣母院(Notre-DamedeParis，也称为Notre-DameCathedral)是中世纪最著名的哥特式建筑，以其规模宏大、建筑风格和文化底蕴而闻名世界，见图1。巴黎圣母院坐落于法兰西岛(ÎledelaCité)的东端(图2)，是天主教巴黎总教区的主教堂，同时也是法国文化的心脏。据历史记载，在早期被献给木星的高卢罗马祭祀的加洛罗马神庙教堂的废墟之上，人们建造了巴黎圣母院，给这块土地赋予了新生。在19世纪的修复工程中，人们对大教堂进行了深度挖掘，发现前院之下的一些遗迹证实了巴黎圣母院伫立在当时的大教堂圣艾蒂安(SaintEtienne)遗址之上。巴黎圣母院在规模和建筑创新方面都显示了建造者的勃勃雄心。建成后，极大地丰富了当地的宗教文化与人文生活，经对大教堂周边地区进行了重新开发和规划，对巴黎市区的交通系统和当地居民的日常生活产生了重大影响。
大约在1160年，巴黎主教莫里斯·德·苏利(MauricedeSully)提出了将教堂在早期大教堂的废墟上大规模改造为单一建筑物的想法，建造拆除了由亚历山大三世教皇于1163年开始铺设、于1189年建成的祭坛基石，并于1250年建成唱诗堂、西立面和中殿。在接下来的100年中，又增加了门廊、教堂和其他装饰物。1345年在让德谢勒和皮埃尔德蒙特勒伊的指导下，由唱诗堂和后殿、短翼廊、殿两边的双重侧廊和广场教堂组成的巴黎圣母院主体建筑基本完成。大教堂内部平面图为130×48m，屋顶高35m。教堂的主立面(西立面)建立了两座高68m大型哥特式早期钟楼和在当时还未完成建造的尖塔(1210–1250)。这一立面是该哥特式建筑中最美妙最和谐的部分，其水平与竖直方向的比例近乎黄金比例。立面由装饰带划分为三层：一层为在28个旧约国王雕塑下，有者记录着圣经故事的早期哥特式雕塑的拱门；二层中间是建于1220—1225年间的玫瑰玻璃窗；三层是一排雕花石栏杆两侧为钟楼。在竖直方向上再由立柱划分为9块黄金比例的矩形。为了解决旧尖塔结构不稳定的问题，在19世纪的修复工作中，原有的18世纪原始尖塔被来自Champagne地区橡木尖塔代替。在大教堂的东端，后殿有由拱形支撑飞扶壁支撑的较大尺寸的天窗(1235–1270)，充分体现了雷诺特(Rayonnant)哥特式风格(EncyclopædiaBritannicaInc，2016)，以其风格的大胆和优雅著称。此外，大教堂还保留着三个由13世纪工艺制成的玻璃玫瑰窗(图3)。
数世纪以来，巴黎圣母院一直遭受破坏和侵蚀。1789年到1799年的法国大革命期间，这座建筑物被视为教堂和君主专制政权的权力和侵略性的象征，遭到了严重洗劫。西立面拱门上方国王长廊中的28尊犹太国王像的头部和装饰在门口的雕塑以及里面的遗物和青铜雕像也被暴力摧毁，其原因是因为革命份子相信它们代表了法国百姓所仇恨的王室血统。法国建筑师维奥莱特·勒·杜克(Violet-le-Duc)在19世纪中叶1841年开始，对巴黎圣母院进行了重大修复。他的整修灵感来源于维克多·雨果(VictorHugo)于1831年完成的历史小说《巴黎圣母院(Notre-DamedeParis)》。他主持修复了西立面、画廊和钟楼，重建了高96m的尖塔，并添加部分具有宗教意义的石刻雕像，如十二使徒雕塑及栖息在石墙上的石像鬼和滴水嘴兽，成为当时建筑界绝无仅有的璀璨明珠。
1.2 巴黎圣母院的精妙结构
传统的罗马式教堂通常都是圆顶对称设计，采光不足，且外形厚重。由于结构全部有厚重的石砌组成，如果任意一个方向的石砌长度过长，都容易导致教堂结构的不稳定性增加。墙壁的开洞面积也不能过大，否则会导致“单薄”且没有外加支撑的厚重石墙倒塌。因此大教堂独特的肋架拱顶和飞扶壁结构成为巴黎圣母院建造设计中的独特和出彩的地方，也是大教堂文明于世的原因之一。无论是其厚度还是其高度，都见证了13世纪建筑师们的超群技艺。
在最初设计教堂时，受当时罗马教堂风格的影响，笨重厚实的屋顶需要坚固的墙来支撑它，不得不限制窗户的尺寸，从而减少建筑物室内对自然光的采光量。随着美学随时间的发展到十三世纪早期，在施工过程中，巴黎圣母院是按照当时的雷诺特(Rayonnant)哥特式建筑风格来定义的。这种风格下的建筑多以尖锐且优雅的造型著称，窗部采用大量装饰线条进行修饰。建筑设计师和工人通过采用较薄的墙来使建筑建造得越来越高，但是在支撑较薄墙体时，由于应力集中容易发生裂缝。到1220年，设计师对内层石质屋顶的形式进行创新构想，即采用肋骨拱顶，这是哥特式风格的一项重大创新。它使用相交的石肋骨支撑结构，从而使更小的压力施加在支撑壁上，并且最大限度地扩大了彩色玻璃窗的覆盖范围，从而使墙壁有效地完全玻璃化。因此，巴黎圣母院可以称作早期哥特教堂的里程碑。
教堂的另一项重要创新是让·拉维(JeanRavy)率先提出和采用的这项伟大的哥特式建筑创新结构，即飞扶壁。它是由扶壁和飞券构成，通过在外墙周围建立的拱形支撑(飞券)来解决高耸墙壁的稳定性和屋顶的问题。巴黎圣母院飞扶壁的第一层飞券，在中厅第一层肋架拱顶的起脚处抵挡住由其对墙面的侧向推力，可以将石质屋顶施加的力传递到外部支撑，从而和建筑的骨架共同组成连续的框架式结构。第二层飞券对教堂中部的石砌的墙体起辅助支撑的作用，从而允许教堂主体拥有更加宽阔高耸的内部空间，在增强建筑物庄重威严的感觉后，不失优雅。另外，飞券还起到了疏散雨水的作用，有效减少了雨水在石制屋顶的堆积和停留，长年累月下来不会导致雨水对石材的侵蚀。建筑师们巧妙地将两个哥特式建筑中的创新之举巧妙结合，大量运用在建筑装饰中，成为哥特式建筑史中一项非凡的壮举，并成为巴黎圣母院最具标志性的特征之一(图4、5)。
2.巴黎圣母院的木制结构
巴黎圣母院的框架是巴黎最古老的框架之一，在其石质外表下，屋顶框架结构实际上都由木质材料组成。13世纪建成的框架结构，即教堂屋顶的第二层(外层)的两座钟楼和由奥莱特·勒·杜克(Violet-le-Duc)于19世纪重建的尖塔都是由木制框架来支撑的(Viollet-le-Duc,1860)，见图6和图7。当时再修复第二代尖塔时，采用了法国香槟沙隆地区的橡木(Edmond，1867)。巴黎圣母院的屋架是古老森林的另一种形式，其中一些树木甚至可以追溯到9世纪，每个大跨度的横梁都用来自不同的古老橡树制成，其中殿长100m、宽13m，中庭长40m、宽10m，规模和尺寸可以列入最雄壮的屋架之列，跻身于当时的世界之最。在数百年的建造过程中，它消耗了大量的小尺寸木质构件，用作于临时支撑和脚手架，见图8和图9。据计算，屋顶的木质框架结构用了近1300棵橡木建造而成，消耗了近21hm2的森林，支撑着重达210t的铅屋顶。最初尖塔的修建大约在1220年至1230年之间，它在五个世纪内遭到了时间的侵蚀、自然的损害和人为的破坏，最终在18世纪末被拆除。
2.1 哥特式框架
在13世纪，那时的建筑师们偏爱修长优雅的造型，通过高耸的墙壁来抬高陡峭的屋顶，其倾斜角度为55°。木材相比起石材重量低、强重比高，很适合用于作为屋顶的结构材料。大教堂的第一部分建于1160年到1170年之间，据官网历史记载，当时屋顶梁的木材已经有300年或400年的历史，相当于8世纪或9世纪的树木。在1220年到1250年的建造期间，先前的木材在这一阶段被重新使用，其主要原因是当时法国正在砍伐林地，扩展城市，缺少大尺寸的古老原木，因此在建设过程中，不得不重复利用大截面尺寸的古老木材来作为横梁，截面较小的原木来抬高框架的坡度。
2.2 铅屋顶
1196年，莫里斯·德苏利主教遗赠5000磅来购买当时最贵的建筑材料：铅材，用于制造矩形砖来覆盖在第二层木制框架上，据巴黎圣母院官方统计该覆盖层由1326块5mm厚的铅砖组成，其总重量达210t。铝制覆盖层的主要目的是装饰屋顶并防止屋顶木质和石制结构受到雨水侵蚀。
2.3 19世纪的修复
唱诗堂和教堂中殿的框架已经存在了几个世纪。在19世纪中期，西立面和中心门残缺的“病石”结构进行了替换和修复，并增添了新的装饰元素。叶维奥莱特·勒·杜克(Violet-le-Duc)计划重建交汇处及尖塔。但是，按照19世纪的力学原理建造的唱诗堂和中殿处屋顶与中世纪的建筑结构存在显著的差异，其主要原因是19世纪翻新所采用的原木梁和桁架尺寸和间距更大，就采用螺钉和螺栓进行接长和加宽。所以，修复后的大教堂从结构形式和材料上基本是一栋19世纪的新建筑。
2.4 2019年修复时的大火
在2019年的修复项目中，5月4日星期一的傍晚，一场未知的大火在阁楼部分发生，并且在尖塔和屋顶上蔓延开来。由于石材不易着火，教堂的主体结构得以幸存。但大火烧毁了铅屋顶和第二层屋顶大部分木质框架，以及由建筑师维奥莱特·勒·杜克(Violet-le-Duc)修缮的尖塔。整个内层的石质屋顶都向天空暴露了出来。由于当时修复工作的需求，由杜克设计的位于尖塔底部的十二圣徒像和4个福音传道士像使徒在此之前已被拆除，因此幸免于难。图10中的红色线条示意了大教堂在火灾中火的蔓延途径，一开始先是在尖塔的底部区域发现了火灾的征兆，在一个多小时后尖塔倒塌，然后火势从尖塔底部向中庭和耳堂的屋顶蔓延开来，最后在消防员采取灭火措施下，火势在玫瑰玻璃窗和钟塔前得以阻止，但绝大部分的木制屋顶被烧毁。
3.2019年火灾后的教堂修复
大火过后，大部分的木制屋顶都被烧毁。在消防人员的及时救助下，玫瑰花窗和两座钟楼得以保留，但幸存的脚手架威胁到教堂残余屋顶和墙壁的安全性和完整性，见图11。环保组织罗宾·德布瓦(Robindes Bois)总裁杰基·博纳曼斯(Jacky Bonnemains)引用了对建筑档案官网数据和历史文献的研究估计，大火熔化了屋顶和尖顶中约440t的铅，会直接影响到维护人员和当地居民的健康安全。因此，政府首先紧急处理了铅污染物问题，消除了铅融化所带来的潜在威胁。其次拆除在大火前用于维修工作的脚手架，但这一过程可能会散落并损坏残余的穹顶。在确定了修复施工环境的安全后，政府紧急征用了位于比利时埃塔勒(Etalle)的专门从事建造异型木结构的Artbois公司。该公司加工切割了10根长20m、厚1.2m的胶合木(GlueLaminatedTimber或简称GLT)梁用来加固教堂的飞扶壁结构，运输到现场直接进行安装，为救援节省了宝贵的时间。
但是，在教堂屋顶的重建问题上，大教堂院长帕特里克·肖维特(MonsterorPatrickChauvet)表示由中世纪古老橡木制成的屋顶结构就此痛失了，无法挽回。一位法国文化遗产专家说，当前的法国已经没有足够大的树木来代替在巴黎圣母院大火中燃烧了的橡木木梁。因此，最有可能替代的建筑材料是橡木重型胶合木产品。但是，如何选用胶粘剂会成为一个课题。因为目前欧洲标准EN14080(CEN,2013)“胶合层积材和胶合实木”中用于制造胶合木的胶粘剂一般为酚醛胶(Phenolic)、氨基树脂胶(Aminoplastic)、单组分聚氨酯胶(Polyurethane)和异氰酸酯胶(Emulsionpolymerisocyanate)，这些胶粘剂一般适用于胶合诸如赤松和云杉等针叶木材，但是否适合胶合像橡木这样的高密度阔叶木材，有待研究。现代胶合工程木材已经广泛用于建筑建造和修复中，它可以切割成所需的小尺寸木构件，从而解决了大尺寸原木短缺的问题，并提高了木材的利用率。现代胶合工程木材把小尺寸的木质板材，通过胶粘剂胶合，在一定压力和温度下，拼接成大截面大尺寸的像梁或柱那样的产品，其中胶合木(GLT)应用最早最广。GLT有着出色的抗弯曲和压缩性能，可以加工成大跨度的异型构件，使其形状弯曲，是拱形支撑的理想材料，见图12。GLT可以在工厂中按设计尺寸预制、切割，现场组装，这样，既节省了大量时间，又提高了加工效率。与钢筋混凝土等建筑材料相比，木材具有低排放、可再生、节能环保，以及对环境影响较小等优点。因此，在紧急修复加固巴黎圣母院的过程中，人们首先使用了GLT这种现代工程木材来进行加固。
虽然木材本身属于易燃材料，但用于制造现代木结构中的工程木材(EngineeredWoodProducts或简称EWPs)的基本单元材料，如锯材、刨花和单板等，都是可以经过阻燃处理的，以提高其耐火性能。另外，大截面大尺寸实木或工程木材燃烧后，其表面会很快形成一层碳化层，在一定程度上可以延缓火焰的蔓延，提高了构件的阻燃性能，保护内部木材在一定时间内可以继续保持足够的强度和结构的完整性。用重型木基工程材料制成的大截面构件，还可以通过表面涂饰防火材料来提高阻燃要求。普通住宅类的轻型木结构则通过石膏板等覆盖层来达到阻燃要求。因此，工程木材的强度、耐久性、稳定性及经济性都远远优于实木。
世界各地的建筑设计师们也忙于重新设计大教堂的新尖塔，他们大多数选择木质材料作为主要结构，以保持大教堂的原有建筑风格和传统文化。巴黎建筑师VincentCallebaut提议将这座历史悠久的大教堂改造成一座生态友好型建筑，使其产生的能源超过其消耗的能量，所节省的能源可以每年生产21t水果和蔬菜(Niall，2019)。该概念诠释了一个在交汇处全新的有着高耸尖塔的屋顶，该屋顶由碳纤维板条预应力交错层压木梁建成。在梁之间的“玻璃”有着可以将光能吸收转化成其它可储存和使用能量的能力。该工作室解释说，新的教堂可以作为环境复原的先锋，它将成为生态结构工程的典范。因此，像GLT这样的一些工程木材极有可能成为修复尖塔的最环保最高效的选择。
对于修复方案，除了新的创意以外，建筑师让·努维尔(JeanNouvel)呼吁按照原先尖塔的形式对尖塔进行重建，并称“它是大教堂不可或缺的组成部分”(Claire,2019)。研究人员也表示将会完全按照原来的结构进行重建和修复，但主要修复部分的选材和用料等重建细节还有待商榷。定制高端手工传统门窗，出轨镶木地板和楼梯的法国阿瑟林(Asselin)公司表示，在尊重传统文化和建筑风格的前提下，他们有着对历史古迹或传统民居的框架进行修复和重建的广泛经验。该公司参与修复了凡尔赛宫的所有窗户和卢浮宫内部的木框。因此，在面对巴黎圣母院的重建问题上，该公司竞标重建大教堂的木制屋顶框架。在材料选择方面，毫无疑问，GLT将是一个值得考虑的大尺寸实木框架的优选材料，毕竟在现在的欧洲已经几乎没有现存的大面积未采伐过的原始森林了。
4.结语
巴黎圣母院的火灾无疑是人类建筑文化遗产中不可弥补、无法挽回的巨大损失。教堂屋顶的巨大伤疤无时无刻不在提醒人们在古建筑的修复中必须注意的事项，比如用预制的重型工程木材来替换古老的大尺寸原木。古建筑的防火是世界建筑遗产的重要课题，也是各界人士、游客，甚至每个人的责任。中世纪的人们已经睿智到可以用木材来建造高耸却不失优雅的建筑，但由于木材的局限性，这些建筑在面对明火时却相当脆弱。现在的人们可以依靠科学与技术手段来最大程度地解决木结构建筑的防火问题。因此，巴黎圣母院的修复工程可以使人们消除或减少对木材作为建筑材料的固有偏见，对新型工程木材获得更深入了解，以及木材对环境友好和可持续性发展贡献的重新认知。
