據(jù)考古發(fā)掘分析,中國(guó)真正意義上的橋梁誕生于氏族公社時(shí)代,也就是距今4000至6000年前。經(jīng)過(guò)數(shù)千年的發(fā)展,在東漢時(shí)期,基本形成了梁橋、拱橋、吊橋、浮橋四種橋梁基本體系。進(jìn)人隋、唐、宋時(shí)期,古代橋梁建筑技術(shù)達(dá)到了巔峰,隨后的元、明、清三代,將前代的造橋技術(shù)進(jìn)行了全面總結(jié),初步形成了各種橋型的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范。19世紀(jì)后期,隨著工業(yè)革命成果的傳播,以磚、木為主要材料的古代橋梁漸漸出歷史舞臺(tái)。
一、梁橋
梁橋以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建造方便,在橋梁史上最早出現(xiàn)。考古發(fā)現(xiàn),陜西省西安的半坡村遺址已有獨(dú)木、排木梁橋存在的可能。由此上溯兩千年,浙江省河姆渡遺址就已經(jīng)有了木構(gòu)梁橋存在的跡象。原始公社時(shí)代生產(chǎn)力低下,因使用的工具絕大部分是石制工具,又稱(chēng)石器時(shí)代只能對(duì)木材進(jìn)行粗糙的加工,以木梁橋跨越天塹是唯一的選擇。
經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的數(shù)千年,鐵器時(shí)代的來(lái)臨,才使加工大型石料成為可能,石材成為主要的建筑材料,石梁橋才應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí),鐵制工具對(duì)木材的加工也更為精細(xì),許多規(guī)模宏大,加工精美的木梁橋開(kāi)始出現(xiàn)。建于公元22年的灞橋,計(jì)67跨,以石為墩,以木為梁,是石木完美結(jié)合的代表作。幾乎與此同時(shí),廣西、浙江等地出現(xiàn)了兩三塊條石鋪就的石墩石梁橋。
東漢以后,尤其是隋、唐、宋三代拱橋的異軍突起,一度使梁橋黯然失色,但石梁橋仍以它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定,石材加工簡(jiǎn)單,建造方便,造價(jià)低廉的優(yōu)勢(shì),在許多運(yùn)輸便利,石料充足的地區(qū)廣泛采用,其技術(shù)成就和藝術(shù)成就同樣達(dá)到了極高的水準(zhǔn)。如山西省太原晉祠的魚(yú)沼飛梁,其建造之精美,結(jié)構(gòu)之獨(dú)特,在中國(guó)橋梁史上絕無(wú)僅有。在福建沿海地區(qū),長(zhǎng)大的跨海橋梁也多采用石梁結(jié)構(gòu),長(zhǎng)十余米,重達(dá)數(shù)噸的石梁,依仗著便利的水上運(yùn)輸送達(dá)橋址,再利用潮汐的漲落架設(shè)石梁,建成了長(zhǎng)達(dá)千余米,甚至兩千余米的長(zhǎng)橋,其中,福建省泉州市的洛陽(yáng)橋、安平橋最負(fù)盛名,值得一提的是洛陽(yáng)橋,不僅首開(kāi)中國(guó)跨海石梁橋的先河,還首創(chuàng)了以牡礪膠結(jié)基礎(chǔ)的殖礪固基法和穩(wěn)固的筏型基礎(chǔ),這一發(fā)明保證了橋梁在近千年驚濤駭浪、滄海桑田的洗禮之后仍屹立不倒。
木梁橋由于材料的耐久性差,在石梁橋興起之后建造的越來(lái)越少。但在大型石材采集、運(yùn)輸不便的地方,人們發(fā)明了一種更為新穎、實(shí)用的木梁廊橋。在唐、宋時(shí)代建筑技術(shù)全面進(jìn)步的基礎(chǔ)上,橋上蓋屋,以瓦覆之,不僅保護(hù)了木梁不受風(fēng)雨侵蝕,也避免了路人櫛風(fēng)沐雨之苦。浙江省的百梁橋、熟溪橋當(dāng)屬此類(lèi)的佼佼者;后世的廣西壯族自治區(qū)三江程陽(yáng)橋更是以其規(guī)模宏大,設(shè)計(jì)奇巧,風(fēng)格獨(dú)樹(shù)一幟而聞名于世。
簡(jiǎn)支梁橋由于受材料實(shí)用尺寸的限制,不可能建造大跨徑橋梁,為了增大跨徑,減少墩臺(tái),懸臂梁橋應(yīng)運(yùn)而生。懸臂梁是在木端施以重壓,另端伸向?qū)Π?,?jié)節(jié)伸出,然后在兩個(gè)懸臂端之間架簡(jiǎn)支梁,從而達(dá)到增加跨徑的目的。前文提到的熟溪橋、程陽(yáng)橋也都是懸臂木梁橋的佳構(gòu)杰作。木虹橋的出現(xiàn)的確有點(diǎn)匪夷所思,它的結(jié)構(gòu)與以往的橋式和任何建筑結(jié)構(gòu)都少有繼承關(guān)系,與石拱橋的受力方式也頗有區(qū)別。它由兩組木排穿插疊架在一起,形成兩個(gè)受力系統(tǒng)組成的木拱。據(jù)分析,此類(lèi)橋梁外型酷似拱橋,也具備一些拱橋的受力特征,但從兩套木排梁的角度分析,在承受荷載時(shí),木梁受彎而不受壓,不像拱券石受壓而不受彎,受力特點(diǎn)更接近斜撐木懸臂梁橋。據(jù)專(zhuān)家對(duì)《清明上河圖》中所繪神梁虹橋的分析推算,該橋長(zhǎng)192米,凈跨16.5米,寬8至9米,并列有21組圓木。圓木直徑約40厘米,分兩個(gè)系統(tǒng),外面一組構(gòu)成第系統(tǒng),由2根長(zhǎng)圓木和2根短圓木組成,里面一組為第二系統(tǒng),由3根等長(zhǎng)圓木組成,共11組第一系統(tǒng)和10組第二系統(tǒng)組成在兩個(gè)系統(tǒng)的交會(huì)點(diǎn),設(shè)置橫貫全橋的橫木,共有5根,橫木起到了聯(lián)系兩個(gè)系統(tǒng)、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、橫向分配活載的作用,用條石砌筑兩岸橋臺(tái),承擔(dān)拱的推力,臺(tái)前還留有纖道,不僅結(jié)構(gòu)合理,設(shè)計(jì)也頗為周到。在北宋時(shí)期,能達(dá)到16.5米跨徑的石橋也不多見(jiàn)。據(jù)史料記載,最大跨徑的木虹橋可達(dá)40米,超過(guò)了趙州橋的跨徑。木虹橋降低了自重,增大了跨徑,但由于材料的原因,不易長(zhǎng)久,以致這一技術(shù)一度失傳,保存到今天的更是鳳毛麟角。如甘肅省的灞陵橋由于地處干燥的西北地區(qū),又有橋廊庇護(hù),員經(jīng)600余年風(fēng)雨至今尚存。除懸臂木梁之外,懸臂石梁也不鮮見(jiàn)。懸臂梁橋?qū)ΜF(xiàn)代梁式體系中的許多橋式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
二、拱橋
拱橋在橋梁史上出現(xiàn)的時(shí)間最晚,但是流風(fēng)所及,不僅主導(dǎo)了古代橋梁的發(fā)展走向,也在現(xiàn)代橋梁體系獨(dú)樹(shù)一幟。
磚的發(fā)明有人認(rèn)為始于東漢,但據(jù)考古發(fā)掘,中國(guó)早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前475年至公元前221年)就已經(jīng)出現(xiàn)了磚幕室。磚的發(fā)明是建筑史上的一次革命,磚與石、木不同的不僅僅在于它是人造建材,更在于它便于成型,外觀整潔,尺寸規(guī)范,易于施工,這就為拱的發(fā)明提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。世界上對(duì)拱結(jié)構(gòu)的起源眾說(shuō)不一?;蛘J(rèn)為起源于自然界溶洞天然拱,或認(rèn)為起自崩落的堆石拱,或認(rèn)為由于砌墻開(kāi)洞,逐漸由假拱演變而成。在中國(guó),拱的起源據(jù)文獻(xiàn)記載始于公元前2世紀(jì)末的西漢王朝。漢武帝元朔二年(公元前127年)所建的麻彌圖一號(hào)墓墓室就是磚券頂,凈跨達(dá)到1.64米。券即現(xiàn)代漢語(yǔ)的拱圈之圈,是拱的意思,法券、卷都是中國(guó)古代的建筑術(shù)語(yǔ),意為砌拱。更早的記載還有《禮記》蓬戶(hù)甕牖之說(shuō),即用破壇子砌造窗戶(hù)。陶甕則是一種更早的人造建筑材料,當(dāng)然那時(shí)所砌的并不是真拱,更不是拱橋,只是拱的雛形。從墓葬結(jié)構(gòu)及僅存實(shí)物來(lái)看,自東漢(公元25至220年)起,券頂、彎頂都比較完善,磚拱技術(shù)已十分成熟?,F(xiàn)存有文字記載最早的橋梁一方順橋是一座石拱橋,建于公元309年,晚于東漢磚拱頂100多年,規(guī)模已相當(dāng)宏大,長(zhǎng)13米,寬8米,大拱跨徑達(dá)13.3米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了同時(shí)代石梁橋的跨徑。
石拱橋是在墩臺(tái)之間以拱形構(gòu)件承重,構(gòu)件在承受荷載時(shí),墩臺(tái)支點(diǎn)處產(chǎn)生水平推力,使拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力,減小了跨中彎矩,使石材的耐壓特性得以充分發(fā)揮,因此石拱的跨越能力大大高于石梁橋,從而提高了橋梁跨徑。石拱橋的出現(xiàn)使中國(guó)古代橋梁進(jìn)人了一個(gè)新紀(jì)元。
這個(gè)新紀(jì)元的扛鼎之作——趙州橋,一舉將中國(guó)古代石拱橋技術(shù)提高到一個(gè)令人瞠目的程度。建于隋朝的趙州橋是一座單孔空腹坦拱石拱橋,主橋孔凈跨37.02米,凈矢高7.23米,矢跨比達(dá)到1比5.12,是一座很坦的圓弧拱橋,全橋長(zhǎng)50.83米,寬9米,主拱圈并列28道,拱厚1.03米,拱石長(zhǎng)1米,最大重量為1噸。在主拱圈之卜,鑲有自拱腳處厚度為24厘米、拱頂處厚度為16厘米的變厚度護(hù)拱石。護(hù)拱石在空腹段為滿鋪,實(shí)腹段僅鑲于橋的兩側(cè)。拱圈外形尤如變截面拱。為減輕橋梁自重,大拱之上,兩側(cè)各伏有兩個(gè)小拱??拷澳_處的小拱,凈跨為3.8米,另一小拱凈跨為2.85米,圈石厚65厘米。每個(gè)小拱圈的東西兩外側(cè),各鋪設(shè)一層厚約16厘米的護(hù)拱石。小拱亦為并列砌筑。趙州橋的石拱橋跨徑紀(jì)錄,直到1959年湖南黃虎港橋的建成才被打破,長(zhǎng)達(dá)1300余年。趙州橋制作精良,結(jié)構(gòu)獨(dú)創(chuàng),造型上既穩(wěn)重又輕巧,正如橋頭關(guān)帝閣兩楹對(duì)聯(lián)所寫(xiě):船從碧玉環(huán)中過(guò),人在蒼龍背上行。趙州橋的建成令當(dāng)時(shí)相當(dāng)杰出的小商橋、橋樓殿橋都黯然失色,不僅如此,其橋式成為后世建造單孔空腹坦拱石拱橋的范本。
厚墩聯(lián)拱石拱橋的出現(xiàn)略晚于空腹式石拱橋。從技術(shù)結(jié)構(gòu)上講,厚墩聯(lián)拱是單拱的集合體,每拱單獨(dú)受力,一拱受力或受損,不及其他,臺(tái)粗大厚重,承重能力很強(qiáng),特別適合北方以車(chē)為主要交通工具地區(qū),此外,這種橋式還具有較強(qiáng)的抵御洪水沖擊能力,因此在南方山區(qū)亦很實(shí)用。著名的北京市的盧溝橋、云南省的雙龍橋均屬此列。北京市頤和園十七拱橋也采用這種橋式,可能是要體現(xiàn)皇家園林的氣派,昭示帝王基業(yè)的穩(wěn)固,并無(wú)實(shí)際價(jià)值。
與厚墩聯(lián)拱相對(duì)應(yīng)的是薄墩聯(lián)拱石拱橋,多見(jiàn)于南方軟基水網(wǎng)地區(qū),一般采用木樁基礎(chǔ)的柔性墩臺(tái),一孔受力,引起橋墩變形,將力傳遞到相鄰拱圈,令體拱協(xié)助受力,分解了作用在墩臺(tái)上的水平推力,這種結(jié)構(gòu)減少了墩臺(tái)重量和體積,不僅降低了水下工程量,也便利船只航行。此類(lèi)橋式在以水運(yùn)為主要交通方式的江浙地區(qū)非常多見(jiàn),其中最著名的是建于唐朝的蘇州寶帶橋。
石拱橋是中國(guó)古代橋梁建設(shè)中最普遍采用的結(jié)構(gòu)形式,拱圈類(lèi)型也多種多樣,浙江省縣公元1836年建成的玉成橋,其石拱已呈現(xiàn)代拱橋常用的懸鏈線狀,接近現(xiàn)代拱橋,中國(guó)古代拱橋的技術(shù)成就由此可見(jiàn)一斑。
三、吊橋
吊橋又稱(chēng)索橋,是跨越能力最強(qiáng)的橋式,多見(jiàn)于中國(guó)西南高山峽谷、水流湍急的地區(qū)。吊橋種類(lèi)很多,根據(jù)索材,可分為藤索吊橋、竹索吊橋和鐵索吊橋等;根據(jù)結(jié)構(gòu),可分為單索、雙索、三索、多索,單跨、雙跨和多跨等等。其中多索單跨、雙跨鐵索橋最為常見(jiàn)。
藤索吊橋出現(xiàn)的年代最早,但由于橋的規(guī)模較小,又地處深山峽谷,少有文獻(xiàn)記載。專(zhuān)家根據(jù)科技發(fā)展規(guī)律判斷:無(wú)須過(guò)多加工,耐拉能力很強(qiáng)的天然藤條應(yīng)該是人類(lèi)最早利用的索材。有些藤條自然生長(zhǎng)攀越峽谷,形成天生吊橋,但無(wú)論天生吊橋還是人工藤索橋都是簡(jiǎn)易橋梁,牲畜都很難通過(guò),可謂吊橋的雛形。
竹索橋的出現(xiàn)晚于藤索橋,顧名思義是以竹蔑為索材。公元前3世紀(jì),西蜀太守李冰在成都附近建造七橋,其中一座為竹索吊橋,后世文獻(xiàn)多有記載,可見(jiàn)規(guī)模不小,且至少存在了600年。最著名的竹索橋是四川省都江堰安瀾橋,始建年代不詳,宋代前名珠浦橋,宋初用竹索建吊橋,改名評(píng)事橋,明末改橋?yàn)槎?,名伏龍渡,清朝嘉慶八年(公元1803)用竹索重修索橋,名為安瀾橋,20世紀(jì)70年代改建為鋼索橋。關(guān)于竹索吊橋,在西南竹鄉(xiāng)有不少記載,由于索材易腐,現(xiàn)已很難見(jiàn)到。
在冶鐵技術(shù)成熟以前,許多地方就地取材,建成了各種各樣的吊索橋。最特殊的要數(shù)西藏自治區(qū)日喀則以牛皮為主索的彭錯(cuò)嶺索橋,它建于1800年前,長(zhǎng)達(dá)230米,利用地形在江心設(shè)墩,飛渡雅魯藏布江,吊索以牛皮擰搓而成,涂以酥油,歷久不腐,直到20世紀(jì)七十年代才更換成鐵鏈,值得一提的是其江心石墩,以亂石干砌,底部以巨木為樁,插于江心,迎千年激流而不潰,在世界橋梁史上堪稱(chēng)一絕。
隨著冶鐵技術(shù)的普及,以鐵索為主要索材的鐵索橋才使吊橋真正成為一個(gè)獨(dú)立橋式,與梁橋、拱橋比肩而立。中國(guó)鐵索橋最早的記載出現(xiàn)在唐朝,但留存至今的大部分為明朝所建。建于1475年的霽虹橋,位于云南省保山永平縣博南古道的蘭津渡口,跨瀾滄江,是中國(guó)最早的有詳細(xì)文字記載的鐵索橋之一。據(jù)茅以升主編的《中國(guó)古橋技術(shù)史》記載:古以舟渡,兩岸高險(xiǎn),橫亙大竹索為梁,上布簣,上實(shí)板,其穿索石孔相傳為孔明所鑿。元元貞年間(公元1295至1297年)也先不花西征,易以巨木,后改舟渡。明成化中(公元1465至1487年)僧了然建鐵索橋,清順治年間(公元1644至1661年)重修。兩端系鐵纜16根,板纜上,南北筑四座關(guān)樓,橋西崖題曰西南第一橋。清代屢經(jīng)重修,置鐵索18根,橋凈跨57.3米,兩岸橋臺(tái)長(zhǎng)56.1米,總長(zhǎng)113.4米。1986年,東岸橋臺(tái)毀于洪水。據(jù)《中國(guó)公路》雜志2000年17期載文《重建霽虹橋記事》報(bào)道:云南保山洞經(jīng)協(xié)會(huì)募捐重建,歷時(shí)3年,募資10萬(wàn)元,于1999年底建成。新橋位于舊橋上游20米處,為鋼索吊橋。
中國(guó)最著名的鐵索吊橋是四川省甘孜的瀘定橋,跨徑達(dá)100米,是中國(guó)古橋中跨徑最大的橋梁之一,由13根鐵鏈組成,4根為兩側(cè)護(hù)欄,9根底索并排橫越大渡河,上鋪木板成為橋面寬達(dá)3米,鐵索兩端繞過(guò)石砌橋臺(tái)頂部,錨固于橋臺(tái)背后底部,這種錨固形式在古代鐵索橋中最為常見(jiàn)。
中國(guó)古代吊橋數(shù)量不多,但建造工藝非常領(lǐng)先,這也為現(xiàn)代懸索橋提供了寶貴啟示。
四、浮橋
浮橋是在江河之上聯(lián)結(jié)可浮體的一種特殊橋型,又稱(chēng)舟橋、橋航。一般為臨時(shí)橋梁,適用于寬闊的大江大河,在黃河、長(zhǎng)江上曾建過(guò)不少,但現(xiàn)已不存。
浮橋以船為主體,以竹纜、鐵鏈聯(lián)結(jié),上鋪木板,供行人車(chē)馬通行,為加強(qiáng)穩(wěn)定性,竹纜、鐵鏈需在兩岸錨定。山西省蒲津渡浮橋以竹索系船,始建于公元前257年,是有記載的第一座固定式浮橋,至唐開(kāi)元十二年(公元724年)改竹索為鐵鏈。在東岸和河心洲上各鑄4牛4人以錨掛鐵鏈,再系上巨船成浮橋。1989年在山西省永濟(jì)發(fā)掘出唐代蒲津浮橋東岸,錨錠浮橋鐵索的4頭各10多噸重的4個(gè)真人大小的鐵人,鑄造精良,氣韻生動(dòng)。因鐵牛鑄于唐朝開(kāi)元年間,故稱(chēng)開(kāi)元鐵牛,此橋當(dāng)時(shí)是黃河上的重要通道。
浮橋歷史悠久,但由于其本身穩(wěn)定性差、阻礙通航、易于損壞,現(xiàn)在已很少建造,大多因軍事用途而臨時(shí)搭建,不能成為主流橋型。
總之,中國(guó)古代輝煌的造橋技術(shù),特別是石拱橋的建造技術(shù),為現(xiàn)代橋梁建設(shè)定了良好的基礎(chǔ),許多工藝、經(jīng)驗(yàn)和理論仍在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中得以運(yùn)用。