中国古代金属建筑的起源与发展

2023-10-18 理论教育版权反馈

【摘要】：欧美铁框架建筑的产生与发展与其他所有“西洋楼式”建筑不同，故宫灵沼轩颇有新意地使用了铁框架与砖石墙结合的结构。这种结构显然不是之前中国金属建筑所习用的，而且，铁框架建筑在当时的欧洲也只是近100年间产生的新生事物。因此，有必要对铁框架建筑的来龙去脉稍加梳理，以便完整理解灵沼轩的价值和历史地位。人们开始主动探寻将铸铁材料应用于建筑工程的技术。

（1）欧美铁框架建筑的产生与发展

与其他所有“西洋楼式”建筑不同，故宫灵沼轩颇有新意地使用了铁框架与砖石墙结合的结构。这种结构显然不是之前中国金属建筑所习用的，而且，铁框架建筑在当时的欧洲也只是近100年间产生的新生事物。因此，有必要对铁框架建筑的来龙去脉稍加梳理，以便完整理解灵沼轩的价值和历史地位。

在欧洲，起初铁的使用只是辅助性的，用于链条、支撑和石建筑中的毛石连接件、腰箍、拉杆等^[24]，类似中国传统建筑中“铁活儿”的作用。后来，铁也被用于荷载不大的屋顶，比如维克多·路易斯（Victor Louis）于1786年设计的法国波尔多剧院屋顶。直到英国在铁工业上取得决定性的进步，才使铁的生产得以增长，充分满足了这个世纪末的新需求^[25]。人们开始主动探寻将铸铁材料应用于建筑工程的技术。

在英国，1779年第一座铁桥在科尔布鲁克代尔的塞文河上架起来，至19世纪头30年间，大量的桥梁、下水道和渠道用铸铁建成。1790年左右，英国人约翰·威尔金森（John Wilkinson）力排众议，在一项教堂的建筑工程中，使用铸铁柱子代替了石柱来支撑内部的神坛，这在当时是相当大胆的尝试——虽然铸铁完全可以胜任这项任务。

英国工业革命后，纺织业蓬勃发展，大量的纺织厂出现。纺织厂中的纤维、油脂经常有被油灯、蜡烛和传送带静电火花引燃的危险。出于防火的需求，人们一直寻求木结构厂房的替代者。1792年，一家棉纺厂（Calico Mill）在英国的德比（Derby）建成。设计者威廉·斯特拉特（William Strutt，1756～1830）就是该厂的所有者。这个棉纺厂使用了铸铁柱、铸铁梁，梁之间铺设弓形砖拱楼面，砖拱产生的侧推力用两端的厚墙来抵消。厂房的规模有30英尺（约9.1米）宽，115英尺（约35米）长，高6层，在当时是一座很大的建筑了。^[26]

李约瑟则认为Calico棉纺厂不能算是最早的铸铁框架建筑，并参考了斯肯普顿（Skempton）的论述，认为“真正划时代的建筑物是查理斯·贝治（Charles Bage，1752～1822）1797年于英国斯尔斯堡（Shrewsbury）完成的一幢五层高、至今仍然保存良好的亚麻工场。在这座厂房中，铸铁的梁由铸铁的柱子来支承，并且与砖砌的弓形拱券相连，横向的稳定仍然有赖厚厚的外墙。这是第一座铁框架的建筑物。”^[27]

倒T型铸铁梁在这时得到了应用，以解决铸铁抗弯能力小于抗压能力的问题，并获得了成功。这也促使英国许多著名的工程师致力于材料的力学实验，以发现材料的极限跨度和荷载强度。铸铁梁的跨度记录不断被打破。其他配套技术也不断被研发采用，如威廉·费尔拜恩（William Fairbairn）于19世纪初在约克夏（Yorkshire）建的沙特尔工厂（Saltaire Mills），使用了现代常见的工字梁，楼面拱券用砖也改用了空心砖以减轻重量，还使用了通风用的空斗砖墙。沙特尔的主厂房是当时欧洲最大的厂房，建成时业主在内部举办了3500人的大宴会，据说毫不拥挤而且通风良好。不过沙特尔厂房铁梁跨度的记录很快就被打破了。1824年大英博物馆的铁梁跨度已经达到41英尺（约12.3米），厚3英尺6英寸（约1.07米）。^[28]

在法国，受启蒙运动的影响，法国于18世纪80年代也已开始探索在建筑中运用新的技术和发明。出于防火的目的，一些建筑师尝试用铁框架来造房子。19世纪初，拿破仑的统治促进了法国铁工业的发展，法国能用铁来建造大规模的工程了。如1801～1803年的艺术之桥（Pont des Arts），1811年巴黎麦市场（Halle au Blé）的铁质穹窿，1824年梅德琳（Madeline）市场的铁房顶，1830年勒诺（Lenoir）完全用铁造的巴黎的一家商店。1836年，工厂开始机械化生产H型铁桁条，铁屋顶逐渐在各种普通建筑中取代了旧的木结构。1837年，沙特尔教堂的木屋顶被包了铜的铁结构所替代。此外还有越来越多的铸铁桥梁和悬索铁桥出现。^[29]

铁和玻璃的大天窗也在许多公共建筑物中出现，例如梅德林教堂的天窗，1829年用玻璃覆盖的巴黎皇宫奥尔良廊，它是19世纪玻璃廊的原形。一些大型温室广泛使用了玻璃，如1833年建的巴黎植物园（图7-36），1837年的查茨沃思（Chatsworth）植物园，1844年建造的邱园（Kew Gardens）。有时这些温室也开发成公共聚集场所，如巴黎爱丽舍田园大街上的植物园。

1851年伦敦的“水晶宫”可谓对这些探索的总结和集大成，标示着欧洲对铸铁的运用、对新的建筑形式的理解已进入了新的阶段（图7-37）。用英国评论家的话来说：与水晶宫表现出的结构上的简单和明晰相比，世博会展品的设计水准和品位反而全都不值一提了。伦敦水晶宫建成后，影响巨大。受其影响，纽约于1853年也建了自己的水晶宫，加拿大的多伦多、汉密尔顿分别于1858年、1860年也建造了水晶宫。

从以英、法为代表的欧洲国家使用铸铁建造建筑的历史，可以看出他们的发展是与思想启蒙运动、工业发展需求以及对技术的孜孜探索紧密联系的：

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图7-36　巴黎植物园室内

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图7-37　伦敦水晶宫室内(www.chuimin.cn)

起初，防火需求促成了铁柱、铁梁框架加砖墙、砖楼面结构的发明，但这种结构虽然解决了防火问题，但也有结构上的潜在危险。一旦有一跨砖拱破坏或一根铁梁断裂，就会引起从上到下一系列垮塌。这个问题因铸铁连系梁的使用得到了部分解决，但铸造时冷却不均带来的气泡、裂隙等铸铁质量问题引发的结构破坏，仍有待解决。人们将目光投向了高抗弯、抗拉能力的轧制铁件。到19世纪中叶，人们逐步克服了技术障碍，建造出大型轧钢厂，于是，能满足各种建筑尺寸要求的轧制铁梁面世了。1844年，福克斯和巴雷特公司（Messrs Fox&Barrett）申请了一种防火楼面的专利，这种楼面使用了螺栓锚固的工字型轧铁托梁，并且使用混凝土浇筑，使其坚固结合，从此取代了砖拱楼面（图7-38）^[30]。这样，在建筑工程师们不断地探索下，铁框架建筑终于解决了防火问题，同时也解决了结构安全问题。这一结构形式，也正是现代钢结构摩天大楼的前身。技术的相对成熟，也使铁框架建筑不限于在厂房中使用，而在民房、公共建筑中也大量应用。同时，随着温室、图书馆、教堂等需要采光的大空间公共建筑的发展，玻璃与铁框架结合的新建筑形式和建筑技术也逐渐发展成熟。

英、法为代表的欧洲铁框架建筑技术革新的历史，读之令人振奋。18、19世纪的建筑师和工程师们依靠智慧、科学和探索的精神，不断创造着代表时代最高制造水平的建筑工程。铁框架建筑甚至成为了不列颠殖民输出的标志——英国不仅建造了大量铁框架建筑，也向非洲、亚洲、美洲、澳洲等世界多个地区出口，如1858年温哥华岛维多利亚居民点抵达的一批预制的铁框架建筑，就“被认为是应地方长官要求运来的，可能是用铁来作为该岛两年前成为不列颠殖民地的标志”。^[31]

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图7-38　防火楼面节点构造

1844年

（2）中国铁框架建筑的引入和发展

中国近代铁框架建筑的应用并没有比欧洲晚很多。随着洋务运动（1861～1894）的进行，中国也开始建造大型厂房。然而，中国本身并没有合适的技术和材料，必须从国外进口。据薛福成的《出使英法义比四国日记》记载：

“湖北织布厂，初拟梁柱间架全用铁料。据英国工师傅次厂开价，内生铁大小各柱及水溜重六百零四吨，计英金四千零三十五磅；熟铁大小各枋梁重二百十四吨，计三千零五十磅；钢制大小各梁重二百十二吨十四亨德威，计一千八百零七磅十九先令；铁钉、铁螺丝重二十吨，计三百四十七磅：合共需价九千二百三十九磅十九先令。嗣改为弹花房、纺纱房、织布房必须用铁者始用铁料，计铁柱、钢梁、水溜价合六千七百五十磅。”^[32]

进口的成本是比较高的，因此中国大量的厂房采用的并不是这种昂贵的材料和形式，而是砖木混合结构、木桁架、钢木组合屋架等适应性的新型结构（“新”是相对传统木构来说）^[33]。全钢铁结构的厂房在19世纪初的中国并不多，最早的实例是汉阳炼生铁厂等六大分厂的主厂房^[34]。这是在厂房方面，对铁框架建筑的引进是出于工业生产对大空间的需要，以及对标准化预制和快速组装的需要。

在非工业建筑方面，中国对铁框架建筑的引入，其动力因素中对新技术的探索和需求并不明显，而更多是一种对工业化国家输出的接受，以及本土对时髦风尚和新样式的模仿、追捧。以与西方交流较早的岭南为例，近代岭南建筑在采光材料、铺装材料、结构材料三方面对西方传入的新型建筑材料进行了运用，其运用发展的动力可以归结为：外部因素方面，西方近代工业革命推动了工业化大规模生产，中国成为其重要的销售市场，大量新型建材输入；内部因素方面，岭南侨乡众多的华侨返乡购地置屋常有攀比炫富的心态，新型建筑材料因而得以大规模运用^[35]。

例如1890年广东的陈家祠堂，其连廊下使用了铸铁柱，但显然在这里使用铸铁柱并没有什么重要的技术作用，只是一种新的形式和风尚罢了（图7-39）。这种模仿样式而非模仿技术的极端案例，还可参见北京陆军部衙署的门厅雨篷——专门将木柱做成铸铁柱的形式，以顺应当时的时髦式样（图7-35）。

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图7-39　陈家祠堂的铸铁柱连廊及其节点细部

在这样时代背景下的灵沼轩，虽然有功能和技术上的新意，但并不是在中国古代金属建筑技术的基础上自我研发、探索的产物，而是对西方成熟技术的直接使用。从使用的目的来说，灵沼轩本身也就是一座深宫中奇异新巧的建筑，因此，它既不像铁框架厂房那样，是技术探索、革新升级的产物，也难像伦敦水晶宫那样成为建筑形式革新、建筑与环境关系革新的示范。

中国古代金属建筑的起源与发展

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