北宋东京城顺天门城墙夯筑技术研究
摘 要:北宋东京城顺天门是一座主城门为一门三道的方形瓮城。城门建筑主体为夯土砌筑,城门包砖。城墙墙体版筑,版筑内分层夯筑,墙体中部夯窝较稀疏,两侧夯窝分布相对密集。城门是一座高台建筑,高台下部为瓦片夯,上部为黏土夯,承重的部分黏土被剔除,仍采用瓦片夯的方式进行填筑。瓦片经过筛选,大小均匀,品种单一。夯土颜色单一,土质纯净。
关键词:北宋;顺天门;夯筑;成分;力学性能
北宋东京城是11世纪世界上最伟大、最富庶、最繁华的城市,是中国近代型城市的开端,其城市本身的城制与规划对辽中京城、南宋临安城、金中都城、元上都城、明清北京城都产生了深远的影响,被称为古代都城建制的“东京模式” 。
顺天门是东京城外城西墙上唯一的“正门”,是东京城的西大门,是东京城外城上的4个最重要的门户之一,兼具交通、礼仪、军事、商贸、管理、观赏等功能。
一、城门概况
北宋东京城遗址在现地表已经查无踪迹,成为深埋地下的一处大遗址。2012—2017年,河南省文物考古研究院和开封市文物考古研究所对北宋东京城顺天门遗址联合开展了大规模的文物勘探和考古发掘工作。考古成果显示,顺天门遗址破坏较为严重,深埋在地下8—9米之间,城墙主体和主城门的中门道区域损毁尤甚,但主城门的平面布局和形制结构基本清晰。
顺天门是一座方形瓮城,南北长160米,东西宽100米。瓮城外侧有护城壕。城壕东距瓮墙15米,开口宽25—31米。瓮城圈内以主城门的中门道为轴线,南北对称分布,各有一座面阔五间、进深两间的高台建筑。
顺天门主城门平面为一门三道的布局,南北面宽54.2米,东西进深23.8米,由墩台、门道、隔墙和马道组成。北墩台和南墩台面宽均为13米,进深23.8米。北隔墙和南隔墙面宽4.8米,进深23.8米。中门道残存宽度8米;南、北门道东西23.8米,南北5.3米。城墙墙体宽20.4米。主城门内侧尚存有包砖,包砖墙先向西(瓮城内)折2.9米,后又各向南北两侧延伸6.1米。北马道位于北墩台北侧的城墙东侧,宽5.6米,发掘面积内长10.8米,钻探发现其总长度约26米(图1-1)。
图1-1 顺天门遗址平面图
二、城墙墙体夯筑情况
顺天门城墙主体为夯土砌筑。城墙墙体是用纯净黄褐色黏土版筑而成,每版内又分层夯筑。以北墩墙北侧城墙断面为例,墙体为纯净的黄褐色黏土版筑,先筑中间版,再贴筑,逐层抬高版筑。上下两层的版筑位置错缝叠压。一版宽2—4米,厚0.6—1米。墙体表层黄褐色,土质坚硬,夯窝明显。每层夯土厚0.1—0.15米,基础部分亦由黏土夯筑,深1—1.7米(图1-2)。
图1-2 顺天门城墙墙体断面上的夯层及版筑痕迹
揭露出来的城墙墙体底部东西宽20.4米,墙体的倾斜角度为60°。
根据表层夯窝直径及深度的不同,可以将揭露出来的城墙墙顶区域划分为不同的部分:东西两侧的部分,夯窝直径相对较小,密度相对较大,每平方米约600个夯窝,夯窝直径0.03—0.05米,深约0.01米;而墙体中部的区域,其表层夯窝直径相对较大,密度相对较小,每平方米约116个夯窝,中部区域的夯窝直径约0.07—0.09米,深约0.015米。
夯窝的分布非常均匀,而且排列有序。仔细观察可以发现,夯窝可以划分出数量不同的组合单元。其中有20个一束的夯窝、12个一束的夯窝、11个一束的夯窝、10个一束的夯窝、9个一束的夯窝、7个一束的夯窝、6个一束的夯窝、4个一束的夯窝等八种组合单元。这些不同的组合可能是不同的夯具所留(图1-3)。
图1-3 不同组合单元的夯窝
三、主城门基础夯筑情况
顺天门主城门修建在一座完整的夯土台上。夯土台分为上、下两层,下层为瓦碴基础,厚0.5—0.8米;上层为黏土夯,厚1—1.3米,总厚度为1.5—1.8米。瓦碴基础中的瓦片选材单一,没有其他掺杂物,铺设厚度均匀,平均厚度0.05米。黏土夯的夯土全部选用黄褐色黏土进行修筑,平均厚度约0.1米。在铺设好的夯土台上划定出墩台、门道、隔墙和马道等不同的区域,然后在墩台、隔墙、马道等需要承重的区域下挖成倒梯形的基础槽,再在基础槽内用瓦片和黏土交替夯筑填充。下挖的基础槽平均深度在1米左右,均没有超过黏土夯的厚度,亦没有打破下层的瓦碴基础。
瓦碴夯是一层瓦片和一层黄褐色纯净黏土交替夯筑而成。瓦碴每层厚0.04—0.06米,黏土层厚0.06—0.09米,共保存有8层瓦碴层和7层黏土层,保存厚度约0.8米(图1-4)。
图1-4 基础部分的瓦碴夯
《营造法式》卷三《筑基》:“筑基之制……每布土厚五寸,筑实厚三寸。每布碎砖瓦及石札等厚三寸,筑实厚一寸五分。” 实际测量,瓦片厚约0.08米,黏土厚0.15米,揭露高度1米。
瓦碴夯中的瓦片形状不一,但大小较为均匀。瓦片多单面饰有布纹,边长多为0.04—0.08米,厚约0.015—0.02米,单片瓦片重40—70克。
黏土夯,夯层明显,每层厚0.1—0.14米,层面上夯窝分布密集且均匀。夯窝直径0.035—0.061米,深0.003—0.011米。夯土墙所用黏土土质坚硬、纯净,呈黄褐色,夹杂少量褐色黏土点,清理高度0.85米。
四、城墙夯土检测情况
河南大学考古与文化遗产保护实验中心的金锐教授对顺天门城墙墙体及基础内的夯土标本进行了实验检测。实验利用超景深三维显微对夯土标本进行观察记录;利用便携式X射线荧光仪(P-XRF)对夯土样品进行定位和图像记录;利用X射线衍射仪(XRD)对夯土标本进行连续扫描等。
显微观察结果显示,两类夯土样品均有明显的夯打分层,样品表面可见明显的石英颗粒,可见黑色碳化物夹杂。比较而言,基础部分的夯土样品的材质相对疏松,城墙墙体部分的夯土样品结构较为致密。
成分分析结果显示,两种夯土成分基本一致。在各种矿物成分中,Si的含量较高。矿物成分中的Si应源自石英砂骨料,Al可能源自粘土矿物。
物相分析结果显示,顺天门遗址夯土样品中的主要矿物成分有石英、方解石、长石、云母和微斜长石等。对两类夯土样品进行半定量分析,结果显示石英占的比例最大,高于60%;方解石占的比例最小,低于3%。
这些实验数据表明,顺天门遗址中,其城墙基础部分的夯土和墙体中的夯土成分一致。夯土样品中的方解石含量较低,可能源自原始夯土料,抑或人为添加石灰,但验证则需要取同地层生土进行比较。
五、城墙墙体的力学性能
河南大学建筑与土木工程学院的岳建伟教授带领其指导的硕士研究生李莹玉共同对顺天门夯土城墙的力学性能进行了实验检测。
实验利用大型数值模拟有限元分析软件ABAQUS,建立了顺天门土遗址危险边坡的模型,在此基础上计算出了危险边坡在不同工况下的安全系数。这项研究成果可帮助我们有效判断出夯土遗址的力学演变趋势,为土遗址的保护奠定基础。
实验结果表明,在非饱和状态、没有外力加载的天然状态下,顺天门夯土城墙的边坡是稳定的(图1-5)。
图1-5 天然状态下边坡Fu-U1关系图
六、初步认识
元丰元年(1078),在宋用臣主持完成东京城外城的修砌后,为了记录这次伟大的工程,宋廷诏知制诰李清臣记之。李清臣记之曰:
“以三岁之绩,易数百年因循之陋,崇墉迄然,周五十里一百六十五步,横度之基五丈九尺,高度之四丈,而埤堄七尺,坚若埏埴,直若引绳。惟我汴京,气象宏伟,平广四达,罔阜缭转,隐磷地中,若龙盘虎伏,睨而四据。浊河限其北,漕渠贯其内,气得中和,土号沃衍,霏烟屯云,映带门阙,望之者知其为天子之宅,周世宗广而新之,逮此百二十有五年。圣主营于无为,图于弗用,取羡卒共其力,兵不逾一万,分部者六,板幹递迁,畚钟贯序,创机轮以登土,为铁疏以固沟,肇于丙方,环于四浃,度功五百七十九万有奇,所省者十之三。其作怡然,其成裕然,人不及计,士不及议,而城以全新奏矣。又有材易八门,崇端显严,遂与城称。”
本次筑城完工后之外城,正如《东京梦华录》中所记:“新城每百步设马面、战棚,密置女头,旦暮修整,望之耸然……(城内)每二百置一防城库,贮守御之器。”
如今我们通过考古发掘和现代科技手段,可知城高壕深、土脉坚致的东京城外城城墙墙体底部宽20.4米,基础深1.5—1.8米。根据《营造法式》的规定推算,城墙高约14.16米,顶宽约7.92米。城墙墙体版筑,版筑内分层夯筑,墙体中部夯窝较稀疏,两侧夯窝分布相对密集。城门修建在一座完整的高台上,高台下部为瓦碴夯,上部为黏土夯,承重的部分黏土被剔除,仍采用瓦碴夯的方式进行二次填筑。瓦片经过筛选,大小均匀,品种单一。夯土颜色单一,土质纯净。