宋《清明上河图》虹桥建筑的研究
九百多年前，山东益都地区的劳动人民，创造了一座独特构造的木拱桥—虹桥。因为它具备突出的优点，当时在汴河流城得到迅速推广，为这个地域水陆运输的畅通发挥了很大的作用，充分显示了我国劳动人民的勤劳智慧。但是这项由劳动人民发明和创造的建筑工程，不仅因为历史条件的局限而失传了八百多年，即使在创建推广的年代里，在封建统治阶级编篡的所谓“正史”中，它的创作权也被颠倒了。现在挖掘这项古代的发明创造，对于研究我国古代桥梁建筑的历史和促进今天桥梁建筑技术的发展有一定参考价值。
虹桥，绘录于宋代大画家张择端的名作《清明上河图》卷（图一）。昔时泛名“飞桥’，也有“虹梁”“飞梁”之称。关于虹桥，文献曾有零星记载。
《渑水燕谈录·事志》：“青州（今山东益都）城西南皆山，中贯洋水限为二城。先时跨水植柱为桥，每至六七月间山水暴涨，水与柱斗率常坏桥，州以为患。”这段记载表明，青州城在创建虹桥前，所架简单桥梁常为夏洪山水所毁，阻塞交通的景况。又云：“明道中（1032—1033），夏（竦）英公守青（州），思有以捍之；会得牢城废卒有智，思叠巨石固其岸，取大木数十，相贯，架为飞桥，无柱，至今五十余年，桥不坏。”确切记录了虹桥创始年代和提出结构方案者的身份，描述了这座建筑物的大概构造、用料和外形特征，肯定了历经岁月的可靠数据。又云：“庆历中（1041—1048），陈希亮守宿（州）（今安徽宿县），以汴桥坏，率尝损官舟害人，乃命法青州所作飞桥。至今汾（黄尧圃校本作“沿”）汴皆飞桥，为往来之利，俗曰虹桥。”
陈希亮于宿州仿建一事，《宋史》也有类似记载：“……州跨汴为桥，水与桥争常坏舟，希亮始作飞桥，无柱，以便往来，诏赐缣以褒之。乃下其法，自畿邑至于泅州皆为飞桥……”
汴京的虹桥，《东京梦华录·河道》有着重要的记述：“自东水门外七里至西水门外，河上有桥十三。从东水门外曰虹桥，其桥无柱，皆以巨木虚架，饰以丹艧，宛如长虹，其上、下土桥亦如此。”《清明上河图》之绘录与《东京梦华录》的描述相互印证，可以肯定，图上绘的虹桥，就是昔时汴梁地区同类结构中的一座。
从青州虹桥之建，到汴梁的普建虹桥，自然积累了许多经验，所以注京地区的虹桥，可认为是昔时同类结构的典范，而《清明上河图》上的这座虹桥，又可视为代表作了。应该感谢《清明上河图》的作者，他给我们摄下了北宋京都一角的社会情景，尤其对虹桥的结构、布局方面作了十分真切的描绘，使得我们今天对古代这项具有重大价值、失传了几个世纪的建筑和结构型式，有可能进行研究和借鉴。
精心设计 严道布局
展开《清明上河图》卷，呈现在我们面前的是一幅以虹桥当中心题材的汴京东郊的生动景象。这座引人注目的虹桥是一座单跨等边折线形的木构拱桥（图二）。跨径近25米，净跨20米左右，拱矢约5米，水面净高55—6米，从图上可以看出，桥下净空能够满足通航要求。桥宽足有8米。矢跨约一与五之比。桥堍、拱背培土垫层，减少了桥面的纵向坡度，所以桥上人马车轿往来尚称便利。各部分尺寸可大致按相应比例量得，笔者试用推导的矢跨公式作验算，两者数据甚相合。
虹桥设计严谨，构造精巧，显示出高度的建筑技术和艺术水平，现就以下三个方面作概略分析。
（一）独具匠心的不对称建筑
从正面观察，图上虹南舟图二虹桥简图桥似只有五节拱骨①，实际上主拱由六节拱骨组成。末节拱骨之一段，作为北端拱趾被培土垫拱而埋置于桥堍之下，故看来不甚明显，易被忽视，但这部分构造，在图上还是画得很清楚的：我们从桥底看过去，并对北桥堍下面的箱壁与拱骨交接部位的构造加以分析就可证实（图三）。
主拱横向共二十或二十一道拱骨，每道为一根大圈木，其上下两面均经锯、锛作成平面，所以在桥底看来，每根拱骨底面均有二很线条，实非二根拱骨并列成组②
主拱虽为六节拱骨，然而分析其拱顶位，却并不在拱的中央，而当位于从南第三节拱骨腰部所饰‘吸水兽面’横板处或稍偏北，大致拱顶以南为三个节间，向北是四个节间。此则表面两端拱趾的座落不在同一高程，成为与跨径中央竖直平面不对称的坡拱。
北桥堍下，厢壁至水边间设有通道，以利船工縴船过往，上有栏枋四柱十二间隔，固定于拱骨。然而我们多方面分析南桥堍，却并无类似北桥堍下人行通道的构造。
建桥者何以作此布局？我们通过画卷对汴河沿岸作过细的观察，原来南岸高而陡（大概位于河湾，受水冲刷之故），北岸则坦而宽，虽两岸高程大致相同（汴河为人工河），但因地势有差异，堤岸在一定宽度内高程并不相同，此其一；其二，航行在河上的船只，顺水而下的尽靠河的南边行驶，顶水而上的船靠北侧行驶，致使縴者尽走北岸。这种现象还可以从两岸边的小道上看出来，比如北岸择者过往频繁，挽道明显，南岸因无株者通行，所以虽有小道而不明显（图四）。
虹桥的建筑者们，根据地势的特点，结合着多方面的使用要求，在设计上作了续密综合的考虑：他们采取因地势建筑的布局原则，在满足船只航行的前提下采用了六节拱骨—最小矢跨的构造，减缩了工程量，兼顾了结构稳定性能，更加便利了桥上往来；在方便縴者通行的原则下，减去了南边桥堍下的通道，节省了用料和工量，又达到取得最大净跨的实效。他们还充分掌握了矢跨度与拱骨长度、材料粗径及其裤削深度间的几何关系，对矢跨和拱度作到了精确控制，顺利地达到预定的筹谋，这里不仅显示出古代建筑工匠建筑技术的深湛造诣，更可体会他们是如何从实际出发，因地制宜地加以灵活运用，从而求得最佳之实用效果。
（二）稳定结构的措施
虹桥的负荷比较复杂，荷载量也大，我们试通过画卷作粗略分析。
从画面来看，桥上人群熙攘，乘马、赶骡、拉独轮车、抬轿、肩挑、摊贩、十分繁闹。在这不足20平方米的水平面积上聚集着如此众多的人畜物品，密度实属少见。还有成队骆驼穿城而出。据《东京梦华录》所记，那时有一种‘太平车’的大型搬载工具，能载重数十石，需骡或驴二十余头或牛五、七头拖拽。这种载重车作用于桥上的集中负荷量当然很大。我们注意到桥上的负荷很不匀称，不仅桥栏两侧有所偏重，南北半桥更不平衡。南半桥处闹市中心，摊贩均设于这半边，游人亦多集于此。我们还看到桥洞下面，那条被湍急的水流冲击而斜在河面的大船，为了免除与顺流直下的另一条木船相撞，船工们有的用撑钩撑着桥身，有的跑上了桥往下抛绳索，有的钻进桥洞拿着卷起的縴绳，呼叫着要抛向船头，都为的要把船头顺过来。这些紧张的劳作，都给桥身施加了推力和拉力（见图三）。于此可见这座桥荷载之大，受力之复杂了。
可是虹桥的矢跨都不算小，而主拱又系多段构件纵横相贯而成，负荷后，外力经过节间往返传递，构件均产生很大内力，容易使结构横向扭曲变形。因此，在构造上如果处置不当，就有散架危险。然而智慧的桥工匠师对虹桥的构造作了精心研究，尽管他们在当时还不可能进行力学计算，但他们丰富的实践积累的经验，不仅精确地判断这些大木能够胜任而大胆采用，更重要的是，在构造上采取了许多严密的措施：
在拱身，横骨以整根大木横贯全桥，使节间的拱骨均能通过横骨构成有机联系。节点间使用了类似“铁马”的铁件，把下缘拱骨—横骨—上缘拱骨结成整体，并利用拱骨密排的挤束作用，达到限制结构的几何变形—具有现代纵横联结系的作用。
虹桥的设计师们还注意从底座来增强整个结构的稳定作用。它一方面结合着桥上通行的要求而加大桥面—底座的宽度，另一方面在结构布局中突出了埋置拱趾，培土压拱的措施（参见图一、二）。我们从厚度不大的面层及其间的线条来分析，当在拱骨面层紧贴弓面垫木，其垫木及垫木与拱骨间都会有相当紧密的结合，使之与主拱共同作用。其上，板仿密铺全桥，压拦土仿，用三角木固定（图五）。从桥面路面混为一色和使用效果来分析，其间当铺筑虽然不厚但可能是相当严实的灰土面层，以构成牢靠的桥面。桥面灰土处置，是一项经过周密构思的十分成功的技术措施，它既很好地经住了桥上巨大流量的磨图五桥面细部构造耗，又避免了那种石板桥面斜坡滑跌不便车辆、人畜通行的缺陷。它还有效地防止雨水浸蚀主构件，对延长桥梁的寿命起着重要作用。这些都表明虹桥的建筑者们，吸取了当时石拱桥的修建经验，在木质的虹桥上作了创造性的应用。
虹桥跨越的汴河水势很大，桥下再经束水，水流更显湍急，其水力冲刷会严重影响桥基的稳定，所以桥工们同样注重于下部构造。“垒巨石固其岸”，桥台均用方正琢石作了精心砌筑，以熟铁鼓卯拉联，并在桥台两侧一定宽度内砌造了石护岸。护岸高于桥台，其间连以步借；台上筑有厢壁，改善了拱趾的防护条件，保证了桥基安全（参见图三）。
这座不小的单跨木拱桥，在复杂的受力份况下，又久经大自然的侵蚀而不朽败，显示出足够的强度和稳定性，充分证明了这些措施的严谨和卓有成效。
（三）优美的艺术造型
虹桥以其优美的艺术造型入选成为《清明上河图》主题表现的中心部分。
首先它以薄薄的拱体，使一座偌大的木桥显得轻盈苗条。桥堍培土压拱，形成了桥面平缓的反向曲线，使桥身波浪起伏，倍增观瞻。桥端两侧矗立华表木柱，配以精致敦实的石台岸，衬托着圆弧形的拱身，突出了井个准筑立面。桥檐封以飞边，犹如披上了鲜明的裙带；横骨端部的戏水兽面板（图六）点缀着桥的正面，给人以朴实、端庄的印象。桥前的华表，顶端白鹤佇立，神态各异，栩栩如生（图七）。关于华表白鹤，杜甫诗有“褰裳不涉往来通，天寒白鹤归华表”之句。
桥身“饰以丹艧”。‘艧’，舟也，用于此似不当，该是‘艧’字之误。查‘丹艧’属赤石脂类，朱色，为油漆颜料③。丹艧刷饰，是昔时营造建筑惯用的重要防腐术，又是作为装饰的一项传统手法。（宋）梁洽《梓材赋》有“上栋下宇资丹雘之余饰”之词，郤昂《前题》也有“明其章于木，必须其丹漆”的句子。虹桥的实例，表明了我国这项传统技术措施，不仅适用于静载的营造建筑，而且在经受活载的敞露于大气的桥工建筑同样有成效。
飞边封檐和兽面横板，全有防止雨水浸蚀拱身的效用。涂饰的漆料，受桥面蔽荫，故能长期发挥其防腐作用
虹桥的艺术处理，体现了实用与美观的巧妙结合，达到了完美和统一，体现了昔时建筑工匠深湛的艺术造诣和认真的求实精神。
独创的结构型式
虹桥有其多方面的成就，而以奇特的主拱结构最为突出，是木结构一项很有价值的创造。
虹桥主拱骨架的构造可谓简单明了（图八），在图上能够看得清楚。这种骨架是由两类主构件—纵骨和横骨组成的，每个节间以若干并列的纵骨和架在纵骨中间部位的横骨所构成。整个结构，除两端拱脚各自架在桥台上外，都是通过构件的纵横相贯、交错搭置、相互承托、逐节伸展，形成所谓‘虚架’，达到结构的完整和稳定，构成区别于现代一切桥跨体系的结构型式。
跨径长短，主要由纵向节间的多少和构件的长度而定。拱度的大小，除与纵横构件的粗度有关，主要是通过对接合细部构造的调整进行控制。
这个结构的构造型式尚有诸多变化。笔者曾依其结构原理，推演出没有拱度的平形的构造型式。
为了区分于现有诸桥跨体系，考虑其结构演变，兼以纪念古代的这项创造，且称此类结构为‘虹梁结构’。
‘虹梁结构’创始距今达九百多年，不仅是我国桥梁建筑工程上首先发明的以木构件纵横相架自成稳定的木拱结构，而且国外古今桥梁建筑均未发现先例，至今犹为我国所独创。
‘虹梁结构’具有许多可贵特性，就结构而论，至今不失为突出的优点，可概括为以下四个方面。
（一）简便主要体现在以下四点
1、构造简便，骨架仅纵横两类构件，纵横搭置互相承托，具有简单梁的特点；
2、接合简便，构件连结比较容易处理；
3、制作加工简便，构件形制简单，类型少，故不须复杂加工和繁杂设备，
4、架设简便，不论作成推力结构和无推力结构，都可视起重机具和现场条件，逐件、逐节、逐段拼装；平型的结构型式，则可取用‘平推法’进行快速架设。
（二）短构件长跨径即能以短小的材料，构成较大跨径的构造物。它还能以同一类型、尺寸的构件，在一定范围内筑成不同跨径，不同载重的构造物。
（三）预制装配构件完全能够按照设计尺寸预先制作，配套成龙，使用时，运至现场即可迅速装配，还便于拆撤。
（四）初始强度凡完成装配的节间，就有了相应的强度。此特性，对简化施工作业及减少相应的附属设施有重要意义。
‘虹梁结构’的性能、效用如何呢？它可以从实际使用年限得到说明。
如前所述，创建于青州的虹桥，至《渑水燕谈录》书成的绍圣二年（1090），仍然桥不坏”，历时达五十七年以上。汴京虹桥，据文献所载，于北宋末年的政宣年间（1111~1125）尚完好地使用着。其始建时间虽无确切记载，可是自宿州于庆历年间（1041~1048）仿建虹桥后，“乃下其法自畿邑……皆为飞桥”，推算起来当有七、八十年的历史。九百多年前的木质虹桥能历时如此久长，实是长跨径木桥建筑的杰作，为世界桥梁建筑史所罕见。
我国古代桥梁，或以首创独特的构造，或以精致优美的艺术造型，或以建筑的宏伟和工程的艰巨闻名于世界，尤以石桥最受称誉。但古代木桥建筑保存不易，不可能留传下来。《清明上河图》的界画虹桥，添补了这一空缺，表明着我国木桥建筑结构技术在九个世纪前同样达到了高度水平。虹桥以其各方面的成就，叮以与负有盛誉的赵州安济桥相媲美，为我国桥梁建筑史增添了光辉的一页。
沟通水陆往来的特殊贡献
汴水，隋代所开，是南北大运河的一段，宋朝作过多次整治，引黄河水（宋元丰四年曾引洛水）通淮。特点是航运繁忙，水势湍急。所以汴河架桥必须同时满足桥下通航和便利桥上往来，应该以单孔长跨径结构为宜。如果以其所需的矢跨度来讲并不特殊，我国数千年桥工建筑不乏先例，比如河北赵州大石桥即是。如就该地势和使用要求来讲，亦以修建石拱桥最相宜。但是，为什么在这个位置上并没有采用昔时盛行的石拱，或者石梁和别的长跨径结构？而虹桥一旦在傍靠汴河的宿州仿建成功之后，却又能“自畿邑至于泅州皆为飞桥”，在汴河沿流迅速推广？显然这种情况的形成绝非偶然。那末在汴河架桥究竟有什么特殊问题呢？为了说明这个问题，我们得进一步看一下宋都汴梁与汴河漕运的依存关系。
《宋史·河渠志》记宣徽北院使张方平的一席话：“国家漕运以河渠为主。国初浚河三道，通京城漕运。自后定立上供年额，汴河斛斗六百万石……，此乃太仓蓄积之实。今仰食于官廪者不惟三军，至于京师士庶以亿万计……。故国家于漕运至急至重，然则汴河乃建国之本。”这段话清楚表明了汴河漕运以供军需民食，是汴梁命脉所在。《宋史》里还记载了这样一则史实：“汴河上游为盗所决……干涸月余，纲运不通，南京（河南商丘）及京师皆乏粮。”断航月余，食粮供应即发生危机，汴运似有不可一日中断之势。亡金遗老即时诗有“溢郭闻城百万家……两桥无日绝江船”，④就是这种情况的写照。以上表明，汴河架桥必须以不阻碍航运为前提。
可是我们分析当时已有的各类桥跨结构及其施工方法，却难以妥善解决这个问题。
试以石拱桥为例。石拱桥的主体工程是砌筑拱圈，昔时一般采用‘土牛拱胎’和‘膺架’两法。‘土牛拱胎’法，一般须先在河床作堰截流，引水改道（如果河床宽阔，筑多孔石拱时，可设堰分流，逐孔砌筑），再在砌拱位置填土夯筑成拱胎，才能在上面砌筑拱圈。这个方法现代仍有采用的，如革命圣地延安宝塔山下的延河石拱桥便是。无须赘述，此种做法用于航运繁密的汴河是不相宜的。‘膺架’一法，即现代的拱架法。其所筑拱架，相当于一座有柱的拱形木桥。而那时石拱桥的施工期是较长的。如苏州灭渡桥，此桥矢跨度比虹桥略大，始建于元大德二年（1298年）十月，讫于四年三月，施工期长达一年五个月。显然，汴河航运急需，不可能断航如此之久。何况汴河沿线市镇星罗棋布，需要兼顾水陆的桥梁，不是几座而是少则十几座的问题。如果勉强维持航行，则不仅难以避免横舟触柱的事故，拱架安全亦无法保证，拱圈的砌筑势将难有成期。
再以当时盛行的石梁桥来讲。如果架设单跨二十米的大石梁，以当时技术条件较难办到。若加一墩，十米多长的石梁，从开凿、搬运到架设亦非轻而易举的，不仅施工期间难免阻塞航运，建成后更将因跨度不大，长期影响航运顺畅。
至于植柱的简单梁木桥，诚如文献所载，“水与桥争”而“率尝坏桥”、“损舟”、“害人”，事实证明是不适用的。
就在这种困难的情况下，被封建统治阶级视为卑贱的“牢城废卒”，大胆创新，提出了奇特的构造方案，于是“虹梁结构”应时创造出来了。
我们已经知道，这个结构是由大木纵横相贯组合而成，构件可按设计尺寸预先做好，再在现场逐节（逐件、逐段）拼装，以完成主拱架设。虹桥正是发挥了这个特性，才得以顺利跨越汴河。
主拱架设大体分二个阶段进行的。前阶段需要完成三项工作：一是按设计把主构件制作齐全，并在旱地试架，以检验结构精度和矢跨尺寸；二是修筑两岸桥台，使桥台支点间的距离与试架的结构跨径相吻合；三是配置作业浮台，以供水上装配主拱骨架之用。这种作业浮台可以由数只并列联结的船只，面铺平板做成。台上配设人工起重机具。整个作业有二至三个浮台就可够用。上述工作就绪后即可进行水上作业—架设主拱（图九）。它的作业方法可能是这样的，首先把作业台浮运到进行装配作业的相应位置，予以锚定，或以绳索固定岸上。随后着手装配主拱：第一步，把一、二节间的构件，分别搭在桥台、第一浮台以及第一、第二浮台之间，再将作为拱趾支点的一端与支座进行铰接，以便使节间能以支点为轴适应吊装作业的上下升降（图一O），第二步，用浮台的人工起重机具，把骨架的另一端提升至一定高度，随即把第二节间的构件穿插到前一节间，联结固定，尔后用第二浮台的起重机具，把已经装配在一起的第一、二节间骨架提升到一定高度，准备继续第三节间的作业。此时，第一浮台的任务已完成，可起锚浮运到新的作业位置。整个作业，就是以浮运—装配—提升的程序连续进行，结构就随之伸展，直至末节骨架准确地座落在彼岸的桥台上，主拱架设遂告完成。至于拱背面层作业和桥堍的处置，就不会有特殊困难了。
这种作业法是简便的，施工期是短的，整个施工过程仅配置和维持二至三个浮台，于水流方向占面不大，水流宣泄不受阻碍，整个水上作业均能从容地进行，使在汴河架桥的待殊问题得以顺利解决。由于虹桥具有如此功能实效，所以被迅速推广，沿汴“皆为飞桥”。宋朝有一篇题名为《皇畿赋》的文章写道：“何飞梁之新迁，患横舟之触柱。”另一篇《汴都赋》也称颂：“跨虹梁以除病涉，列佳木以安怵惕。”这些文章虽然是对封建皇朝的歌功颂德，却给我们今天的研究提供了佐证：虹桥为昔时水陆“往来之利”作出了重大贡献。
这里必须着重指出：对于这项具有重大贡献的发明创造，统治阶级把功劳全都挂到那个叫做陈希亮的州官名下，“诏赐缣以褒之”，而真正的创造者连名字也没有留下一个。这是在封建制度和一切剥削阶级反动统治之下，劳动人民毫无社会地位的又一历史见证。“卑赎者最聪明”。劳动人民从来就是科学技术实践的主体，过去历史的颠倒必须把它再颠倒过来。
结束语
对于古虹桥，我们既不能单纯地欣赏，也不能把研究局限在古建筑范畴；应该是批判地继承这份宝贵的遗产，作为借鉴，并运用于现代。有几个问题且提出来请有关同志研究：
一、阐发“虹梁结构”的构造原理，演进结构，发展其构造特点，如使纵、横构件合为一体，“一身而二任焉”，使之最充分地发挥构造简单的特点。
二、运用现代技术成果，完善结构体系和细部构造；构件取用钢材、钢筋混凝土等高强度材料，及取构件合理的截面型式，提高结构强度、跨径和承载能力。
三、提高预制、装配和便于装拆搬运输送的性能，达到简化作业，加速施工，缩短工期的目的，使得：作为推力结构体系在民用桥梁上应用；作为梁式结构体系在军用桥梁上应用。在应用于推力结构体系方面，首先研究把虹梁结构与当前推行的新型双曲拱桥相结合，使双曲拱桥的结构更加稳固，施工更趋简单。
四、研究用于其它工程构造物。虹梁结构的现代应用，还是一个新课题，有待建筑工程界的同志们共同努力，认真研究，不断实践。
注释：
① 有的文章曾误认为虹桥主拱只是五节拱骨。如《被湮没了九百多年》一文称：桥拱主要的部份是用五根拱骨互相搭架，并搁于另二根拱骨交接处的横骨上。《虹桥巧构画图中》称：这桥是五组主梁顺次架在五根横木上益成的拱架。见《新民晚报》，1961年1月12日。
② 《被湮没了九百多年》：“从桥的底面可以看见最外面是一根拱骨，然后是每二根一组，用绳捆扎”。
③ 见《辞源》‘艧’条。
④ 《清明上河图》题跋
作者：杜连生
来源：知网
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