為什麼石制巴黎聖母院抵禦不了大火？ 「石皮木心」結構竟成軟肋

本文轉載自：科普中國

作者/馬之恆（科普作家）

2019年4月15日，當地時間傍晚18時50分，一場大火降臨了擁有850多年歷史的巴黎聖母院。短短几個小時，這座見證了法國歷史上諸多重大事件的古老教堂，已經面目全非。

幸運的是，聖母院標誌性的雙塔結構、祭壇、十字架和荊棘王冠等一些珍貴的歷史文物得以留存下來。此前，由建築與藝術史專家安德魯·塔隆主持並對這座建築進行的高精度激光掃描和計算機建模，則為重建帶來了希望。

為什麼看起來堅固石造建築的巴黎聖母院，幾乎葬身於難以撲滅的烈焰，而主體結構又得以倖存？我們不妨走進它的內部，來解開這個謎團。

精心打造的巴黎「地標」

塞納河從法國首都巴黎穿城而過，河中央的西岱島是這座城市的源頭和中心，也是巴黎聖母院的所在。1710年出土的一根羅馬帝國時期的石柱告訴我們，聖母院使用的地塊，曾是當地人奉祀羅馬神話主神朱庇特的廟宇。隨著基督教在羅馬帝國境內傳播，古老的神廟也被改建成了最早的教堂。而後，教堂幾次被毀，又被人們重建。

▲巴黎聖母院矗立在塞納河中央的西岱島上

▲站在入口仰視教堂西立面與鐘塔

公元9世紀末，在圍攻巴黎的維京人被擊敗之後，西岱島上建起了羅曼式風格的新教堂。所謂「羅曼式」，便是模仿羅馬帝國時期的建築風格，利用殘存的建築學知識甚至當年留存下來的建築材料，修建有厚實牆體和墩柱的石造建築。但隨著巴黎的發展和人口數量的增加，這座教堂逐漸變得擁擠不堪。因此在1160年，巴黎主教莫里斯·德·蘇利決定在原址建造一座更大的教堂，這便是巴黎聖母院漫長歷史的起點。

此時，在巴黎北面的聖德尼（Saint-Denis），1144年竣工的大教堂已經憑藉全新的建築風格，成為令人印象深刻的地標建築。因為使用了尖拱門，聖德尼大教堂顯得高聳削瘦，再配上色彩斑斕的玻璃畫，就成功地傳遞出威嚴的感覺。這種被後世稱為「哥特式」的建築風格，引起了德·蘇利的注意。他決定讓新的教堂也採用這種建築風格，並且規模要更大，足以宣示巴黎的地位。原有的羅曼式教堂則會被拆除，為新教堂提供石料。

1163年春天，巴黎聖母院奠下了基石。此後，經過幾代優秀的建築設計師和石匠、玻璃工匠、雕刻師持續100多年的接力努力，這座巨大的教堂終於在1345年竣工。它的鐘塔高達69米，尖頂（flèche）則超過了90米，這使它成為巴黎最高的建築物，直到1889年埃菲爾鐵塔竣工。

藝術與智慧的「結晶」

不過，聖母院最終呈獻給世人的樣子，相比最初的施工方案已經有所不同。在13世紀和14世紀，建築師們設計了複雜的飛扶壁（arc-boutant）體系，而且進行過一次優化，同時設法減輕拱頂的質量，使高大的外牆可以建造得更薄；卸下大部分承重職責的外牆，則為聖母院引入另一項引人注目的設計——標誌性的玫瑰花窗提供了可能。

▲從東南方向看巴黎聖母院，可以看到飛扶壁結構

在人類尚不能製造大塊玻璃的年代，這些精緻的玻璃畫是由工匠用不同顏色的素材拼接而成的。它們不僅能改善聖母院里的採光，並且營造出令人驚嘆的光影，也和形形色色的雕像一道，成為不識字的人們也能讀懂的「窮人之書」，幫助他們理解《聖經》中的場景和故事。

▲花窗玻璃是哥特式建築物的重要特徵，巴黎聖母院用花窗玻璃來承載宗教故事

但也正是這樣的設計，決定了聖母院的建築結構其實很脆弱。當聖母院發生火災的時候，美國總統唐納德·特朗普立刻通過自媒體「支招」，建議巴黎出動消防直升機來滅火。然而，他的想法只能是一廂情願，因為如果真的這麼做，傾瀉而下的「水彈」足以擊碎這座精緻的建築。

▲巴黎聖母院標誌性的玫瑰窗

「木心」結構成弱點

只看過照片而沒有實地探訪的人，很容易誤認為巴黎聖母院只包括那兩座標誌性的鐘塔。但事實上，那只是它的西立面；整個教堂實際上是一座規模相當巨大的建築。如果從空中俯視，我們會發現它大體呈現出十字架的形狀。人們從西立面的入口進入教堂，來到中廳，也就是「十字架」長梁中位於交點下面的那一部分。「十字架」的短梁兩端，分別是兩扇最大的玫瑰花窗；而長短兩條梁的交點，便是這次火災中被燒毀的尖頂。

▲19世紀歐仁·維歐勒-勒-杜克著手修復巴黎聖母院時繪製的平面圖，可以看出教堂建築中的十字架結構

▲巴黎聖母院火災前修繕布局圖，王煜 製圖，圖源：華盛頓郵報

為了最大限度減少外牆承受的質量，聖母院的屋頂實際上是雙層結構。在用石材搭建的拱頂之上，屋頂並非也由石材建造，而是用橡木搭建起昵稱為「森林」的屋頂框架，再蒙以鉛皮來隔開雨水。以聖母院的體量，組成屋頂框架的每一根粗大木材，都曾是一棵橡樹的樹榦。因此，「森林」的昵稱既是形容屋頂上如同森林一樣錯綜複雜的木結構，也暗指當年的人們曾經為建造這樣一個屋頂，砍伐了一整片森林。

▲從南面看巴黎聖母院，可以看到標誌性的玫瑰窗

簡而言之，聖母院的屋頂，也就是這次火災中遭受重創的部分，遠沒有外表顯現出來的那麼堅固，因為它的裡面其實充滿了易燃的木材。至於立在屋頂中央的尖頂，其實也是「石皮木心」。它的外表是精心雕飾的磚石，頂部蒙有金屬，中間起到支撐作用的結構卻是用木材搭建。因此，當大火從尖頂燃起來的時候，很快就燒毀了內部的木結構，令失去支撐的尖頂轟然倒塌。緊接著，火勢沿著與尖頂相連的屋頂「森林」，朝4個方向迅速蔓延。

絕妙的「雙層屋頂」設計

不過，面對突如其來的火災，也正是雙層屋頂的設計，挽救了聖母院的主體結構。失火的木材很難燒穿石質的拱頂，只會在上面燃燒殆盡。因此，只要拱頂在救火過程中不被破壞，那麼聖母院雖然會失去屋頂，但內部基本不會有明火，熔化的鉛也很難進入建築內部。它的主體結構和裡面保存的文物，以及安裝在拱頂以下位置的花窗玻璃，仍然有可能倖存。

▲巴黎聖母院標誌性的西立面與鐘塔

不過，隨著烈火逐漸燒向鐘塔所在的西立面，它找到了一個有可能擊垮聖母院的「突破口」，因為鐘塔的結構也是用木材來支撐的。如果鐘塔垮塌，那些巨大而沉重的鐘就會掉落下來，拖垮這個最為著名的立面，甚至引起更大範圍的傾頹，無疑會大大增加後續修復聖母院的難度。幸運的是，消防隊員們盡全力阻止了大火蔓延到鐘塔的火趨，保住了裡面可以追溯到13世紀聖母院初建之時的木結構，也保住了重建的希望。

飽經風霜，見證歷史

從建成至今，巴黎聖母院見證了法國歷史上的諸多重大事件，比如羅馬教廷為聖女貞德平反、拿破崙·波拿巴稱帝的加冕禮、宣告兩次世界大戰結束的「和平鐘聲」，以及夏爾·戴高樂、弗朗索瓦·密特朗等法國前總統的國葬。法國歷史上的政治動蕩，也在聖母院留下了印記。

▲巴黎聖母院的內部景象

1789年爆發的法國大革命和隨後的一系列政變，以及持續到1815年的拿破崙戰爭，就曾使聖母院幾乎走到徹底廢棄的邊緣。在法國大革命期間，反對羅馬天主教的革命政府試圖建立一種全新的無神論信仰，稱為「理性崇拜」（Culte de la Raison）。馬克西米連·德·羅伯斯庇爾的雅各賓派執政之後，他又引入了既非羅馬天主教又非無神論的「至高崇拜」（Culte de l"être suprême），信仰造物主的存在和靈魂的不朽，並崇尚源於古希臘時期的公共美德，以期將社會導向自由和民主。在法國社會改變信仰的過程中，巴黎聖母院也受到了嚴重的破壞，很多文物損毀或是失竊，位於西立面上的《聖經》中猶太國王的雕像，也被誤認為是法國歷任國王的雕像，遭到「斬首」的命運。

1799年，拿破崙通過「霧月政變」執掌法國政權後，在1801年將巴黎聖母院恢復為教堂。不過，儘管他將這裡選作加冕禮的會場，但連年戰亂使法國很難有資金對聖母院進行維修。當拿破崙在滑鐵盧戰役中被擊敗，第二次退位並被流放到聖赫勒拿島的時候，聖母院已經成了一座半是教堂、半是廢墟的「危房」。

轉機發生在1831年。時年僅29歲的維克多·雨果，在這一年出版了他的代表作《巴黎聖母院》，回望這座建築承載的歷史，以及法國歷史上曾經的輝煌時代。這部小說在社會上引起了轟動，也讓人們關注聖母院的狀況，並且紛紛自發捐款，請願修繕這座見證了法國歷史的建築物。1844年，根據法國國王路易·菲利普一世的命令，兩位年輕的建築師讓-巴蒂斯特·拉敘斯和歐仁·維歐勒-勒-杜克著手修復巴黎聖母院。法國最優秀的石匠、玻璃工匠和雕刻師再次被召集起來，重新製作聖母院應有的裝飾，設法替換衰朽的建築構件，並且用一個更為華麗的新尖頂，也就是這次火災中被燒毀的尖頂，取代了1786年損毀的舊尖頂的廢墟。經過25年的艱苦勞動，巴黎聖母院終獲新生。

▲聖母院的博物館內收藏的建築模型

當時間進入現代社會，環境污染對岩石材料的損害，以及維護資金不足等問題，都在困擾著巴黎聖母院。在這次火災發生之前，它已經有過很多次石材崩落的事故，建築結構也因為缺乏維護出現了缺陷。幸運的是，人們已經運用信息時代的技術，為這座建築搭建了精度極高的數字模型。新技術的加盟是否會讓遭逢災難的巴黎聖母院劫後重生？讓我們拭目以待。

文中圖片除標註外，均為作者拍攝

審稿/owlofminerva（中科院、德國馬普學會博士）

文章由騰訊科普「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出

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