巴黎圣母院为什么是双层顶

晨枫

巴黎圣母院大火时，人们对空中看到的火情尤为担忧，好像整个教堂都在大火中，其实只有木质屋顶在燃烧，下面的穹顶是石质的，部分受到损坏，但总体完好，在一定程度上防止了着火的木料掉落到大堂，引起更大的火情。这引出一些说法，这样的两层顶中，木质斜屋顶是为了防雨，石质穹顶是为了防火。这只对了一半。木质斜屋顶确实是用于防雨的，但石质穹顶不是用于防火的，而是结构的一部分。换句话说，木质屋顶并不是结构的一部分，所以烧掉了只是少了防雨能力，但并不影响结构强度和稳定性。石质穹顶要是大面积坍塌，这就有可能会引起整个结构坍塌了。这是由哥特式的结构决定的。
* `/ ~/ w+ {6 @2 C

大火前的巴黎圣母院屋顶内部
9 T7 p* |: V- H5 h) ?& _
2 M$ C: N( d  E* v哥特式教堂结构是由巴西利卡而来的。巴西利卡说白了就是矩形平面的大房子，顶多中厅两侧有稍低矮的平行侧厅，意大利Ravenna的Sant‘Apollinare是其中的典范。
6 K8 h5 Y1 U% K- N

, I* m) l6 z* h( }( V2 u. e. hRavenna的Sant'Apollinare大教堂
% g  u1 K1 d1 N( l
显然，那个时代的欧洲人用石质墙体，以取得坚固、耐久、防雨、防火的能力，但屋顶依然是木质的。石材不仅太重，而且抗弯强度不高，又长又薄的石质屋顶必然断裂。

但是，凡事总是有个但是，用拱顶就可以解决大跨度石质屋顶的问题。

. G5 n3 m7 \! O3 u$ h; m
典型的罗马拱桥
) ?6 d% T6 M( Z) O6 W/ R
拱把向下的压力转化成弧形向两边的压力，可以解决石材抗弯强度不高的问题。罗马人就会用石拱造桥，在理论上，把石拱造成筒拱，不就是屋顶了吗？没错，但筒拱的跨度不容易做大，大跨度的筒拱需要不可思议地大的基座/墙体，否向两侧的压力会把基座/墙体挤垮。
0 X) e0 d5 L) \( M9 N( A

# [0 l; J) }/ [

( S% h. N3 g0 B8 J  T索菲亚大教堂

3 ^. l( x; @! m+ \, k1 y; s但半球形穹顶可以把压力从两端分散到圆周，容易加大跨度。但跨度增加到一定程度后，依然有基座抗倾翻的问题。索菲亚大教堂用一系列复杂的拱套拱，把压力逐步传递，达到了中世纪早期建筑的最高水平。事实上，这个水平一直到中世纪末期都没有超过。索菲亚大教堂的辉煌连征服君士坦丁堡的穆斯林都叹为观止，征服者麦麦德一进来，翻身下马，赞美安拉。穆斯林非但没有破坏索菲亚大教堂，还把这作为“正宗”清真寺的范本，蓝色清真寺、苏莱曼清真寺和无数其他清真寺都在形制上模仿索菲亚大教堂，以至于今天的人们误以为这样的圆穹套半穹的建筑风格是伊斯兰建筑的特色了。
' Q3 C( c! ?4 @3 F  O
! a: n8 B- O, S% r索菲亚大教堂也形成了东正教的礼仪形制，这样的希腊十字（四臂一样长度）成为东正教堂的基本格局。但天主教的教义不同，教堂形制也不同。天主教堂是拉丁十字，四臂三长一短，交叉的地方同样是礼仪的中心，但四臂的朝向、作用各有讲究，这里就不多扯了。
( s1 E" W5 }9 y. F
但这也决定了天主教堂不可能模仿索菲亚大教堂，可大跨度的要求还在。在罗曼（Romanesque）时代，教堂的顶已经开始用拱顶了，英国Durham大教堂就是典范。但跨度依然不大，看中厅的祈祷条椅的长度就知道了。

7 S5 l6 q4 }& P3 r) @
  I  V$ ~. ^3 z2 sDurham大教堂
& p$ r: I( ^- S1 u# j8 k4 T  Z
* r6 X$ n, O$ Q: S+ f& ?# L" i在这个时候，墙体和拱顶还是分别考虑的。换句话说，没有墙体，拱顶当然无从落脚；但没有拱顶，墙体还是能立着，不至于自己倒塌。但石质建筑实际上是怕水的。既由于加工便利，也因为成本较低，大部分石质教堂是用砂岩、石灰岩建造的，更加考究的是大理石，绝少用花岗岩的。这些石材较松软，质地也不致密。一般雨淋淋没事，但长年累月下来，即使直接侵蚀不严重，积聚的泥沙会长草甚至小树，容易造成松动。空隙里的水分在冬天结冰，更是容易造成石材开裂。垂直墙体还好，穹顶有很多沟壑、死角，容易积水，问题更大。所以石穹屋顶上还要加盖木质斜屋顶，以便泄水，保持石穹干燥。瓦片一般用铅版，致密，而且防锈，也有用大理石板的，像米兰大教堂。巴黎圣母院屋顶的石质怪兽（gargoyle）其实也是泄水口，能工巧匠把它们雕刻成奇奇怪怪的形状，好像有意的装饰一样，实在是匠心独运。
. p; A/ E" ?8 p" Q
$ L- J$ G* V/ R$ x( i! |
Durham大教堂的屋顶已经是双层顶了

8 G4 x+ z7 M$ ^  k" W+ i" k4 o' C哥特式是在法国首先流行的，与罗曼式的差别外观上不容易分辨，但两者有很大的差别。哥特式的跨度增加了，墙体更加高耸，侧厅到中厅这段高度成为额外的高窗，把光线引向中厅深处，形成“光从天堂而来”的印象。但墙体更加轻薄，因为采用了不同的承力结构，这就是飞拱，从两侧伸向墙体的半拱。中厅的拱顶把重量向两侧传递，墙体把这个压力进一步通过半拱向外传递，形成层层传递的受力途径，比罗曼式单纯靠墙体的重量和坚实承受拱顶压力更加科学。


% |7 y+ M6 w9 B: b; q- I6 N3 c

. G7 m, L. n: b1 p4 d" H$ h0 C巴黎圣母院内部，从条椅的长度可以看到，室内跨度增加了，但立柱比Durham反而细了，因为不靠这承受侧向压力了
0 ]& C6 G! `- y2 O- J# f* N+ S7 \

巴黎圣母院，这个角度更容易看清楚飞拱对墙体的支撑作用

但这样一来，墙体的稳定性就是在飞拱和拱顶两者的平衡之间达到的，缺一不可。这也是为什么大火期间，有关方面很担心屋顶的大火是否会导致整体结构坍塌。石材是不会燃烧的，但大火烘烤可能导致疏松，影响结构强度。哥特式这样环环相扣的结构受力设计只要有一环掉链子，就有可能造成连锁反应。消防龙头的喷淋也可能造成热胀冷缩，导致开裂。

幸好这没有发生，主体结构基本完好。但石穹的目的是防火，这依然是不对的，这就像拱桥的拱不是为了防止桥上的东西掉下来一样不正确。

在巴黎圣母院的修复中，首先要检查的是幸存石穹的结构完好性，接下来是墙体的完好，然后才谈得上修复。由于火灾面积太大，而细小的裂缝就可能导致结构问题，这样的检查必定耗费很长时间。在此期间，屋顶需要架设防雨棚，保护已经受伤的墙体和石穹。现在特别不是浸水的时候。

金陵集庆道

为啥感觉这前面的双塔楼和好多古埃及神庙很相似？

晨枫

金陵集庆道 发表于 2019-4-18 18:04
为啥感觉这前面的双塔楼和好多古埃及神庙很相似？

+ a, z% W6 p1 ]  v呃，这还是完全不一样的。埃及建筑外墙是向内略略倾倒的，这些方塔的外墙是直立的
: `1 v4 ^6 e/ [$ [
: n, J) U/ p1 ]% g! L* m

大哈瑞

请教: 如果特朗普说从天上洒水救火不对，那为什么巴黎消防员就可以用消防水龙向着火的屋顶喷水呢？

sweeter

涨知识了

晨枫

大哈瑞 发表于 2019-4-18 19:32
请教: 如果特朗普说从天上洒水救火不对，那为什么巴黎消防员就可以用消防水龙向着火的屋顶喷水呢？ ...

0 ~3 E  Z, c6 u估计是水量和速度的关系吧。从地上喷上去，本来水柱的垂直速度已经差不多没了，掉下来的速度也有限。另外水量相对不大，喷射中还有散射，到屋顶的时候实际上是漂浮的水雾了，而不是强烈冲击的水浪。
$ |7 X3 C( C- X) W, o7 f5 _
飞机上抛洒下来，水可能比较集中。下落速度加上飞机的前进速度可能冲击太大？

这是我的猜想，可能不靠谱。