1、中國古代和近代建筑中的鐵構件和鐵結構一、鐵在中國的發展丹麥學者湯姆遜按照生產工具材質將人類古代歷史劃分為石器時代、青銅時代和鐵器時代，是為“三期說”。鐵是銀白色金屬。純鐵有很強的鐵磁性，并有良好的延展性、可塑性和導熱性，易氧化。鐵是地球上分布最廣的金屬元素之一，在地殼中含量為4.75%，居元素分布序列中第4位，僅次于癢、硅、鋁。地殼中有300多種含鐵礦物。含鐵的產品分為，純鐵，又稱熟鐵，一般是碳含量小于0.0218%的鐵碳合金；鋼，是碳含量在0.02%2%的鐵碳合金；生鐵，又稱鑄鐵，是碳含量在2.11%6.69%的鐵碳合金。生鐵又可分為白口生鐵、麻口生鐵和灰口生鐵三種。冶鐵技術開始于小亞細亞，
2、中國冶鐵技術的起始約在公元前10世紀，比西方的一些地區晚，但后來居上，掌握塊煉鐵技術不久便發明了生鐵與生鐵制鋼技術。我國古代建筑主要以生鐵為主。中國是世界上最早發明生鐵冶鑄技術的國家，至遲在公元前6世紀的春秋晚期，中國人民已經能冶鑄白口生鐵，用來鑄造鐵器，使得鐵的生產率有很大的提高，鐵器的應用逐漸推廣。這一發明比歐洲各國早一千九百多年。中國又是世界上最早發明生鐵柔化技術的國家，至遲在公元前5世紀的春秋、戰國之際，中國人民已經能夠把又硬又脆的白口生鐵加以柔化處理，使之變為可鑄造鐵。這項發明比西方早兩千三百年。到戰國中期我國已能鑄造麻口生鐵，到西漢中期又進一步能夠鍛造低硅的灰口生鐵。在生鐵鑄造技術
3、發明之后，很早就把煉鐵和化鐵分工。早在戰國時期已有化鐵爐，專門用來熔化鐵料和澆鑄鐵器。漢代是我國封建社會前期冶鐵技術發展的一個高峰時期，不但鑄鐵技術有重大發展，鑄造鐵器也有飛躍進步。這時已能鑄造大型的薄壁鐵器，鐵斧有直徑達2米左右。同時鑄造較小器物，已采用疊鑄技術，把同一規格的具有多件范腔的鑄范，多層疊裝，通過一個澆注系統加以澆鑄。漢代鑄鐵技術達到了成熟階段，已能生產白口生鐵、麻口生鐵、灰口生鐵以及白心、黑心可鍛鑄鐵。封建社會后期的煉鐵技術，在前期成熟的基礎上有著一定的發展。宋、元時代煉鐵和化鐵用的高爐，爐型結構有了改進，多數爐口逐漸向上縮小，爐壁上部內傾，這是為了減少熱量散失和充分利用還原氣
4、體，并便于爐料順利下降，從而加速還原、熔化過程。明代煉鐵技術又有進步，一般高爐可投入鐵砂2000多斤，使用兩個風箱從左右兩側鼓風，并使用熔點很低的溶劑，可以煉出優質的生鐵。二、鐵結構1.鐵橋1.1 蘭津橋公元65年，也就是漢明帝時代，我國已成功地用鍛鐵為環，相扣成鏈，建成了世界上最早的鐵鏈懸橋蘭津橋。后來為了便利交通，跨越深谷，又陸續建造了數十座鐵鏈橋。其中跨度最大的為1705年建成的四川瀘定大渡河橋，橋寬2.8米，跨長100米。歐美國家中最早將鐵作為建筑材料的英國，也是直到1840年以前，才采用鑄鐵來建造拱橋。我國古代的鐵索橋主要有鐵索橋和鐵鎖浮橋兩大類。最早的鐵鎖浮橋出現于東漢初年，公孫述
5、為了防止漢軍的進攻依江而建浮橋。中國古代鐵索橋出現與兩漢、繁榮于明清。最初是用于軍事防御，用來封鎖長江航道。這一時期鐵索橋的代表有：陜西褒城樊河橋、云南景東蘭津橋；鐵鎖浮橋有湖北西陵峽鐵鎖浮橋、湖北荊門虎牙浮橋等。又來在唐至元代，鐵索橋在建造的技術和使用方面都得到了飛速發展。鐵鎖浮橋被大量用于長江和黃河河道的防御。明清時期，鐵索橋的發展相對較快。西部云、貴、川、藏四省的鐵索橋的數量飛速增加，占據了中國古代鐵索橋分布的最主要部分。12 黃河鐵橋蘭州黃河鐵橋有“天下黃河第一橋”之稱，這是黃河上第一座鋼鐵構造的大橋，它在蘭州地區的交通運輸上起了極其重要的作用。黃河鐵橋建于宣統元年，由清政府花巨資從德
6、國買進材料，整個造橋過程完全由德國控制。鐵橋建成之前，這里設有浮橋橫渡黃河。浮橋始建于明洪武年間（公元一三六八至一三九八年），名叫鎮遠橋，今尚存建橋所用鐵柱一根高達三米，重約數噸，上有洪武九年字樣.，橋建成后共厚50米，外由加厚鐵托板托起。黃河鐵橋也代表了中國近代的建筑狀況，大批有著外國技術的建筑物在中國制造，而我國自己的技術發展卻幾乎為零，一方面受到列強的壓迫沒有發展的能力和空間，另一方面清政府的盲目自大造成了中國技術的停滯不前。2.鐵塔2.1 天樞古羅馬時期，圖拉真皇帝建記功柱來紀念戰爭勝利。武則天建造的天樞，也是一種的記功柱。宋朝司馬光著的資治通鑒對天樞的記載比較簡單：天冊萬歲元年（公元
7、695年）4月天樞建造完成。高105尺，徑12尺（合唐尺為高31.71米，徑3.624米），柱為八角形。下為鐵山，周長170尺（51.34米），用銅做的蟠龍、麒麟圍繞著這座鐵山。銅柱頂是直徑3丈（9.06米）的騰云承露盤，上面有四條立龍捧著一輪火珠，高一丈（3.02米）。唐代劉肅于元和丁亥撰寫的大唐新語中的記載更加詳盡。武則天于長壽三年（公元694年）征天下銅50萬斤，鐵330余萬斤，錢兩萬七千貫，于定鼎門內鑄八棱銅柱，高90尺（27。18米），徑一丈二尺（3。624米），題為“大周萬國述德天樞”。天樞下置鐵山，銅龍負載，獅子、麒麟圍繞，上有云蓋，蓋上施盤龍以托火珠，珠高一丈（3。02米）。劉
8、肅形容龍托火珠是“金彩熒煌，光侔日月”。武則天天樞與圖拉真記功柱比起來體量接近，圖拉真記功柱是石砌，天樞為銅、鐵鑄成，各有千秋。但能用大量的銅、鐵作天樞說明唐代中國的銅鐵冶煉的技術和規模都相當驚人。2.2 當陽鐵塔當陽鐵塔建于北宋嘉佑六年，總高179米。現存于湖北當陽玉泉寺。塔共13層，仿木結構樓閣式，平面八角形，屬古代最高鐵塔。塔座為雙層須彌座，臺座八角各鑄托塔力士8尊。塔身在相對的四面各設一蓮瓣形門龕，另四面鑄浮雕佛像。塔身第2層東南西北四面，分別鑄有塔名、塔重、鑄塔時間和工匠姓名。據稱塔重53.3噸，又有一說為用鐵38600千克。全塔共由44件構件逐層鑄造疊裝組成，亦即每鑄一層，在陶范之
9、外堆砌平臺，上置熔鐵爐若干，同時鼓風溶化澆注，然后再鑄上面一層，最后拔除塔四周平臺和陶范而得鐵塔。古代用此就地鑄造的方法以克服無法運輸吊裝的難題。2.3 千佛鐵塔千佛鐵塔位于陜西省咸陽市之北杜鎮。塔身有銘文：“大明萬歷十八年（公元1590年）南書房行走太監杜茂鑄造”。純鐵鑄成，平面方形，十層，高33米，邊寬3米，層層有窗，門南向，中空有梯可攀登。四角柱鑄成金剛力士像，頂立層樓，各層環周鑄鐵佛多尊，故名“千佛塔”，佛像間還夾雜奇花異草、珍禽怪獸，更顯得工藝超群，精巧絕倫。今塔身保存完好，唯塔剎稍有傾斜。此塔為我國現存鐵塔中最高的一座。三、鐵構件我國的古建筑主要以木材為原料建造而成，千百年來，它們
10、能歷經各種自然災害而完整保存下來，這與木材良好的抗彎，抗壓，及抗震性能密切相關。然而，由于木材又有徐變大，彈性模量低，易老化變形等缺點，這使得外力作用下的古建筑易產生各種破壞。鐵件材料由于具有體積小，強度高等有點，因而自古以來便成為古建筑木結構加固的重要手段。1.鐵箍主要用于梁，柱加固。柱子長期受上部荷載，將產生過大裂縫，對此采取的加固技術為：對于開裂的柱子直接用扁鐵包裹，然后用鉚釘固定；古建工藝稱之為墩借。對于梁而言，梁開裂時，也用鐵箍對梁身進行包裹，然后用鉚釘固定，用鐵箍的核心約束作用來提高構件的強度和剛度。 2.鐵片主要用于榫卯節點加固。對于用于梁柱連接的燕尾榫節點，通常采用厚約515m
11、m的鐵片連接，然后用鉚釘固定。對于半榫節點，由于柱的卯口完全被貫穿，且插入的榫頭為可以容易拔榫的直榫形式，因而用520mm厚的鐵片從卯口上下端分別拉結榫頭，然后用鉚釘固定。 燕尾榫節點加固 半榫節點過河拉扯做法3.鐵鉤主要用于頂棚及藻井爬梁加固。古建筑頂棚一般由帽兒梁，小龍骨和天花板組成，帽兒梁為頂棚主要承重構件一般帽兒梁的兩端采用鐵鉤加固，鐵鉤的一端固定在帽兒梁上，另一端固定在與帽兒梁連接的承重梁上，方式為：鐵鉤端頭削尖直接釘入構件，或端頭打卯孔再用鉚釘固定在構件上，通過鐵鉤端頭或鉚釘約束力來提供部分抗剪承載力。 4.鐵釘鐵釘主要包括固定角量的穿釘，固定山花板的蘑菇釘，固定連檐，椽子的鑷頭釘，用于墻板連接的兩尖釘等，主要用于小型構件的拉結，方法為：用鐵釘將這些小型構件進行拉結，鐵釘承擔部分拉，壓，彎，剪力。鐵件加固技術雖然可以在一定程度上提高古建筑結構的剛度和強度，但也存在一定的問題如銹蝕，破壞木結構和不可逆性等，在之后的發展中逐漸改造或淘汰，通過其他材料代替及合理的加固方式變換等方法使得構件更好的作用于房屋建筑之中。參考書目1.試論中國古代的鐵索橋思想2008年第6期 陳果2.當陽鐵塔中國古代著名鑄鐵建筑譚德睿3.藝術鑄造特種鑄造及有色合金2011年第31卷第1期4.蘭州黃河鐵橋研究述評牡丹江大學學報第22卷第4期
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