陕北古塔建筑灾损分析及加固对策研究

吴松柏 杨博 廖浩 张事成 高志鹏 程麦理

摘 要：陕北作为中原文化与北方游牧民族的过渡地带，古塔建筑承载了丰富的文化内涵，在自然、人为及内在因素等作用下，各类古塔建筑破坏严重，砖石古塔亟待保护。本研究通过对陕北地区现存的砖石古塔建筑开展翔实调研，结合古塔建设概况及灾损特点，深入剖析砖石古塔建筑的灾害成因，提出相关加固对策及建议，为区域古塔建筑的开发保护提供借鉴和参考。

关键词：古塔建筑;灾损成因;加固对策;陕北地区

中图分类号：TG333     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）10-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.015

Study on Disaster Damage Analysis and Reinforcement Countermeasures of Ancient Pagodas in Northern Shaanxi

WU Songbai    YANG Bo    LIAO Hao    ZHANG Shicheng    GAO Zhipeng    CHENG Maili

（School of Architectural Engineering， Yan'an University， Yan'an 716000，China）

Abstract： As the transitional zone between the Central Plains culture and the northern nomads， the ancient pagodas in northern Shaanxi carry rich cultural connotations. Under the action of natural， man-made and internal factors， all kinds of ancient pagodas are seriously damaged， and the ancient pagodas need to be protected urgently. Based on the detailed investigation of the existing ancient pagoda buildings in northern Shaanxi， combined with the general situation of ancient pagoda construction and the characteristics of disaster damage， this study deeply analyzes the disaster causes of ancient pagoda buildings， and puts forward relevant reinforcement countermeasures and suggestions， provides reference for the development and protection of regional ancient pagodas architecture.

Keywords： ancient pagoda building; causes of damage;reinforcement countermeasures; Northern Shaanxi

0 引言

塔建筑最早起源于印度，隨佛教传入我国，经与我国的建筑风格相结合，形成了独具中国建筑特色的新型建筑结构形式。古塔多以砖石为建筑材料，其材料来源广泛、耐久性强，使得砖石古塔建筑在我国分布广泛。陕北作为中国黄土高原的核心地域，是中原民族与北方游牧民族文化交流及生产融合的过渡地带，砖石古塔建筑的形制文化丰富，在长期风蚀、水侵、人为破坏和偶然强烈地震作用下，建筑结构的安全及整体性面临严峻的灾损风险。

古塔建筑在长年累月的露天环境服役下，建筑结构的地基、塔身及关键构（部）件发生了不可逆转的灾害性损伤。对于古塔建筑的变形灾害，候学慧[1]通过对古塔建筑的倾斜、弯曲和扭转变形参量的精细量化分析，借助Mathmatica软件对古塔顶点在地面投影的直线函数拟合，用扭转角度来表征古塔扭曲变形。龚复军[2]通过对砖石古塔体的变形成因分析，结合古塔纠偏技术的发展现状，对不同古塔纠偏方案进行了比选分析，给出了不同纠偏措施的技术要点和适用性。赵东等[3]以西安万寿寺塔纠偏工程为例，通过对增设圈梁、圈梁—地梁组合及圈梁地梁托盘组合等不同方案下塔体与基础协同工作模式分析，探讨了基础刚度对古塔受力机理的影响。在古塔动力致灾方面，袁建力[4]根据结构动力学基本理论和砖石古塔动力特性实测数据，通过对砌体材料性能、塔身厚度等关键参数分析，提出了基于弯曲悬臂杆模型砖石古塔基本周期的四系数简化计算公式。杨涛等[5]基于动力增量法（IDA）对西安小雁塔进行了动力弹塑性分析，探讨了小雁塔结构在增量地震动作用下的动力响应和不同性能状态下各楼层位移及层间位移角的变化规律，评估了小雁塔结构的抗震性能。周星宇等[6]借助Abaqus软件对龙护舍利塔进行了Pushover分析，以最大层间位移角指标评估了砖石古塔抗震性能，进一步分析了地震作用下砖石古塔的损伤演化过程。卢俊龙等[7]以兴教寺玄奘塔为结构模型开展了振动台试验，对比分析了在双向、三向地震作用下砖石古塔结构的加速度及位移反应耦联效应。张永亮[8]通多对砖石古塔的极限承载力和层间位移角指标进行综合分析，探讨了砖石古塔的抗震性能，并提出了钢带围箍和聚丙烯酸酯乳液砂浆灌注的古塔综合加固措施。

本研究通过对陕北砖石古塔建筑进行踏勘调研、资料调阅，探讨分析砖石古塔建筑的灾害成因及损伤机制，给出不同灾损形态下古塔建筑的加固维护措施，研究结果对同类型砖石古塔建筑的保护开发有积极意义。

1 古塔建设概况

陕北地区古塔建筑类型主要有楼阁式、密檐式、亭阁式、经幢式、喇嘛塔、多宝塔等，属性涵盖佛塔、道士塔、宣礼塔、文峰塔等，质地则以砖、石、铁、木、土等为最多。据统计，现存唐代至民国时期的不可移动陕北古塔建筑有101座，延安市现有79座，其中宝塔区4座、子长县3座、延川县4座、延长县2座、黄龙县1座、洛川县19座、富县12座、志丹县25座、吴起县2座;榆林市有22座，其中榆阳区4座、横山区11座、府谷县2座、佳县1座、米脂县1座、绥德县3座。分析陕北地区古塔建筑地理分布格局可知，延安市现存古塔数量明显多于榆林市，其中延安市的洛川县、富县、志丹县和榆林市的横山区古塔建筑分布较为集中。按古塔建筑建造时代划分，陕北古塔有唐代1座、宋代3座、元代1座、宋—元—明塔11座（建造年代有待深入考究）、明-清代83座、民国塔2座，其中县级以上文物保护单位及其附属遗存有37处73座[9]。

陕北砖石古塔建筑形制丰富，文化内涵深厚，建筑风格独特，一定程度上反映了中原文化与北方游牧民族的高度融合。始建于明代的岭山寺塔（延安宝塔，图1）位于嘉陵山顶，八层九级楼阁式砖塔，塔高44 m，是革命圣地延安的标志和象征、延安城的城徽，见证了延安市的历史变迁。榆林凌霄塔是边防料敌高塔的典型实例，该塔也属于楼阁式塔，塔高43 m、八角十三层，是明代军事重镇“榆林卫城”发展史的重要佐证，明末李自成攻打榆林及1947年榆林战役都首先攻占该制高点，塔身仍留有炮火痕迹。

密檐式塔在陕北的代表有唐代延安富县柏山寺塔及福严院塔、洛川万凤塔（图2），该类塔型底层宽大，二层及以上迅速缩矮，外观比例协调有致，极具艺术感染力。绥德兴善寺舍利塔（图3）和宝台寺塔分别建于1451年和1442年，各高六级10 m和五级7.5 m，两塔形制、风格相近，是陕西省多层幢式古塔的典型代表。多宝塔在陕北古塔建筑中也有重要体现，建于1557年的榆林横山万灵寺塔（图4），塔身构型精美，是陕西省唯一见到的自铭“多宝佛塔”，对研究明代多宝佛塔定名、形制有重要参考。

石窟造像塔也是陕北古塔建筑的重要代表，如延安清凉山万佛洞石窟造像塔、凤凰山千佛洞石窟造像塔、志丹吕川石窟造像塔等，唐家坪琉璃塔（已迁至清凉山，图5）以蓝、绿、黄等色琉璃砖砌筑，塔心为土坯泥浆填实，该塔五层均有精美造像，做工细致、色泽绚丽，是陕西省境内仅见的一座琉璃造像塔。延安市发掘的金代画像砖塔（李渠镇金墓画像砖塔、冯庄镇金墓画像砖塔等）配以组合题材，融入传统二十四孝等故事场景，侧面反映宋金时期延安市民众的社会生活、伦理意识及思想信仰。神木市博物馆收藏的清代香泥塔，造型接近蒙古包式样，塔高4～6 cm，多数塔身直径小于塔高，便于携带。该类小型香泥佛塔多以寺院遗址出土较多，主要用途是佛教徒家庭佛堂供奉，這也是古塔文化对文化交流的最好佐证。

陕北延安现存锥形砖、石、土塔20余座，其中以“洛川土塔群”最为典型。宜川南坡猴子庙塔通高7 m，塔身块石环砌，石板压檐，该塔为国内仅见的猴子庙遗存，研究价值极高。此外，富县清代的“白骨塔”（图6）为方锥形砖石瘗骨塔，金字塔形，塔碑记载了同治年间该处百姓遭劫、生灵涂炭的悲怆史实，对清末陕甘民族史和地方史研究有重要参考价值。

2 灾损成因分析

古塔建筑是我国优秀建筑文化历史留存的有效方式之一，但大多古塔建筑都因地理位置、历史沿革等原因面临保存问题。古塔建筑的灾损破坏原因主要有以下3个方面。

2.1 自然因素

环境作用持续时间长，是古塔建筑破坏的重要因素，主要表现在以下4个方面。

2.1.1 风沙作用导致的塔体风化、破坏。陕北地处毛乌素沙漠南缘，常年风力强劲，经年累月的飞沙走石对古塔建筑的表面蚀刻给古塔带来严重破坏，同时砖石材料风化、强度降低，进一步加剧了塔身结构的损伤。

2.1.2 雨水入渗地基，引起基础不均匀沉降，塔身底部返碱变酥，塔体倾斜、开裂。对于具有显著湿陷敏感性的黄土地基，雨水大量入灌致使基础沉陷，塔体结构整体发生倾斜、开裂，塔体底部砖石材料返碱，材料力学性能劣化，结构承载能力降低。此外，雨水对强夯黄土塔常年冲刷，塔体局部或部分坍塌，土体冲蚀、流失，结构残缺。

2.1.3 砖石塔身檐口及顶部植物生长，塔内有动物筑巢活动。对于偏僻地域的古塔建筑，疏于维护的砖石塔身生长有低矮灌木及草本植物，发达的植物根系产生的张力易使塔体结构发生开裂，植物根系分泌物加速砖石材料的腐蚀，导致塔体结构进一步发生结构性破坏。

2.1.4 雷击、强震等作用也是古塔建筑发生破坏的重要原因。对于偶发的地震、雷击等强烈自然灾害作用，砖石古塔结构常发生剧烈振动，地基基础及塔身结构产生不同程度开裂破坏，纵、横向裂缝发育程度加剧。

2.2 人为破坏

在砖石古塔建筑长期服役期间，人为因素是古塔生命周期长短的关键，人为破坏作用主要有以下3个方面。

2.2.1 人为盗掘。在利益的驱动下，不同时代的不法分子对价值极高的古塔建筑展开了疯狂的掠夺性盗掘，盗洞及非法发掘极大程度地破坏了砖石古塔结构的稳定性及耐久性，给古塔建筑的研究和保护产生严重影响。

2.2.2 战争、法难及人为运动。由古及今的历次大规模战争中，古塔建筑经受了不同程度的人为摧毁，给古塔的存留造成严重威胁。

2.2.3 人为刻画、毁损。在古塔建筑被开发利用前后，塔身表面常见有人为刻画，加剧了砖石材料的性能劣化，一定程度上加大了古塔建筑的毁损。

2.3 内部原因

随着长期的风吹雨淋等自然因素作用，古塔建筑的砖石材料性能老化，土体流失、崩解，结构承载能力降低。砖石块体间的黏结材料干缩、老化，结构材料的抗拉、剪切等力学性能几近丧失，结构关键构（部）件物理指标变化，使得砖石古塔建筑的结构整体性降低，进而诱发古塔建筑发生局部或整体的结构性开裂、坍塌破坏。

3 加固维护对策

在自然、人为及内在因素作用下，除数量较少的古塔建筑经后期多次修缮被保护完好外，陕北地区绝大多数砖石古塔建筑灾害严重。根据古塔建筑灾害成因分析，结合建筑结构设计和加固理论，提出以下对砖石古塔建筑加固维护的建议。

3.1 地基加固

对于古塔建筑地基开挖、不合理的工程扰动及不均匀沉降引起的古塔建筑塔体倾斜、开裂灾害，可在塔体基础底部加设混凝土筏基、圈梁等构造，补强古塔的基础刚度，然后采用顶升纠偏、迫降纠偏、综合纠偏等技术进行结构纠偏[10]。通过古塔基础刚度增强，提高塔身与基础的协同受力，进而增加古塔建筑的抗倾覆变形能力。

3.2 裂缝封闭

在各种外界及内部因素作用下，古塔建筑结构的表面及内部会形成规则或不规则的开裂病害，当塔体裂缝开裂宽度较小时，可采用填缝胶体进行封闭，防止裂缝病害继续发展影响古塔的生命周期;当塔体开裂宽度较大时，可采用灌浆封闭或者进行补强，当古塔建筑塔体体量较小时，可采用钢筋或钢带将塔身环箍，减小裂缝开展，增强古塔建筑队的病害抵抗能力，提高结构承载性能。

3.3 表面修补

砖石古塔建筑在风沙蚀刻、人为刻画及偶然撞击等作用下会导致塔体表面风化、破损，对于该类病害可针对塔体表面破坏程度采用相同或类似塔体建筑材料进行塔体原貌修复，并结合古塔建筑的文物保护级别开展定期检查和维护，及时清理砖石缝隙生长的植物及杂草。

3.4 结构加强

古塔受限于建筑材料及施工工艺，通常其结构整体性较差、承载力不高，因此对于开裂严重、局部歪闪等结构性损伤，结构加强措施可采用在塔体增设构造柱、钢托杆、钢拉杆、锚杆等内部构件，此外还可在塔体外部设置支护构件、托架等，通过结构构件及结构整体性加固，提高古塔建筑的承载能力抗变形能力。

3.5 增设围护

对于地处环境恶劣、人类破坏及动物活动频繁的古塔建筑结构，应在古塔建筑周围设置围栏或隔离帶等防护设施以保护古塔建筑不被直接的外部作用破坏而发生毁损。当塔体体量较小，塔身铭文、造像等具备极大历史价值或珍贵文物的古塔结构，可采用定制专用玻璃幕罩进行围护，保护结构的存留，提高结构耐久性。

4 结语

古塔作为我国古代文化发展、思想变迁、建筑艺术传承的重要载体，开展古塔建筑的有效发掘和保护开发，研究重大区域历史变革和继承民族特色文化意义重大。本研究通过对陕北砖石古塔建筑进行翔实调研，结合古建筑灾损现状和特点，深入探究砖石古塔的灾损成因，结合建筑结构加固设计理论提出相关加固维护对策，研究对促进砖石古塔建筑的保护和开发有积极意义。

参考文献：

[1] 侯学慧.古塔的变形问题研究[J].山西师范大学学报（自然科学版），2019，33（1）：47-53.

[2] 龚复军.砖石古塔纠偏技术分析[J].科技情报开发与经济，2008（11）：147-148.

[3] 赵东，芦苇，王玉兰.基础刚度对砖石古塔受理机理影响研究[J].科学技术与工程，2015，15（9）：235-238，242.

[4] 袁建力.砖石古塔基本周期的简化计算方法[J].地震工程与工程振动，2015，35（2）：151-156.

[5] 杨涛，王社良，刘德明，等.基于IDA方法的小雁塔结构抗震性能评估[J].世界地震工程，2020，36（1）：162-174.

[6] 周星宇，姜治军.基于Pushover分析的砖石古塔抗震性能评估[J].河南城建学院学报，2021，30（6）：48-53.

[7] 卢俊龙，韩鑫，李传立，等.多维地震作用下砖石古塔动力反应耦联分析[J].振动、测试与诊断，2020，40（1）：163-168.

[8] 张永亮，汪振新，刘尊稳，等.砖石古塔抗震性能评估方法及抗震加固措施研究[J].世界地震工程，2019，35（2）：41-47.

[9] 徐进.陕西古塔全编[M].西安：西北大学出版社，2019.

[10]张炜，徐磊.陕西省古塔现状调查及研究[J].文博，2012（2）：64-70.