北京故宫于明成祖永乐四年(1406年)开始建设,以南京故宫为蓝本营建,到永乐十八年(1420年)建成。它以三大殿为中心,占地面积72万平方米,建筑面积约15万平方米,有大小宫殿七十多座,房屋九千余间。是世界上现存规模最大、保存最为完整的木质结构古建筑之一。
可以说,故宫是我国古代的代表性建筑,但是,在物资匮乏技术手段不高的古代,如此庞大的建筑群,是如何构建起来的呢?
有证据表明,故宫中的某些大型石质雕刻品,是在冰道上被运输过来的。古老的故宫兴建于明成祖朱棣永乐四年(公元1406年),历时12年建成。在存续期间,还曾遭遇了两次大火而进行过两次大规模重建。据称,在最初的建设中,曾投入了数百万人进行建设,所以,如此巍峨的故宫可以说是几代人劳动的结晶。故宫巧妙的修建技术,也吸引着后来无数中外研究者为其倾尽心血。
紫禁城使用了数万块巨石,其中,最大的是一块大型石雕,长16米,宽3米,厚1.7米,雕有九条巨龙,重约300吨,位于故宫保和殿北面,被称作:云龙阶石。之所以雕刻有九条龙,这与《周易》六十四卦有关,乾卦为首象征着天,是代表帝王的卦象。而九五是乾坤中最好的爻,为帝王之相,也就是我们常听说的“九五至尊”。这块石雕已经在那里静静躺了几百年,24代皇帝曾经从它的身边经过。
那么,这块重达300吨的石材,古人是怎么搬运的呢?
在《两宫鼎建记》中,曾简短的记载了一段话,大意是:“在冬季,长长的石刻雕塑,是沿着人造冰道运送的。”尽管,并无完全记录和科学证明关于运送长石雕塑的过程,但是,北京科技大学机械工程学助理教授李疆,对500年前的记载进行了研究,发现了中国历史上也曾有类似的情况:1557年,一组工人通过了类似的方法将70多公里外,一块重约123吨的石头运到了紫禁城。
这可以补充并改变机械工程史上的一种观点,那就是:“中国的车轮是从公元前1500年开始全面发展的,因此,在古代中国并没有人在冰上拉石头。”虽然,科学研究还不到位,但是,古代人早早地就发现了,在某些时候学会利用滑动摩擦,比利用滚动摩擦来得更方便、更安全可靠。
之后,李疆和清华大学摩擦学国家重点实验室的一名初级研究员,与第一次来到中国的普林斯顿大学机械与飞机工程系霍华德·斯通教授共访紫禁城,讨论运输大型石雕时的润滑问题。在研究了文献之后,他们并未找到从现代工程科学角度来看的相关分析研究,因此,他们决定将其找出来。
据李疆介绍,早在明代人们就已经意识到,在低速,高负荷下运输砌块时,滑动摩擦法比滚动摩擦法更安全、更可靠。另外,在紫禁城中运送石头时,润滑冰表面,并形成水膜作为润滑剂,将水倒在冰面上,就可以达到降低阻力的作用。人们进行比较后发现,这种运输方法比使用传统的木制橇、滚子和传统的冰面润滑,节省了更多的劳动力,并且,更适合于北京的环境条件。
对此,通过比较滚动和滑动摩擦系数,研究人员表明:“古代中国的劳动人民,采取的这种方法是最合理的。”
从理论上讲,由于冰面比木质面更为坚固、更为光滑,故宫的建造者们,使用人造冰道将木板作为垫层,与冰的表面接触,大大的减少了摩擦。
基于史料与一些合理的推算,根据李疆的估计,从现代实验的角度来看,需要差不多300名工匠,才能够以同样的方式运输123吨的石材。因此,可以估计运送300吨石材所需求的人数,并不会超出这个数字太多。然后,他们计算出,在木板拖运轨道上运输123吨石材所需的人数为354人。
尽管,这与预期的数量接近,但是,这在运输重达300吨的九龙壁时,依旧可能会失败。对此,我们可以得出结论,当时最可行的方法是建造冰道,以及沿冰道滑动石头。这种实用的方法与北京的气候、环境有关,相对于长期以来处于热带地区的埃及,北京在寒冷的冬季具有天然优势。
根据古代文献,石头的推运时间是在冬至前后。15至16世纪,北京在一月份的平均温度为零下3.7摄氏度,这个温度上下浮动不大。尽管没有天然的河流为运输提供冰道,但人们在运输过程中每半公里就会凿坑取井水以保证冰道的用水。也就是说,当时的人为了有足够的水,他们每500米就会挖一口井。
既然,古人会在冰道上用水作为润滑剂,那么,这些被作为润滑剂的水,会不会在泼洒的过程中就凝结成冰呢?
根据将石头运送到紫禁城的距离和时间,专家计算得出,以123吨的速度运送石头,所需的平均速度为每秒8厘米。 这样低的速度和极小的摩擦不会自动融化冰的表面,也不会使水在冰道和木板之间形成润滑剂。因此,李疆等人研究了其它方法,关于除了通过摩擦产生热量之外,还有什么办法可以产生和维持水润滑膜,即:在拉动的过程中直接在前面浇水,这种办法古埃及也有记载。
通过现代物理的研究可知,冰上低速运动物体的摩擦力比高速运动时大得多,但是,在接近零度时,以水膜为润滑的摩擦力则非常小,因而,在泼水作为润滑剂的情况下,纵使每秒8厘米的低速滑动,只会有极小的摩擦力。由于,在明代北京日间零下3.7摄氏度的情况下,水在2分钟内不可能完全冻结,因此,如此形成的水膜是可以维持并保证运输的。当然,古人也可能使用热水来延缓冰面的结冻。
对此,著名的中国科技史研究者李约瑟却指出:“古代中国并没有建立起西方以数学为基础的科学体系,中国古代的先进技术,都是一种经验体系,难以将其称之为科学。”
然而,当我们伫立凝望故宫,当学者们用现代的科技手段重新审视故宫的兴建技术时,不禁为我们先人的智慧所折服。李疆也评价说:“明代的巨石运输方式,说明当时的人们对低速重载的润滑研究已达到了很高的水平。紫禁城的兴建与郑和七下西洋都发生在15世纪前期,巨石运输的例子,说明中国当时的陆地运输技术并不比航海技术逊色。”
还有一点值得一说,那就是:这个巨大的石雕原本是计划用在太和殿(俗称金銮殿)前的,但是,因当时备置石料放置位置不当,施工程序出了差错,三大殿和石雕作业是同步进行。这块巨大石雕的石材是早在紫禁城落成之前运到现场的,等到石雕雕成时,三大殿主体工程也已大体告竣,此时,巨大的石雕已无法穿越重重宫门运至太和殿的御道,于是,只得就近安置在保和殿后边了。
大家都知道,故宫对外开放只是其中的一部分,还有很大一部分是不对外开放的。具体原因谁也说不清楚。但据传,在很久之前,故宫博物院晚上巡查保卫人员就经常看见某种奇怪的动物,说像老鼠但特别大,说像猪又跑的奇快。于是,就有人说:这是神兽,是曾居住在此的皇族用以镇压皇宫之物。后来,好些人想抓住一两只一探究竟,但这快六十年过去了,看见的人越来越多,却没人真正抓到过一只。
故宫作为历史地标,历经风雨沧桑几百年。时间越长,传闻也就越多,有关于它的传闻更是成千上万。有人以前在故宫看门,据那人说:每天晚上都能听见有人在奏乐,而且,有时能看见宫女、太监排队走过。有坊间传言说,北京故宫闹鬼是常有的事,但实际上,在这些口口相传的、所谓的灵异事件中,真实发生的事情,其实是少之又少的,很多都是一些民间谣传罢了。
参考资料:
【《故宫“云龙阶石”的运输解密》、《两宫鼎建记》】