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从河曲坪头遗址看晋西北史前建筑技术的传承发展

2017年11月07日 17:00   来源: 张登毅    作者: 张登毅    【 收藏本文

     河曲坪头遗址位于山西省忻州市河曲县刘家塔镇坪头村,其背风向阳,东倚山丘,西与内蒙古准格尔旗隔黄河相望,南北为流水冲沟( 图一、二) 。该遗址于 2009 年发现 5 座龙山时期的白灰面房址①。其均为在黄土台塬上的掏挖圆角 “凸”字型窑洞式房址②。其中 F5 发现于 F2 门前庭院的活动面之下 ( 图三、四) ,根据地层叠压关系及房址形状推断,F1 ~ F4 为同一时期,F5在相对年代上应早于F1 ~ F4。


▲图一 坪头遗址地理位置示意图


▲图二 坪头遗址发掘平面图


▲图三 坪头遗址总平面图


▲图四 F2与F5的位置关系

     这样,以 F5 为代表的早期房址与四处晚期房址便展现出两种不同的建筑形制及居住面貌。对前后时期居址长、宽、室内面积、白灰厚度及成分含量等技术参数的对比研究,便可窥见龙山时期晋西北先民营建技术的不同及建筑技术的承袭发展。

一、前期房址技术形态

     F5 为一处圆角 “凸” 字形窑洞式房址,其长宽跨度较大,窑跨最大可达 4. 2 米。这样大的窑跨,使得窑洞上部覆土架空的较多,坍塌的可能性增大。

     F5 的居住面进行过防潮处理,通过解剖可知,处理工序至少三道: 最下为经过夯实的生土,然后在生土上涂抹草拌泥,再涂抹较厚的白灰层。

     F5 周壁涂抹有白灰墙裙,墙裙高 12 ~ 19厘米。解剖可知,白灰涂抹的顺序是,先涂抹地面,之后涂抹墙壁。

     火塘位于房址室内中间,其周围有凹弦纹装饰,处理手段应是在白灰未干之前用石或骨器刮刻而成,弦纹处理的或深或浅,极不规整。根据凹弦纹残留的宽度推测,刮刻工具的宽度应该在 2 厘米左右。

二、后期房址技术形态

     以 F3 为代表来描述后期房址的建筑技术形态。

     F3 为一处圆角 “凸” 字形窑洞式房址,其最大窑跨为 3. 2 米,这样的跨度,更有助于房址顶部覆土的稳定性。通过解剖发现,F3 墙壁及地面均均匀涂抹草拌泥和白灰。白灰涂抹较薄,厚 2 ~4 毫米,涂抹厚度均匀。白灰墙裙高度 58 厘米左右。

     F3 居址门的处理,比前期房址讲究,主要表现在: 1. 门道出口位置没有完全堆砌石头,而是在黄土台塬上掏挖口小里大的形状,只在门口垒砌少量石头以增加黄土门洞的牢固性。2.在 F3 门洞内侧发现门砧石,这是前期房址所没有的。这说明在后期房址已安上了门。

     居室中央设有直径 1 米的圆形火塘,火塘边缘有圆圈三角形装饰,用绳子压印而成,根据残留痕迹可推测,用于碾压纹饰的绳子至少由四股撮合而成。至于其制作原料及技术,应该是由树皮纤维或者稻草先撮成细小的股子,然后再相合而成。

     后期房址无论是在窑跨、门洞的处理,还是在地面及墙壁白灰、火塘周边装饰技术的处理,都较前期房址有很大改善,这是早期人类在适应自然的过程中营建思维的改变。

三、白灰成分与年代分析

     为了解五座房址白灰面的成分,对取自五处房址的白灰样品进行扫描电镜 X 射线能谱( SEM) 分析,成分分析采用扫描电镜电子显微镜无标样定量分析,使用德国 ZEISS EVO18 扫描电镜和 BRUKER X Flash Detector5010 能谱仪。分析条件: 激发电压 20kV,扫描时间≥60s。每个样品面扫描分析三个部位,取其平均值。实验结果见表一。


     分析结果显示,前期房址 ( F5) 样品均含有一定量的 Al、Mg 和 Fe 元素,其中 F5 - 1 的Al、Mg 和 Fe 含量分别达到 1. 23% 、1. 12% 和1. 25% ,样品 Ca 含量为 26. 37% ~ 27. 655% ;后期房址 ( F1 ~ F4) 没有检测出 Al、Mg 和 Fe等元素,Ca 含量最高达 39. 14%。


​▲表一 坪头遗址前后时期房址白灰面扫描电镜 X 射线能谱分析结果 ( 单位: %)

     Al、Mg 和 Fe 应该为土壤杂质等的成分含量,早期房址白灰中含有较多 Al、Mg 和 Fe,说明早期烧制白灰对于底料的把握不是很准,掺杂有其他的杂质; 后期房址 Ca 的含量明显高于早期,说明后期对于白灰的烧制技术更加成熟。

     为了更确切把握坪头遗址的年代,对取自房址的白灰样品进行碳十四测年,实验结果见表二。


▲表二 坪头遗址前后时期房址白灰面碳十四测年结果

 

     测年结果显示: F3、F4 年代相差不远,各距今约 3725 ±30、3715 ±35 年,其年代对应考古学上的纪年大概相当于龙山文化末期至夏代早期。F5 的年代距今 3835 ± 25 年,比前期房址早一百多年,对应的考古学纪年大致为龙山文化末期③。测年结果与考古发掘层位关系及类型学研究结果一致。


四、建筑技术承接发展

     坪头遗址前后时期房址均坐北朝南,形制结构基本相同,均为圆角 “凸”字形窑洞式房址,每座房址都为独立修建,各有一个向外延伸的院落,形状为长条形或喇叭形,形成封闭的单元。居住面及墙壁施白灰,室内靠近门道处施火塘。房址大致分三步建造,首先清理梁峁; 其次竖向下掏挖穴式庭院,造出掏挖窑洞的断崖; 最后依断崖继续向内掏挖窑洞。这种形式的建筑模式最适合边寒地区人类的居住行为选择,其前后袭,是人类经过长期实践摸索的结果。可以这样说,窑洞式— “凸”字形—施白灰—施火塘是新石器时代晚期晋西北边寒地区人类所创造的一种天人和谐的建筑技术模式。


▲表三 坪头遗址前后时期房址建筑技术参数对比


     前后时期房址建筑技术的发展主要表现在建筑技术的不同之上: 表现在窑洞跨度、防潮技术、墙裙、地面与墙裙衔接、火塘装饰等方面。由表三可知: 前期窑洞窑跨为 4. 2 米,后期为 3. 2 米。前后期窑洞窑跨之差达到 1 米。之前笔者作过模拟实验,大致复原了坪头窑洞的高度在 2. 8 米左右④。下面对 F5、F3 由窑跨不同而导致的窑洞牢固性的不同进行结构力学分析。


     为了便于理解,可以在窑顶取任意一点进行承重分析。顶部覆土的重力 G 对窑洞任何一点所形成的力可以分解为正压力 Fn 和切应力Fm,其中正压力对窑洞的牢固性是不利的,若来自覆土的正压力很大,而窑洞的顶部支撑不够牢固,加上顶部黄土较差的直立性,这样的窑洞则很容易坍塌。而切应力 Fm 由于直接作用于黄土,这样的力可以使得靠近窑洞的黄土更加紧密,所以切应力对于窑洞的牢固性是有利的⑤。如图五所示,若窑顶覆土的重力 G 是一定的,那么 G 与正压力 Fn 的关系为:

 

▲图五 F3 不同窑跨系数的窑洞受力分析
1.F5 2.F3


Fn = Gcosθ
与切应力 Fm 的关系为:
Fm = Gsinθ


     在受力点、窑高不变的情况下,窑跨越小,窑洞弧度越大,这样在同一个受力点上,∠θ 越大,根据以上公式,便可以得出,窑洞来自顶部覆土的正压力 Fn 便越小,切应力 Fm 则更大。


     也就是说,前期窑洞 F5 的大窑跨对于窑洞的承重非常不利,如果窑洞的支撑不是太好,那这样的窑洞很容易坍塌,这便是后期房址为何在很大程度上缩减窑跨的原因。由此可以看出,生活在晋西北的坪头先民在长期的生产实践当中,对窑跨的大小之于窑洞稳定性的作用力这一结构力学已经有了很好的认识。


▲图六 F3 居住面解剖

     在防潮技术方面,前后时期的差别不大,都有用到部分踩踏及夯压技术,并有涂抹草拌泥及白灰。唯一的不同在于与前期房址相比,后期在草拌泥之下、垫土层之上多加一层夯土,该层夯土厚薄较为均匀,厚约 5 毫米 ( 图六) 。

     前后时期房址门洞的处理差别较大。前期房址在掏挖窑洞的时候直接将门道打通,但是敞阔的门道非常不适合晋北地区的风沙和寒冷天气,因此建造者在门道出口处两边规整地堆砌石头以形成出入的洞口 ( 图七,1) 。到了后期,建造者在掏挖窑洞的时候有意将出入口留小,仅在两边堆砌很少的石头形成石门以加固门道 ( 图七,2) 。

 

▲图七 前后期房址门洞的处理技术变化( 1. F5 2. F3)

 

     白灰墙裙,前期房址的高 12 ~19 厘米,后期房址的高均在 48 厘米左右。这样的差异源于技术的改进,其优点主要有二: 1. 墙裙提高更适于成年人背靠墙壁坐在地面,此高度正好可以全部遮拦背靠的范围; 2. 墙上的白灰面积增大,有助于增大地面的反光强度,增加室内亮度。此外,相比前期,后期白灰涂抹得薄且光滑平整,对白灰的烧制与调制技术和涂抹工具及涂抹技术均有改进。

     值得关注的是关于地面与墙壁拐角处的细微技术变化。主要表现在由内到外两方面:

     其一,拐角底部涂抹草拌泥厚度的变化。前期房址在墙壁底部靠近拐角处有意识地向内多掏挖一些 ( 图八,1) ,使得涂抹的草拌泥较厚而增大支力,这样便减轻了上部的白灰和草拌泥由于墙壁内弧及重力的原因向下沉的力。随着营建技术的提高,这样有意识的技术形态在后期便很难发现 ( 图八,2) 。


▲图八 前后时期房址墙壁与地面拐角处的技术处理手段
1.F5 2.F3

 

     其二,地面与墙壁白灰面的衔接。前期白灰的涂抹顺序为先涂抹地面,再涂抹墙壁白灰,而后期两处的白灰为自然衔接。在草拌泥涂抹技术上同样表现了这样的变化。


       火塘周边装饰变化主要表现在装饰技术与装饰手段的变化之上。前期的装饰手段是在火塘周边随意刮刻几道凹弦纹,制作粗糙简单( 图九,1) 。用于刮刻凹弦纹的工具可能为表面磨制光滑的骨器或石器; 后期房址火塘周边装饰成圈纹、三角纹 ( 图九,2) 。至于其纹饰的处理,则是用四股搓合而成的绳子压印而成。圈纹的压印极为规整,三角纹两两拐点之间距离相差甚微。三角纹与圆圈纹组合,使得装饰效果美观大方,足显坪头先民智慧与审美的层次。


▲图九 前后时期房址火塘周边的装饰风格示意图
1.F5 2.F3

五、结 语

     坪头遗址从以 F5 为代表的早期窑洞式建筑发展到以 F3 为代表的后期窑洞式建筑,前后时期居址在窑跨、防潮技术、门洞处理、白灰烧制及涂抹技术、火塘周边装饰手法等方面变化明显,这是建筑技术发展的外在表现形式,这样的发展是坪头先民在长期的生产生活实践中不断总结摸索的结果,是坪头先民营造思想的提高。这种提高主要体现在: 对以窑跨大小为主要影响参数的窑洞式建筑结构力学稳定性的探索与掌握,基于省时省力的石洞式向土洞式门洞的改进与发展,窑洞式房址白灰烧制及涂抹技术的娴熟,刮刻式的不规整凹弦纹向压印式的圆圈三角纹装饰的转变。这样的建筑技术表现形式及发展技术,是晋西北地区龙山时期建筑技术形态的展现,对研究早期晋西北地区建筑的发展变化及人地关系具有重要的意义。


     扫描电镜能谱分析结果表明,早期房址白灰面含有大量的 Al、Mg 和 Fe 等杂质元素,而后期房址白灰相当纯净,这说明后期对白灰的烧制技术更加成熟。碳十四测年表明,早期房址年代距今 3835 ±25 年,为龙山文化末期,后期房址年代距今 3535 ~3715 年,大致为龙山末期至夏代早期。


     基金项目: 山西省留学回国人员科研资助项目 “山西科技文化遗产保护与开发” ( 号:2014 - 001) 。

     注 释:
① 杜萍、孔文芳、王继平: 《山西河曲坪头遗址的发掘与收获》,《中国文物报》2010 年 12 月 3 日第 4 版; 赵杰、王继平: 《山西河曲县坪头遗址新石器时代房址发掘简报》,《考古》2014 年第 10 期。
②④张登毅: 《河曲坪头遗址 F1 的试复原》,《文物世界》2012年第 2 期。
③ 刘庆柱: 《中国考古学·新石器时代卷》,中国社会科学出版社 2010 年。
⑤ 陈海波、兰永伟、徐涛: 《岩体力学》,中国矿业大学出版社2012 年,第 152 页。

(责任编辑:任冠宇)

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