大火之后,科学家为巴黎圣母院“识骨寻踪”
2020-02-07 11:49

大火之后,科学家为巴黎圣母院“识骨寻踪”

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Philip Ball


去年,巴黎圣母院的那场大火让整个世界为之痛心。现在,研究人员正在利用这一难得的契机,了解这座教堂的内部结构。


去年四月,巴黎圣母院的大片结构在一场大火中燃为灰烬,成为了全法国的悲剧。如今,几个月过去了,来自法国国家科学研究中心(CNRS)的科学家开启了一项耗资数百万欧元的研究工作。科学家希望能了解这座已有850年历史的大教堂和它的建筑材料,阐明巴黎圣母院是如何建造出来的。大火之后,科学家可以史无前例地 “解构”巴黎圣母院,包括其所使用的木材和金属结构以及地基。科学家还希望这项研究可以为巴黎圣母院的重建工作提供指导。


去年四月的一场大火烧毁了巴黎圣母院的屋顶和尖塔。来源:Stephane De Sakutin/AFP/Getty


法国波尔多第三大学的哥特式建筑历史学家Yves Gallet说,此次研究或将“书写巴黎圣母院历史上的新篇章,因为目前还有太多未知的灰色区域”。Gallet在此次研究中,负责带领一支30人的队伍。


巴黎圣母院始建于12世纪,被认为是法国哥特式风格的最杰出代表。教堂在中世纪时有过改建,到了19世纪,又在建筑师维欧勒·勒·杜克(Eugène Viollet-Le-Duc)的指导下,被大面积恢复。法国国家科研中心CEPAM历史文化与环境中心的生物分子考古学家、巴黎圣母院研究项目的负责人之一Martine Regert说,出人意料的是,这座建筑几乎从未被科学家拿来研究过。Regert还说,围绕巴黎圣母院的许多疑问依然没有得到解答,比如哪部分属于中世纪,维欧勒·勒·杜克是否重复使用过一些较老的材料。


4月15日的那场火灾可能是由电气故障引起的,教堂的屋顶和尖塔在大火中被烧毁,并导致部分拱顶结构坍塌。教堂的墙体依然矗立,整栋建筑也会得到修复。不过,项目最初预计的五年时间可能不够,耗费也将达到数亿欧元。


在那之前,巴黎圣母院里堆放的掉落的石块、烧毁的木材和受损的金属结构,都可以拿来研究。目前,巴黎圣母院暂停向游人开放,研究人员或有机会使用雷达成像技术分析教堂的地基——一个尚未被好好研究过的地方。Philippe Dillmann是法国国家科研中心考古材料及改造预测实验室的一位金属制品历史专家,负责与Regert协调开展项目。他说,部分没烧毁的结构也能拿来研究了。


起火原因至今不明,但可能与电气故障有关。来源:Fabien Barrau/AFP/Getty


建筑调查


法国国家科研中心的这个项目分为七个方面 :砌体结构、木制结构、金属结构、玻璃、声学、数字数据采集和人类学,将持续六年,一共将有25个实验室的100多位研究人员参与。


Gallet的团队负责研究巴黎圣母院的各种石块,确定当初供应这些石块的石场,“重建整个供应网络和当地的经济活动。”研究石块之间所用的砂浆,或可以揭示不同的结构元素——如拱顶、墙体和飞扶壁——都使用了哪些材料。砂浆使用了由沉积石灰岩制成的石灰,其中含有的化石残留或能揭示它的来源地。Gallet说,深入了解过去的材料,可以帮助在修缮工作中做出相关决策。


此外,团队还将分析烈火炙烤、砌体结构倒塌以及灭火用水,给未烧毁结构造成的影响。去年7月,极端高温席卷巴黎,使原本已经被烧过一次的石块二次“受伤”,酷烈的火烤让砌体结构更加干裂和脆弱,Gallet说道。为拆除建于十九世纪的尖塔的残余部分,工作人员需要在教堂中殿和耳堂的交叉处搭建脚手架——在此之前,研究人员会通过雷达分析,来确定教堂地基的牢固程度。


Gallet团队希望在历史学家的帮助下,他们可以从整体上更加深入地理解哥特式建筑的结构工程,以及巴黎圣母院在哥特式建筑中的地位。


枯木死灰


与此同时,一支约50人的多学科团队将重点研究巴黎圣母院著名的木制结构,特别是拱顶上方屋顶里的木“林”,这里的木料不是被烧没了,就是烧黑后堆在教堂的中殿。对于研究人员来说,这些烧焦的残余或许有着无与伦比的价值。


团队负责人、法国国家自然历史博物馆的考古学家Alexa Dufraisse说:“烧焦的结构是一个留给考古学家的庞大实验室。”她的团队成员有考古学家、历史学家、树木年代学家、生物地球化学家、气候学家、木匠、林木工人和木材力学工程师。


Regert说:“木材是一种非常好的信息来源。”初步观察结果已经证实,这片“林”是由橡木组成的。通过进一步的研究,应能确定具体品种,研究人员将能借此了解建造中世纪木质结构的技术和工具。


通过年轮测定木梁年份,有望揭示树木被伐的具体年份和位置,填补关于当时施工情况的空白。Dufraisse 说:“每棵树的组织里,都记录了关于它的生长环境的点点滴滴。” 这类研究“如果不是因为那场大火,我们是永远无法开展的”。


Regert说,尤其值得一提的是,这些木头是尘封的气候档案,“对年轮中的氧和碳进行同位素分析,能够确定历史上的温度和降水量”。巴黎圣母院使用的木材约生长于11世纪至13世纪,当时处于被称为“中世纪气候最佳期”的暖期,可以作为比较自然气候变暖与当今人为气候变暖的参照。Dufraisse说:“人们对这个时期知之甚少,因为当时的树木现在已经很难看到了。”


金属与砌体结构


另一支团队将分析大教堂的金属结构,特别是用于支撑石块和木质件的金属结构。负责这项研究的巴黎第八大学考古学家Maxime L’Héritier说:“我们想要了解在不同修建和修复阶段,铁的使用情况。”比如金属棒就被用于支撑受到张力作用的砌体结构,中世纪的建筑工人有时会向石制结构中插入铁索,起到加固作用。L’Héritier表示,从来没有人在这么长的时间跨度上——从中世纪一直到19世纪,研究过教堂建筑中铁的使用演变。


堆在巴黎圣母院中殿和耳堂的废杂物。研究人员可以把它们拿来做研究。来源:Stephane De Sakutin/AFP/Getty


他的团队还将研究屋顶里的铅,屋顶的大部分都在火灾中烧毁或是熔化了。研究人员计划建立一个化学品参考数据库,记录铅同位素的比值,以及材料中存在的其他微量元素,“以便理解铅质量和供应的变化”,进而确定那些铅来自什么矿藏。他们还想知道,19世纪的人在修复屋顶时,循环利用了多少铅。这些结果或许还能让研究人员计算出,大火导致多少铅被释放到环境中——这在周围构成了一种潜在的健康风险。


无所不至?


收集并挖掘材料用于分析是很有挑战的。在教堂的中殿、北部耳堂和十字型交叉处,一共有三处主要的废墟堆,此外还有拱顶烧剩部分上方的一些材料。不过,Dillmann说,出于安全考量,这些废墟禁止人员靠近,收集工作全部交给机器人和无人机完成。其中部分材料最终可能复用于修缮。


Dillmann说:“第一个挑战是收集所有的木制元素,无论它们的碳化程度如何。”他说,迄今已经收集并标记了近1000块碎片,但这项工作只是刚刚开始。Dufraisse表示,研究人员想要拿到这些木片,至少还要等上三个月,因为目前来看,这些木头的铅污染太严重。研究人员需要评估火灾的高温,对木头的化学特征造成了多大变化。Dufraisse说:“虽然已经知道会面临技术难题,但我还是很有信心。”


收集和分析工作需要准确且完整地记录下来。Livio de Luca是法国国家科研中心混合研究单位的一名数字建筑建模专家,他将带领一支团队,专门打造一个“数字化生态系统”,汇总所有研究以及教堂目前和之前的状态信息。这项工作将借用科学家、历史学家、考古学家、工程师和管理者的工作成果,甚至会用到一些以前游客拍下的照片。


de Luca说:“有点像给教堂创建一个‘数字孪生体’,可以随研究进展而不断更新。” 孪生体包括教堂建筑及其各个特征的三维可视化在线模型,类似于用几十亿个数据点构建巴黎圣母院的谷歌地图,教堂的历史和演变将在空间地图上呈现出来。


除了可以增进我们对这一标志性建筑的理解,Regert还希望科学研究能帮助将拱顶再次竖起来。她表示,最终的结果或许“有助于整个社会理解有哪些修缮选择”,她也希望可以帮助防止这种灾难再次发生。


原文以The huge scientific effort to study Notre-Dame’s ashes为标题发表在2020年1月8日的《自然》新闻上


本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Philip Ball

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