汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月文物保护与考古科学 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家社会科学基金项目()资助作者简介:温睿()男 年获得牛津大学博士学位西北大学文化遗产学院教授从事科技考古方面的研究 :.文章编号:():././.研究报告汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟温 睿张宜雯付小龙.中国 中亚人类与环境“一带一路”联合实验室(西北大学)陕西西安.文化遗产研究与保护技术教育部重点实验室(西北大学)陕西西安.西北大学文化遗产学院陕西西安 .西安近代化学研究所陕西西安)摘要:春秋战国以来砖瓦窑业趋于繁荣成熟建筑材料需求量的增多促使出现了大量砖瓦窑汉代是砖瓦窑结构趋于成熟和稳定的重要时期因此研究汉代砖瓦
2、窑的功能结构变化关系对揭示中国古代窑炉结构的发展脉络具有重要的意义 本研究在前人对汉代砖瓦窑的结构变化研究基础上使用计算流体软件 模拟砖瓦窑内流场和温度场以河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 和洛阳东周王城十一号窑为例分别进行数值模拟从流体力学和热力学的角度分析汉代砖瓦窑内烟气的流动情况 结果表明多烟道窑较单烟道窑更具保温的优势解释了汉代砖瓦窑结构变化的逻辑关键词:汉代砖瓦窑窑炉结构数值模拟挡火墙中图分类号:.文献标识码:引 言新石器时代陶器的出现是中国陶瓷史的重要里程碑之一从早期无窑烧制到裴李岗文化时期出现最早的横穴窑陶器的质地得到了一定的提升随着先民在生产生活上的需要对于陶器的器型和使用范围需求不
3、断增加促使人们对陶窑的结构进行创新和改造 由于南北方的地理位置特征和原料选择的差异南方自商代出现了依坡而建的小型龙窑北方则以发展馒头窑为主 窑炉的改进促进了烧成温度的提高为我国陶瓷发展提供了重要条件 汉代是制陶业发展的繁荣时期砖瓦作为陶质建筑材料在汉代表现出卓越的工艺质量这与汉代砖瓦窑结构的改进密切相关 半倒焰窑为汉代烧造陶器的主流窑炉目前最早发现于商代相较于升焰窑具有升温快、保温时间长、温度分布均匀等优点 经过升焰窑的结构变化和烧制技术改进半倒焰窑在汉代发展趋于成熟并被广泛使用 半倒焰窑一般由前操作区、火膛、窑室、烟道等主要组成部分构成 根据汉代后北方黄河流域的窑址发掘显示半倒焰窑的改进仅在
4、规模和结构比例上得到体现主要结构变化不大比较稳定目前已有学者对汉代陶窑的结构变化进行系统性的梳理研究 包括对汉代陶窑的建造形式、窑形结构、功能性质进行分类和总结概括揭示了汉代陶窑结构的发展脉络展现了汉代的窑业发展水平但是未能深入探讨汉代陶窑性质与结构变化的科学逻辑 近年来有学者运用数值模拟的方法复原陶窑内烧制过程中温度场变化的情况建立了通过流体力学来研究窑炉结构科学性的方法并对景德镇窑开展了研究 颜新华通过对景德镇三种窑形变化分别进行模拟结果表明从葫芦窑发展到蛋形窑温度分布更为均匀合理并结合复原的葫芦窑测温实验验证了通过 软件模拟实验的可行性 本研究是在前人的基础上采用数值模拟的方法对汉代数量
5、最多的砖瓦窑烧成过程的温度场和流场分布进行模拟进而讨论汉代砖瓦窑结构变化背 文物保护与考古科学第 卷后的科学道理为从热能利用的角度研究中国陶窑的发展奠定基础 汉代砖瓦窑发现概况和结构特点简述目前为止见于公开发表资料的汉代陶窑主要发现集中于河南陕西省一带黄河中下游地区汉代砖瓦窑目前已发现 余座其中已发掘的窑为 座 陕西省最多为 座河南省其次为 座河北省发现 座山西省 座山东省 座 陶窑按照功能分类可分为日用陶器窑、砖瓦窑、烘范窑、陶俑窑、多功能窑等 其中汉代砖瓦窑的基本结构包括窑门、火膛、窑室、烟道(图)其他部分如操作间、挡火墙、排烟口存在差别图 河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 平、剖面图.操作间因
6、窑而异根据发掘情况分为单窑操作间、双窑共用操作间和无操作间三种 单窑操作间是指各窑前的工作平台独立各窑之间没有空间的联系大部分砖瓦窑属于单窑操作间类型双窑操作间是指相邻相对两座窑共用一个操作坑双窑共用可见于陕西西安曲江春临村窑址 与、与、洛阳市东郊东汉砖瓦窑等(图)多窑共用操作间提高了工作效率汉代砖瓦窑大部分为单火膛结构目前仅发现一座陶窑存在双火膛结构 河南省新乡市东干道发掘的一座双火膛对称的西汉陶窑为半地穴式窑床平面呈长方形火膛位于窑室的东西两侧排烟口和烟道在窑床南北方向各 个中间的排烟口尺寸较大且烟道竖直向上两侧的排烟口较小且烟道向中间靠拢(图)较单火膛而言双火膛陶窑具有窑室温度高、分布均
7、匀的优点 比较特殊的是在西安市未央区六村堡窑址发现的两座小规模窑址没有独立的火膛(图)火门与窑室相接窑室底部存在较多白色灰烬的扇形区域图 双窑共用操作间砖瓦窑.图 河南省新乡市东干道西汉陶窑.春秋早期的窑还存有升焰窑的结构如洛阳东周王城内的古窑址 窑床和火膛之间架设有窑箅 战国中晚期至秦汉早期的砖瓦窑形制表现出逐渐统一的趋势窑室的平面形状以圆形、梨形、卵圆形为主还存有少量三角形、漏斗形的窑形烟道则以单烟道为主三个烟道数量的窑较少 汉代砖瓦窑的火膛包括梯形、半圆形两种窑床平面形第 期温 睿等:汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟 状包括方形、长方形、椭圆形、梨形四种火膛窑床面积比较秦汉早期大 根据汉代
8、各窑址发掘报告和相关总结性研究来看汉代陶窑各结构发展规律如下汉代砖瓦窑火膛以半圆形、梯形为主西汉早期的窑室形状以圆形、椭圆形、梨形为主西汉中晚期至东汉时期以近方形为主表明烧造规模的扩大导致窑址结构的调整西汉晚期陶窑的排烟系统则有汇合烟道和多烟道两种形式其中砌筑方式由砖砌筑隔开形成烟道早期则以生土掏挖夯实壁面作为烟道同时烟道数量呈增多的趋势除去单烟道的窑各个时期都有出现大部分砖瓦窑烟道数量为 个此外根据李清临的统计分析汉代单烟道窑火膛、窑室、烟道的面积呈现正相关性大部分多烟道和汇合烟道也呈正相关性为进一步研究汉代砖瓦窑结构变化的影响针对单烟道窑和多烟道窑开展模拟研究以期得到烟道数量对砖瓦窑的影响
9、变化程度 由于大部分窑址在发掘或者使用时窑顶坍塌不存甚至火膛、窑顶上部均不存因此选择保存较好具有代表性的两个汉代陶窑进行建模模拟 单烟道以西汉前期的洛阳东周王城十一号窑(图)为代表多烟道以东汉时期的河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 为代表其中前者由于窑顶部分残存按照后者窑室高度比进行复原(表)根据窑内出土遗物多为建筑材料设定两窑均烧制尺寸为 的汉砖进口烟气物理性质、温度等设为定量参数不同尺寸结构作为变量进行数值模拟图 陕西西安汉长安城.表 和十一号窑的尺寸数据 .火膛/窑床/烟道形状前宽 长 后宽形状横 纵 高数量出土遗物焦作市苏蔺村汉代窑址 梯形.方形.砖瓦等建筑材料洛阳东周王城十一号窑半圆形.方
10、形.陶器、瓦图 多烟道、单烟道陶窑.物理模型的建立及简化为对汉代砖瓦窑进行复原模拟首先需要对窑的建造方式、码窑方式、烧成方式进行总结研究然后在此基础上得到初步的模型.建造方式多个窑址的简报提到了砖瓦窑的建筑方法 基本大致相同为平地或斜坡上建造半地穴式窑具体方法是先在生土中掏挖出窑室的平面形状如方形、椭圆形、梯形等并在坑壁外留出一砖大小的边 文物保护与考古科学第 卷沿预留砌筑窑顶 然后在窑室前壁沿火膛平面形状如梯形、半圆弧形掏挖出一定深度的火膛并在火膛前壁掏挖出窑门与操作坑相通 最后修整窑的基本形状夯实内壁并涂抹草拌泥使其表面光滑多次烘烤后内壁坚硬耐用 据已有的窑址显示窑门的砌筑方式主要是由土坯
11、或砖券顶砌筑如图 所示先在生土中掏挖出拱形再以双层土坯砌成土坯券顶横向平券窑门下部一般有封火墙与火膛底齐平 根据已发掘的窑如河南省焦作武陟苗庄汉代陶窑等可判断火膛一般是底部平整直壁掏挖而成由火门向顶部缓慢延伸成穹窿顶形状至窑室上方地面东西两壁为直壁 窑室后壁一般掏挖 个方形的排烟口再由地面向下垂直掏挖烟道至与排烟口相通此外还有多个烟道汇合中烟道的实例掏挖此类烟道需要从中烟道对应地面的位置按照一定弧度向下掏挖此类的烟道是由夯实的土壁隔开西汉中晚期的汉墓陶窑中有以青砖隔开烟道的此类排烟系统需要把烟道部分全部掏挖再以砖隔开砌成三条烟道图 河南郑州马良寨遗址汉代陶窑、.窑室顶部保存下来的窑数量很少河南
12、省焦作市苏蔺村汉代窑址中发现一座保存较完整(图)为四隅券进式穹窿顶结构(图)从汉魏洛阳城东汉烧煤瓦窑 残存的窑壁顶砌砖来看窑顶同样是四隅券进式结构因此此种窑顶结构的窑址年代较晚均为东汉时期而且目前的考古资料也能证明最早出现此种汉墓封顶方法在东汉时期 此外西汉时期的窑也可据汉墓封顶方式推测封顶方式推断为四面结顶式穹窿顶或者券顶结构.码窑方式汉代砖瓦窑窑床的平面较为规整目前发掘的存有砖坯的窑址如新乡北站区前郭柳村汉代窑址窑床上撒有一层薄的草木灰未经烧过的砖坯在窑内横立放垒起窄面上皆沾有草木灰推测是防止砖坯之间粘连所用行与行之间摆放距离较密不足 砖坯与窑壁之间距离稍大约为 汉魏洛阳城东汉烧煤瓦窑窑床
13、上有一层排列整齐的东西向侧立砖坯(图)文中指出这层砖坯是作为窑箅使用行间距为 说明窑床底部铺设砖可能作为隔火道使用为其他器物架设所用河南郑州马良寨遗址(图)出土的窑床砖坯也出现了类似排列方式图 四隅券进式穹窿砌法示意图.图 汉魏洛阳城东汉烧煤瓦窑.图 河南郑州马良寨遗址.第 期温 睿等:汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟 以上结合历史文献记载、考古发掘资料及现代工业砖窑的多种码坯方式(图)参考复原即可对两窑模型进行建立据东汉时期的河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 考古报告显示该窑窑顶为四隅券进式穹窿顶结构而洛阳东周王城十一号窑为西汉早期的窑因此窑顶可假设为四面结顶式穹窿顶据此两窑建模完成后如图 所示图
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