既知の最古の複合材料を再構築する

Sep 03, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8163 (2023) この記事を引用

565 アクセス

3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

最古の屋根材の 1 つである複合タイルの起源はまだ不明です。 この研究は、中国の黄土高原の喬村遺跡で単一の遺跡から発掘された、紀元前～紀元前 2400 ～ 2200 年 (龍山時代初期) のものとされる 5000 枚を超える粘土タイルの破片のセットに基づいています。 形態学的測定統計、3D モデリング、コンピューターベースのシミュレーション、歴史的および考古学的な記録の参照を組み合わせることにより、既知の最古の複合タイル屋根技術を再構築し、タイルの製造が低レベルの標準化の下にあり、手動制御によって形成されたことを実証します。屋根葺き工事中の重要な役割を果たします。 次に、喬村の複合屋根瓦の定量的研究を考古学的文脈に位置づけ、黄土高原の他の遺跡と比較しました。 瓦屋根の建物は必然的にコミュニティプロジェクトであることが判明しました。 このような構造は、より大きな社会的コミュニケーションネットワークのノードとして機能しました。 さらに、彼らの出現は、龍山時代の公務における社会的複雑さの激化と関連していました。 粘土瓦の発明は、重い瓦屋根の耐荷重構造として機能するのに十分な強度を備えた厚い版築壁の始まりと関連していました。 喬村遺跡から出土した屋根瓦は、黄土高原が複合瓦および関連する屋根葺きおよび建築方法の起源と普及の重要な中心地であったことを示しており、東アジアにおける屋根葺き技術の龍山～西周の伝統を示唆している。

屋根瓦は人類の重要な建築革新を構成します。 現在、セラミック、石、コンクリート、またはその他の材料で作られたタイルが世界中で一般的に使用されています1。 瓦屋根の発明と採用は、屋根の長期耐久性、防水性、耐風性、およびメンテナンスコストを大幅に改善したため、重要です2。 これは、人間の住居やその他の建物の材料、形状、構造における他の変化に広範な共進化的影響を及ぼしました（例：レンガや耐荷重構造物の広範な使用）。 屋根瓦の起源とそれに関連する建設技術に取り組むことで、建築史と社会史についての重要な洞察を得ることができます。

しかし、タイル、特にカバータイルとパンタイルからなる複合タイルが「上下」構造を形成する起源はまだ十分に解明されていません。 初期の瓦屋根技術とそれに伴う建築の変化の詳細はまだ不明です。 同様に、瓦屋根への移行に至った社会的背景についても調査が必要である。 最後に、複合タイル技術は複数の場所で誕生したのでしょうか、それとも単一の場所または地域から広がったのでしょうか? これまでの研究は、考古学的記録の中の屋根、したがって屋根瓦の通常は断片的な性質によって制限されてきました。 また、これまでの研究では複合タイルシステムの社会的意義については検討されていない。 入手可能な限られた証拠に基づいて、これまでの学者は、最も初期のタイルはセラミック (最も一般的には焼かれた粘土で、文献では「テラコッタ」と呼ばれる) であり、紀元前 3 千年紀後半に初めて使用されたと考えていました。 ユーラシア西部では、このようなタイルは通常直線的で、連動する機能はありません。 これらは、ギリシャ本土 (紀元前 2650 ～ 2200 年頃) の集落で、いわゆる「廊下の家」の屋根に使用されました 4,5,6。 ユーラシア東部では、同様の時代（龍山時代、紀元前 2400 ～ 1800 年）の粘土タイルが、少なくとも中国の黄土高原の 6 つの遺跡で発見されています（SI 付録、S5）。 このようなタイルは、大規模な複合建築物にのみ使用されていたようです7、8。 ユーラシア東部の複合タイルシステムで見つかった連動構成要素は、ユーラシア西部の環境ではさらに千年間発生しないことに注意してください9（図1A、SI付録、表S4）。

初期のタイルとその他の対応する考古学的発見物を含む遺跡の地図。 (A) 初期の瓦屋根の家がある場所の地図 (SI 付録、表 S4)。 (B) 中国の黄土高原の地域。粘土タイル、パイプ、版築された場所が示されています。 (C) タイル張りの家がある喬村遺跡の地図。

これらの考古学的発見は、ユーラシア東部と西部の両方で最も初期の屋根瓦が、異なるがほぼ同時代の技術的伝統に属している可能性があることを示唆しています。 どちらの場合も、進化する複雑な地域社会を背景に、珍しい建物にそのような屋根が取り付けられました。 例えば中国では、瓦屋根の建物が大規模な集落の中心に位置しており、そこにはさまざまな工芸品の生産活動や長距離貿易の痕跡も残っている（例えば、石造りの建造物があり、珍しい翡翠の品物が展示されている島尾の遺跡）。青銅の生産物に加えて、骨の道具も回収されている10)。 複合瓦屋根は、標準化された建築方法の重要性が高まっていることを示す重要な指標であると考えられます。瓦屋根の設置には、屋根の安定性と水密性を確保するために、何百もの要素が正しく重なり、ぴったりとフィットする必要があるためです。

最近の研究では、Song et al. 龍山時代の黄土高原の屋根瓦に関する包括的なレビューを発表しました。これは中国の初期の粘土瓦に関する重要な知識を提供しますが、主に考古学的な現地調査から得られた屋根瓦のコレクションに基づいています。 したがって、提示された結論には、複合タイル屋根の工法に関するいくつかの仮定が含まれています8。 しかし、粘土瓦生産の標準化レベルや、大量かつ重い荷重を伴う初期の複合瓦がどのような方法で製造され、輸送され、最終的に屋根を構築するために設置されたのかについては、まだほとんどわかっていません。 この理解が限られている主な理由は次のとおりです: (a) 単一の遺跡からの瓦のサンプルは多くの場合少量であり、屋根瓦のほとんどは明確な考古学的背景のない現地調査から得られたものである、(b) 屋根は建物が放棄された後すぐに崩壊することが多く、瓦は損傷を受けている現場で発見されることはめったになく、(c) 生き残ったタイルに関する以前の研究は主に説明的なものでした。 最近、喬村遺跡での発掘中に、単一の状況で多数の多種多様な粘土タイルが発見されました。以来、この遺跡は、多数のタイルが回収された最も初期の遺跡の 1 つであることが判明しており、調査の機会を提供しています。初期の瓦の製造方法と屋根の葺き方法を詳しく説明します。 喬村瓦のほとんども破片ですが、3D モデリングとコンピューター シミュレーションを組み合わせることにより、瓦と瓦が形成した屋根の復元が可能になりました。 さらに、歴史的文書への細心の注意と後の時代の考古学的証拠の再評価により、複合タイル屋根の技術とその社会的/環境的動機の精巧な再構築が可能になりました。 この論文は、黄土高原の喬村遺跡から発掘された龍山時代初期（紀元前2400～2200年）のこれらの屋根瓦が、これまでに世界最古の複合瓦であることを発見した（SI付録、表S1）。

喬村遺跡は、黄河の支流黒河と大西河の源流にある黄土高原の端に位置しています（図1B、C）。 甘粛省文化財・考古学研究所と北京大学考古学・博物館学部が2018年から2021年にかけて実施した考古学調査と発掘により、この遺跡の面積は約103ヘクタールで、既知の範囲で龍山集落としては最大であることが判明した。 2373 km211 以内の地元の川の谷。 AMS 放射性炭素年代測定は、紀元前約 2400 ～ 1900 年の現場での人間の活動を示しています。 この日付範囲は龍山時代全体をカバーします (SI 付録、図 S1、表 S1)。 この時代の集落の大部分は洞窟住居だったようで、その多くが黄土丘陵沿いで発見されています。 現在まで、タイルは黄土高原の頂上でのみ発見されています 12、13 (図 1C、7D)。

タイルは現場の同時代の建造物に隣接していました。 現場から回収されたタイルの大部分は、二次的な状況である大きな溝 G2 に堆積しているのが発見されました (SI 付録、図 S2)。 龍山時代中期および後期におけるこの遺跡の広範囲かつ複雑な使用は、確認できる少数の龍山初期の建造物が後の活動によって損傷したことを意味します13。 黄土高原の別の龍山遺跡である廬山茂での発掘調査は、厚い版築壁を持つ家屋が黄土高原の頂上にある主なタイプの構造物であったことを示しています7。 チャオシン遺跡の瓦屋根の建物がたった 1 回の短いエピソードで明らかに意図的に破壊されたことは、溝内の年代特定の地層が紀元前約 2400 ～ 2200 年 (龍山初期) に集中しており、紀元前 2400 年から 2200 年頃 (龍山初期) に集中していたことを示す発掘調査によって確認されました。サイト (SI 付録、S1、図 S1、表 S1)。 したがって、溝から出土したタイルは、1 つまたは複数の同時代の大型の初期構造物から出土した可能性が非常に高いと考えられます。

橋村から出土した瓦は、微細な介在物を含む赤焼粘土でできており、覆瓦と皿瓦の2種類に大別されます。 カバータイルは、異なる形状の端を備えた半円筒形です。一方の端は幅が狭く、高さが低く、多くの場合粘土釘が付いています（以下、「小さい端」と呼びます）、もう一方の端は「大きい端」と呼ばれます」(図2A)。 パン タイルはほぼ台形で、側壁が盛り上がっており、小さい端と大きい端が区別されます。 一貫した形状のカバータイルとは異なり、パンタイルには 3 つの異なるサブタイプがあります (図 2B)。 端に釘や切り込みのないタイプ a、このようなタイルの背面はわずかに凸面、タイプ b に 2 つの切り込みと釘が付いています。小さい方の端（タイプ a に比べて比較的偏在性が低い）、タイプ c はこのタイル タイプの均一性が高く、これらのタイルは平らな背面と、穴のある真っ直ぐな側壁が特徴です（図 2C）。 。

喬村産の粘土瓦の例: (A) カバー瓦。 (B) パンタイル (2020C420 には端の切り込みが見られます)。 (C) フラットパンタイル。

パンとカバーのタイル システムは、王朝以前および帝政中国全体で使用され続けています。 中国の建設マニュアルである『Yingzao Fashi』（西暦 1103 年）には、複合瓦屋根の設置手順が概説されています。 同様に、北斉王朝 (西暦 553 ～ 577 年) の王室仏教寺院である和桃園遺跡で発見されたタイルとの比較 14,15 により、各タイル タイプの機能を再構築することができます (SI 付録、S2、図.S3)。 この歴史文書と和桃園遺跡は新石器時代の橋村瓦から数千年前のものですが、複合瓦屋根の建設に関するいくつかの規則と原則がこの期間にわたって一貫していたことは明らかです。 理由は次のとおりです。 (a) カバータイルとパンタイルの形状、スタイル、比率が非常に類似しており、これは設置技術がその間に大幅に変わっていないことを示しています (表 1)。 (b) 喬村のパンタイルの幅は、カバータイルの平均幅の平均2倍(21.93cm対11.50cm)で、これは英草誌に記載されている寸法および河桃園遺跡で発見されたタイルとよく一致している。

さまざまな種類のタイルの比率は、特定の屋根がどのように構築されたかを理解するための基礎となります。 ほとんどの瓦は屋根面に使用されますが、軒先や棟筋など特定の場所に設置される瓦もいくつかあります。 橋村では、カバータイルとパンタイルが最も一般的に発生しており、それぞれタイルの 33.7% と 53.2% を占めています。 対照的に、フラットパンタイルは 13.1% しか占めていません (表 1)。 同様の比率が河桃園遺跡でも観察され、同様の屋根葺き技術が示唆された。

屋根棟の特定の瓦は和桃園遺跡から回収されたが14、塹村からはそのような瓦は回収されなかった。 フラットパン タイルの滑らかで平らな形態は、厚い版築壁の上などの平らな面に配置するのに適していると思われます。 瓦屋根の痕跡は、橋村から約 250 km 離れた黄土高原北部に位置する龍山遺跡 (紀元前 2300 年から 2100 年頃) にある、少し遅いとはいえ同様の別の龍山遺跡である廬山茂での版築住宅の発掘中に観察されました (図 1B)。 さらに、黄土高原から出土した龍山家形の陶器の容器には、切妻壁と二重勾配の屋根を持つ建物が示されています（SI付録、S3、図S4）。 したがって、喬村平瓦は版築破風壁の上部に取り付けられ、屋根を適切に形成するカバーや他のタイプの平瓦と連動することを意図していたと考えられます。

端に切り込みのあるパン瓦が屋根の最上部の列を形成し、切り込みと釘が尾根に向かって上向きに向けられていました。 このタイルの形状は、屋根の尾根にタイルを固定するのに役立ちます。 これは、このタイルの数が、特定の屋根上のパン タイルの列の数に等しいことを意味します。 河桃園遺跡から出土した歴史的時代の軒瓦の割合は 8.3 ～ 33.5% である。 これは、現場の屋根と瓦のサイズが異なるためです15。 橋村では、端部切込みのあるパンタイルが使用タイルの 19.46% 以上を占めており (SI 付録、表 S2A、B)、橋村には特定の棟瓦がないため、列間の隙間をシールすることに加えて、我々は主張するパンタイル、カバータイルは棟瓦としても使用されました。

これらの推論に基づいて、パンタイルとカバータイルの最も可能性の高い組み合わせ（20行と50列、「材料と方法」を参照）を使用して3Dモデリングによって瓦屋根の完全な復元を試みます（図3）。

喬村複合瓦と瓦屋根工法の修復。

各タイル断片の幅、高さ、厚さを測定したところ、大まかに正規分布していることがわかりました (データセット S1、図 4)。 これは、喬村から回収された屋根瓦が型や同様の道具を使わずに手作りされたことを示唆しています（SI付録、S4）。 変動係数 (以下、CV) は、アーティファクト寸法の相対標準化を計算するために使用される要約統計量であり (16、17、18、19 を参照)、これはクラウン法 (以下、CV*) 18 などによって提案される方法によってさらに補正できます20。過去の陶器生産の研究のための21。 ~ 10 ～ ~ 14% の CV* 値は、スペシャリストとジェネラリストの生産を示しています。 しかし、Costin16,22 は、標準化と専門化の関係が明確であると仮定する前に、職人による生産の需要、機能、および背景を文書化する必要性を実証しています。 すべてのタイプの Qiaocun タイルの CV* 値は > 14% でしたが、タイル幅の CV* 値は約 14% であり、高さまたは厚さよりも幅に対して高度な手動制御が実行されたことを示しています。 対照的に、同様の形状とサイズのパンタイルとカバータイルが発見された河桃園遺跡のタイル14,15は、CV*値が10%未満とはるかに小さく、このことは、その間の〜2000年間にタイル生産の標準化の度合いが高まったことを示しています。中国の歴史 (SI 付録、表 S3)。

カバーとパンタイルの寸法。 Shapiro-Wilk 検定によれば、すべての分布は正規分布であり、有意水準は 0.05 です。

屋根が機能するためには、さまざまな形やサイズのタイルを基本的なルールに従って組み合わせる必要があります。 これは、パン-パンまたはカバー-カバー タイル間の垂直結合と、カバー-パン タイル間の水平結合が一致する必要があることを意味します (SI 付録、S2、図 S9 の詳細を参照)。 これらのルールに基づいて、各タイル タイプの形態学的変数の正規分布からタイルを繰り返しサンプリングし、3 つのシミュレーション モデル (ランダム、グループ化、および手動制御。「材料と方法」を参照) を使用して屋根を構築しました。 これらのモデルは、タイルの寸法に観察可能なばらつきがあることを考慮して、屋根葺きプロセスの実現可能性と屋根職人側に必要な介入の程度を評価することを目的としていました。

ランダム タイル選択モデルを実行すると、RC (予約係数、屋根葺きに必要なタイルの数の時間を指す) が 1.5 に設定されている場合、100 件のシミュレーションのうち 18 件で設計が完全に失敗しました。これは、失敗したタイルの設置によって示されます。屋根葺き工程の最終ステップ（図5A）。 失敗したシミュレーションでは、通常、プロセスの後半で失敗が発生しました (図 5E)。 シミュレーションが成功した場合でも、各場所の交換頻度は依然として許容できないほど高すぎることがよくありました。 成功したすべてのシミュレーションでは、適切なカバー タイルを見つけるために、場所の 2% が 50 回以上置き換えられました (図 5A)。 同時に、カバータイルの 4% 以上が選択され、屋根への設置が 50 回以上拒否されました (図 5B)。 これは、タイルの形状の分散が大きすぎて、ランダムなモデルでは実行可能な瓦屋根の建設を任意に許可できないことを示唆しています。 シミュレーションによって繰り返し拒否されたタイルの形態を調べると、これらのタイルは通常、幅が狭すぎる大きな端を持つパン タイルか、幅が広すぎる小さな端を持つカバー タイルであることがわかりました (図 5C、D)。 この差異は、タイルがシーケンス内の次のタイルに正しく接続できないことを意味します。

ランダムモデルに基づく統計。 (A) 屋根上の各箇所の交換回数の頻度。 (B) サンプリング プール内の各タイルの置換数の頻度。 (C) サンプリング プール内のカバー タイルのサイズと置換数のプロット。 (D) サンプリング プール内のパン タイルのサイズと置換数のプロット。 (E) 屋根上の 100 回のランダム シミュレーションに基づく故障頻度のヒートマップ (カバー タイルの場合は 20 行と 49 列)。

タイル選択のランダム モデルは実用的ではないと判断した後、グループ化されたモデルを使用してシミュレーションを実行しました。 サンプル プール内のタイルの総数が結果に大きな影響を与えることは明らかです。 RC が 1.2 より大きい場合、プロジェクト全体の成功率は 75% 以上になり、RC が 1.3 になると 90% 以上に増加します。 RC 値が増加するにつれて、タイル交換の頻度も減少しました (図 6A、B)。 ただし、この改善にもかかわらず、グループ化されたモデルは屋根の問題を完全に解決することはできません。 シミュレーションの成功率が 90% (RC > = 1.3) であっても、屋根上には 50 を超えるカバー タイルが配置されている場所がまだ多数あります (各シミュレーションの平均で 5 ～ 7% または 49 ～ 69 の位置、図) .6A) は、一致するタイルが見つかる前に試行する必要があり、極端なコンポーネントの不一致を手動で調整する必要があります。

グループ化され手動で制御されたモデルの結果。 (A) 屋根上のカバータイルの最大交換数のグループ化モデルの戦艦プロット。 (B) 1.0 ～ 1.5 の RC 値によるグループ化モデルでの 100 回のシミュレーションに基づく成功率。 (C) 0 ～ 20 の MCC 値および 1.1 ～ 1.5 の RC 値による手動制御モデルでの 100 回のシミュレーションに基づく成功率。

別の手動制御モデルを実行しました。 このモデルでは、タイルの最小変化を優先するための新しいパラメーター MCC (最大変化係数、屋根上の 1 つの位置で許容される最大変化数を指します) が導入されました。 このモデルの結果で注目に値するのは、シミュレーションでは RC 値が引き続き重要であり、屋根葺きを成功させるにはタイルの 1.2 倍の予備が不可欠であることです。 RC 値が 1.4 より大きく、MCC 値が 10 の場合、シミュレーションの相対成功率は 70% でした。 MCC 値が 15 に増加すると、成功率は 90% に増加しました (図 6C)。 したがって、手動で制御されたモデルは、喬村で瓦屋根を建設するために使用されたであろうプロセスを最もよく反映していると思われます。

この分析に基づくと、低レベルの標準化に対処する場合、手動制御が瓦屋根の建設を成功させるための重要な要素であったと考えられます。 実際、この方法は『Yingzao Fashi』(SI Appendix, S2) に記録されています。

喬村遺跡から回収されたタイル破片の測定に基づくCV*値とコンピュータ支援シミュレーションの両方は、粘土タイルが専門家によって製造された可能性が高いことを示しています。 陶器23,24、玉器25、石器26、骨器27など龍山時代の他の多くの製品が高度な標準化を示しているのに比べ、これらの瓦は低レベルの標準化で製造された。 これは、屋根葺きのプロセス中に頻繁に手動で調整する必要があることを意味します。 『英草法』によれば、瓦の生産とその後の瓦屋根の建設には労働力の面で巨額の投資が必要であった（SI付録、S2）。 生産が世帯レベルを超えた共同作業であったに違いないことは明らかです。 したがって、材料と労力の両面で高価な瓦屋根が当時どのようにしてこの地域に建てられたのかを理解するには、龍山黄土高原の環境的および社会文化的背景を調査する必要がある。

まず、龍山の建造物の多くは、黄土高原の急斜面を削って造られた洞窟住居である28。 このような洞窟住居は、目立つことも視認性も限られています。 このような場所は、主要な社会的つながりを確立する場としては最適ではありませんでした (図 7B、D)。 したがって、公共の団結を促進するために、黄土台地に瓦屋根の精巧な大規模複合建築物が建設されたと考えられます。 このような遺跡としては、廬山茂の英盤梁 7、碧村の小玉梁 29,30、喬村の台地部分 12,13 などが挙げられます。 しかし、保護された峡谷から黄土台地の頂上への場所の変更は、構造物が雨/ひょうにさらにさらされることを意味しました（図7A、C）。 この環境圧力により、この時期に建物の露出した版築壁を保護するために粘土瓦屋根が発明された可能性があります。

喬村の瓦屋根の家と住居洞窟の位置。 (A) 風暴露指数地図上の瓦屋根の家屋と住居洞窟の位置。 (B) ポジティブ開放指数マップ上の瓦屋根の家と住居洞窟の位置。 (C) 瓦屋根の家と住居の洞窟の位置を示す地図 A と地図 B の密度プロット。 (D) 洞窟住居と瓦屋根の家がある喬村遺跡の風景のスケッチ図。

社会的背景は、中国の黄土高原における社会の結びつきがますます高まっていることに由来しています。 龍山時代の新石器時代から青銅器時代の間に起こった社会の変遷は、先史時代の東洋と西洋の相互作用に不可欠なものとしてよく引用されています 31,32。 翡翠、青銅、その他の高級品に関するこれまでの研究では、遺跡間の商品の交換や取引が示されており、集落と地域間の社会的相互作用の強化が示されています 33,34。 橋村、廬山茂（約 60 ヘクタール）、島尾（橋村から約 460 km、100 ヘクタール以上、図 1B）などの黄土高原の主要な中心地は、活発な社会コミュニケーションのネットワークに関与していました。

島尾市の黄城台の発掘では、瓦葺の建物の周囲の墳丘から、切り落とした廃棄物に加えて、骨顎琴や針などのさまざまな遺物が発掘されました。 青銅鋳造用の石型や小型青銅、前述の翡翠も発見されました。 これは、儀式、ごちそう、現場での工芸品の生産（骨針の製造と青銅の鋳造）、そしておそらくは地域社会間の交流の証拠として捉えることができます34。 瓦屋根の家がこうした共同体活動の拠点として機能したのではないかと考えられます。

龍山黄土高原での公共の社会行事がますます重視されるようになり、この地域に新しい家畜や青銅が導入されました。 青銅技術の普及に加えて牛や羊の家畜化は、西洋だけでなく、黄河地域を含む東洋でも、複雑な社会移行と青銅器時代の文明の発展を加速したようです35、36、37。中国32． この時期に出現し始めた建築要素は屋根瓦だけではありません。 公共排水システムの一部を形成していた土管（老湖嘴38、陶思39、平涼台40、41参照）も発掘されている。 タイル張りの屋根とパイプを備えた建物の発明は、間違いなく、新しい定住地におけるますます複雑化する社会/公共情勢に関連しており、ゴードン チャイルドが指摘しているように、最終的には社会管理、集団権力、都市革命の成長を促進しました。 複合瓦屋根は、西周の祖先寺院以降、公共建築で継続的に使用されてきたことが知られています43、44、45、46。 この伝統は今では喬村にまで遡ることができます。

現在の考古学的発見に基づくと、中国の黄土高原の橋村から回収されたタイルは、複合粘土タイルの世界最古の例です（SI付録、図S5）。 カバータイルであると推定されるいくつかの初期の「タイル」遺跡が最近馬騰港から発掘されましたが 47、Qiaocun の複合粘土タイルは依然としてパンタイルとカバータイルの両方を含む最古の集合体です (SI 付録、S5)。 龍山遺跡から出土した瓦は、複合瓦葺き屋根技術という同じ伝統を共有していますが、遺跡間で若干の技術的多様性が見られます。 たとえば、廬山茂の複合タイル (紀元前 2300 ～ 2100 年、SI 付録 S5、図 S1) は主にカバー タイルとフラットパン タイルの組み合わせであり、カバー タイルはおそらく端に沿って泥のストリップで作られています。重複と固定をより細かく制御できるようにすることを目的とした革新。 これらのストリップは、Qiaocun タイルの釘と同じ機能を果たします。 これらの異なる技術の存在は、タイル技術がこれら 2 つの場所で異なる方法で進歩したことを示しています (SI 付録、図 S6)。 ソングら。 考古学調査から喬村遺跡の別の種類の平板瓦を発表した。 これらのタイルは、ほぞとほぞ穴の接合部として、小さな端に切り込みがあり、大きな端に浅い溝が入った特別に設計されています（SI 付録、図 S7）。 これらの平皿タイルの幅は 2 つのグループ (約 15 cm と 5 cm) に分類できますが、G2 から出土した 5000 以上のタイル破片の中にはそのようなタイルは見つかりませんでした。 後の龍山の優位性が橋村遺跡に残っているという事実を考慮すると、おそらくこれらの平板タイルは別のより高度なタイルシステムに属していると考えられます。 要約すると、これらの違いは、黄土高原の既知の最古の瓦にはさまざまな製造方法と設置方法が存在することを示唆しており、喬村で発掘された屋根瓦は、現在までに発掘された最も初期の形式である可能性があります（SI付録、図S1、表S1)。

粘土タイルの発明は、建築技術における重要な変化、つまり厚い版築壁の出現と関連していました。 版築は、新石器時代後期の紀元前 3000 年頃の中国で初めて建設技術として登場し (48,49 参照)、主に黄土高原またはその近くで、当初は村や初期の都市の周囲に防御壁を築くために使用されました。 版築壁は、新石器時代初期の遺跡で見つかった構造の特徴である茅葺屋根の編み枝細工構造よりもはるかに大きな耐荷重能力を持っています（SI付録、S6、図S8）。 したがって、版築壁の出現と同時に起こったと思われる複合粘土瓦と瓦屋根技術の発明は、東アジアにおける最も初期の伝統とみなすことができます。 この伝統は、現代のギリシャで見られる石または日レンガの壁と単一のタイル屋根を備えた構造とは異なるようです (SI 付録、S7)。

西暦前 1800 年から 1046 年（二里頭から商まで）、考古学的発見によるタイルが著しく不足しています。 一部は黄土高原や黄土高原の端に沿った遺跡から採取されているが、例えば関中盆地の原周時代に属する蔵書溝直遺跡50や四川盆地の三星堆遺跡51などである。 しかし、二里頭や商の遺跡には瓦屋根の建物の証拠はありません。 これらの文化は両方とも、中国東部の黄河の下流とそのデルタ地帯で生まれました52,53。 これはさらに、初期の瓦葺き技術が黄土高原の主要な場所と黄土高原と密接な関係にある地域に限定されていたことを示唆しています54。

西周時代（紀元前 1046 ～ 771 年）、考古学的な文脈から回収された屋根瓦の数が増加しました。 大部分は関中盆地の遺跡で発見されました。 カバータイル、パンタイル、およびフラットパンタイルは依然として存在しますが、2つの新しい形式があります。1つは軒の保護と装飾に使用されるハーフタイル端であり、もう1つは棟タイルとして使用される大きなカバータイルです45、46。 これらの特殊な瓦は、より正式な屋根瓦システムが徐々に確立されていることを示しています。 特にパンタイルはより均一な形状をしており、現在では 3 番目または 4 分の 1 の円に湾曲しています。 カバー タイルの小さい端には縁があり、列内の次のカバー タイルの大きい端に簡単に嵌め込むことができます。場合によっては、タイルの端の厚さを意図的に薄くすることもあります 43,44。 このようなほぞ穴スタイルにより、パン-パンまたはカバー-カバーのタイル配置の連動が保証されました。 一般に、西周の終わりまで、複合粘土タイルの技術と厚い版築壁を使用して建てられた構造物は、主に黄土高原に限定されていたようです。 瓦葺き技術におけるこの一貫した使用と進化は「龍山-西周の伝統」を形成しており、これは西側の「ギリシャ・エトルリアの伝統」と比較することができます（SI付録、S7）。

東周 (西暦前 771 ～ 221 年) の時代までに、複合タイルは広く普及し、中国全土の遺跡でよく見られます。 戦国時代 (紀元前 475 ～ 221 年) および秦漢時代 (紀元前 221 ～ 220 年) における木造フレームの建物と斗公工法 (SI 付録、S8) の発展は、建築の形態に大きな柔軟性があったことを意味しました。瓦屋根の建物55,56 (SI 付録、表 S5)。 成形タイルが考古学的記録に現れ始め、それ以前の時代の手形タイルに代わって現れるのはこの時期です 57 (SI 付録、S3)。 東周時代末期に瓦の形状、意匠、製造技術がどれほど進化していたかがわかります。

複合タイル屋根技術には、東アジア全域で共通の伝統がある58,59。 考古学的発見は、タイルとそれに関連する屋根技術が、西暦 3 世紀以降、朝鮮半島 60、日本 61,62、(現在の)ロシア極東 63、東南アジア 64,65 に拡散したことを示しています (図 1A、SI 付録、表)。 S4)。

要約すると、東アジアにおける最古の複合タイルと瓦屋根技術は中国の黄土高原で生まれ、発展しました。 このタイルはもともと、地域の中心を形成する広大な敷地（100ヘクタール以上）で厚い版築壁を使用して建設された共同構造物の屋根に使用されていました。 これにより、龍山市と西周市の瓦屋根の建物の伝統が徐々に形成されていきました。 複合タイルの伝統は黄土高原から東周の中国全土に広がり、東アジア全域で最も影響力のある屋根技術となりました。

溝Ｇ２から１０ｍｍメッシュの篩い分けにより、合計５２１９個の粘土タイル片を収集した。 収集された破片の総重量は 382.7 kg でした。 すべての断片は、可能な限り無傷のタイル パターンを再構築するために組み立てられました。 形態学的特徴を持つ断片の幅、長さ、高さ、厚さ、および拡張角度が測定され、大きい端と小さい端の間のわずかなテーパーが示されました (データセット S1)。

次に、Topi et al.21 が提供するサンプルサイズ調整式に従って CV* を計算しました。

私たちは、破片から組み立てて、ほぼ完全なタイルに再構築できるサンプルを発見しました。 これらの復元に基づいて、タイルの長さは約 40 cm と推定でき、これは廬山茅で発見されたタイルとほぼ一致します (7 37.2 ～ 47 cm)。 タイルも同様の高さと幅です。 Qiaocun 発掘現場で発見された各タイプの最も保存状態の良いタイルは、Hexagon AtlaScan Max 3D スキャナーを使用した高解像度 3D スキャンによってスキャンされました。 これらのタイルの 3D モデルは仮想的に修復されて、完全かつ無傷のタイルを形成し、Geomagic Freeform と SolidWorks を使用して複製して仮想複合材料に組み合わせることができました。

家と屋根のサイズはおそらくさまざまでしたが、重い瓦屋根を支えるために0.5トンの複合材を支えるには厚い壁が必要であり、版築壁は十分な厚さでなければなりませんでした（SI付録、S5、図1）。 S8)。 表 S6 は、さまざまな可能な屋根サイズに応じて、カバータイルとパンタイルの最も合理的な比率を数値で示しています。 パンタイルはカバータイルより表面積が大きいため（3Dモデルから表面積を計算すると2.08倍）、パンタイル破片の割合はカバータイル破片に比べて相対的に大きくなります。 カバータイルとパンタイルの破壊率を考慮すると、破片内のカバータイルとパンタイルのすべての可能な比率を同時に計算できます。

まず、シミュレーションでは、許容値と予備という 2 つの係数が事前に定義されています。 許容差とは、隣接する 2 つのタイルを接続できる範囲を指します。 シミュレーションにおける小さな数値偏差 (たとえば、数 mm) であっても、屋根葺きプロセスの失敗につながる可能性があります。 ただし、実際には、これは手動で簡単に修正できます。 シミュレーションでは、厚さの 1 標準誤差の許容誤差を人為的に設定しました。 この研究では、RC 値の範囲を 1 から 1.5 まで 0.1 ずつ緩和します。これは、屋根葺き前のサンプル プール内のタイルの数に相当します。

シミュレーションでは、タイルのサイズは、幅と厚さを含むタイル パターンの寸法の正規分布からランダムに抽出されます。 大きい端と小さい端には、カバー タイルをサンプリングするための個別のデータ セットがあります。 対照的に、パンタイルは、サンプルサイズと端の破片に固有の診断特性がないため、区別するのが困難です。 したがって、この研究では、ブートストラップ法を使用して、パンタイルの幅と厚さのデータセットから大きい端と小さい端を特定します（SI付録、S9、表S7）。

タイルを結合するための基本的なルールは、縦方向と横方向の両方を指します。 列では、小さい方の端の外側の寸法の幅は、前または次のタイルの大きい方の端の内側の寸法より短くなければなりません。 列では、カバー タイルは、大きい端と小さい端の間の違いにより、2 つの平行なパン タイルの間の隙間をカバーできる必要があります (SI 付録、図 S9)。

ここで、P_W と C_W はパン タイルとカバー タイルの幅で、n (1 < = n < 20) は各屋根柱の n 番目の位置の数です。 l と s はそれぞれ大きい端と小さい端であり、i と e はそれぞれ端の内側と外側の寸法です。

ランダム モデルは、反復ごとにサンプル プールからタイルをランダムに選択しました。 屋根に設置できなかったタイルは、再びサンプルプールに含めました。 シミュレーションがサンプリング プール内に残っている可能性のあるすべてのタイルを使い果たした時点で、屋根のシミュレーションは失敗したと見なされます。

グループ化されたモデルは、1 つの標準誤差 (σ) による変数幅の分類に基づいており、2 つの標準誤差 (2σ) を超えるデータは除外されます。 したがって、タイルの両端には 4 つのデータ グループ (− 2σ から − σ、− σ から 0、0 から σ、σ から 2σ) と合計 16 のグループがあり、パンとパンの両方にそれぞれ 8 つのグループが存在します。サンプリングプールのカバータイル。 次に、隣接するタイルに屋根を付けるときに、同じグループからより高い優先順位で新しい隣接タイルが描画されます (データセット S2)。

手動制御モデルはグループ化モデルに基づいていますが、パラメータ MCC が導入されています。 ある場所のタイル サイズの変更が MCC 値を超えると、変更プロセスが一時的に停止され、その場所に悪影響を及ぼした前のタイルが削除されます。 このリコールメカニズムは縦方向と横方向の両方に適用でき、屋根職人がリアルタイムで行う実際的な調整と考えることができます。 リコールが 2 回発生した場合、屋根シミュレーション全体が失敗として定義されました。

この研究のすべてのデータは補足資料で入手できます。 瓦屋根のシミュレーションのコードは、GitHub (https://github.com/haizhang0921/Qiaocun-Tiles) にあります。

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コーディングシミュレーションを手伝ってくれたPengcheng Zhang氏、参考資料と写真を収集してくれたBaoping Li氏、Qiaocunの風景のスケッチ図を描いてくれたRuiqi Cong氏に感謝します。 また、改訂に関する貴重なアドバイスをくださった匿名の査読者 2 名にも感謝いたします。 この研究は、中国国家重点研究開発プログラム (2020YFC1521900) および中国国家科学財団 (T2192953、41971251) の支援を受けて実施されました。

Yijing Xu と Jing Zhou の著者も同様に貢献しました。

北京大学考古学および博物館学部、5 Summer Palace Road、北京、100871、中国

Yijing Xu、Shengyu Liu、Minghao Peng、Hai Zhang

甘粛省文化財考古学研究所、165 Heping Road、蘭州、730000、中国

Jing Zhou、Jianlong Zhao、Guoke Chen & Wen Li

陝西考古学アカデミー、31 Leyou Road、西安、710054、中国

馬明志

西北大学文化遺産学部、1 Xuefu Street、Xi'an、710127、中国

フランチェスカ・モンティース

考古学研究所、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン、31–34 Gordon Square、ロンドン、WC1H 0PY、英国

アンドリュー・ビーヴァン

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HZ、JZ、YX が研究を設計しました。 JZ、JLZ、GC、WL、MM、FM が調査を実施しました。 YX、AB、HZ がデータを分析しました。 SL は 3D モデリングを実行しました。 MP は修復物をデザインしました。 HZ はコンピューター シミュレーションを設計しました。 HZ、YX、AB、FM が論文を執筆しました。

Shengyu Liu、Minghao Peng、Andrew Bevan、または Hai Zhang との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Xu, Y.、Zhou, J.、Zhao, J. 他中国の黄土高原で知られている最古の複合瓦屋根を復元。 Sci Rep 13、8163 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35299-x

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受信日: 2022 年 12 月 27 日

受理日: 2023 年 5 月 16 日

公開日: 2023 年 5 月 19 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35299-x

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