Reconstitution du premier composite connu - Hubei Pneumatique Clous Inc.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8163 (2023) Citer cet article

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Les origines des tuiles composites, l'une des plus anciennes formes de couverture, sont encore floues. Cette étude est basée sur un ensemble de plus de 5000 fragments de tuiles d'argile extraits d'un contexte unique sur le site de Qiaocun sur le plateau chinois de Loess, daté d'environ 2400-2200 avant notre ère (début de la période de Longshan). En combinant des statistiques de mesures morphologiques, la modélisation 3D, des simulations informatiques et des références à des archives historiques et archéologiques, nous reconstruisons les premières techniques connues de toiture en tuiles composites et démontrons que la production de tuiles était sous une normalisation de bas niveau, avec un contrôle manuel formant un agent clé pendant le processus de toiture. L'étude quantitative des tuiles composites de Qiaocun a ensuite été replacée dans son contexte archéologique et comparée à d'autres sites du plateau de Loess. Il a été constaté que les bâtiments aux toits de tuiles étaient, par nécessité, des projets communautaires. De telles structures servaient de nœuds dans des réseaux de communication sociale plus vastes ; de plus, leur apparition était liée à une complexité sociale accrue dans les affaires publiques pendant la période Longshan. L'invention des tuiles en terre cuite a été associée à la création de murs épais en pisé qui avaient une résistance suffisante pour servir de structures porteuses pour les toits de tuiles lourds. Les tuiles de toit extraites du site de Qiaocun indiquent que le plateau de Loess était un centre clé pour l'origine et la diffusion des tuiles composites et des méthodes de toiture et de construction associées, suggérant une tradition Longshan-Western Zhou des techniques de toiture en Asie de l'Est.

Les tuiles constituent une innovation architecturale humaine clé. Aujourd'hui, les carreaux en céramique, pierre, béton ou autres matériaux sont couramment utilisés dans le monde entier1. L'invention et l'adoption des toits en tuiles sont importantes car elles ont considérablement amélioré la durabilité à long terme, l'étanchéité, la résistance au vent et les coûts d'entretien de la toiture2. Cela a eu des effets coévolutifs de grande portée sur d'autres changements dans les matériaux, la forme et la structure des habitations humaines et d'autres bâtiments (par exemple, l'utilisation généralisée des briques et des structures porteuses3). En abordant les origines des tuiles et leurs techniques de construction associées, il est possible d'obtenir des informations clés sur les histoires architecturales et sociales.

Cependant, l'origine des tuiles, en particulier des tuiles composites, qui se composent de tuiles de couverture et de pan, pour créer une structure "au-dessus et au-dessous" n'a pas encore été établie de manière satisfaisante. Les détails des premières techniques de toiture en tuiles et les changements architecturaux associés ne sont toujours pas clairs. De même, le milieu social qui a conduit au passage aux toitures en tuiles mérite d'être étudié. Enfin, la technologie des carreaux composites est-elle apparue à plusieurs endroits ou s'est-elle propagée à partir d'un seul lieu ou d'une seule région ? La recherche à ce jour a été limitée par la nature généralement fragmentaire des toits et donc des tuiles dans les archives archéologiques. De plus, la recherche à ce jour n'a pas réussi à examiner la signification sociale du système de tuiles composites. Sur la base des preuves limitées disponibles, les chercheurs précédents ont supposé que les premiers carreaux étaient en céramique (le plus souvent une argile cuite, appelée dans la littérature "terre cuite") et ont été utilisés pour la première fois à la fin du troisième millénaire avant notre ère. Dans l'ouest de l'Eurasie, ces tuiles sont généralement rectilignes sans caractéristiques d'emboîtement. Ils étaient utilisés pour les toits des soi-disant "maisons de couloir" dans les colonies de la Grèce continentale (~ 2650–2200 avant notre ère)4,5,6. Dans l'est de l'Eurasie, des tuiles d'argile d'une période similaire (période de Longshan, ~ 2400–1800 avant notre ère) ont été trouvées dans six sites au moins sur le plateau de Loess en Chine (annexe SI, S5). Ces tuiles semblent avoir été utilisées exclusivement pour les grands ensembles immobiliers7,8. Il convient de noter que les composants imbriqués trouvés dans le système de tuiles composites de l'est de l'Eurasie ne se produisent pas dans les contextes de l'ouest de l'Eurasie pendant encore mille ans9 (Fig. 1A, annexe SI, tableau S4).

Cartes des sites avec les premières tuiles et autres découvertes archéologiques correspondantes. (A) carte des sites avec les premières maisons à toit de tuiles (annexe SI, tableau S4); (B) région du plateau de Loess chinois, montrant des sites avec des tuiles en terre cuite, des tuyaux et de la terre battue ; (C) plan du site de Qiaocun avec maisons en tuiles.

Ces découvertes archéologiques suggèrent que les premières tuiles de toit en Eurasie orientale et occidentale pourraient appartenir à des traditions techniques différentes mais à peu près contemporaines. Dans les deux cas, des bâtiments insolites ont été équipés de telles toitures dans le cadre de sociétés locales complexes et évolutives. En Chine, par exemple, des bâtiments aux toits de tuiles sont situés au centre de grandes agglomérations qui conservent également des témoignages de diverses activités de production artisanale et de commerce à longue distance (par exemple, le site de Shimao qui contient des constructions en pierre et dans lequel des objets exotiques en jade et des outils en os ont été récupérés, en plus de la production de bronze10). Les toits en tuiles composites semblent être un indicateur important de l'importance croissante accordée aux méthodes de construction standardisées, car l'installation d'un toit en tuiles nécessite que des centaines d'éléments se chevauchent correctement et s'emboîtent parfaitement afin de garantir la stabilité et l'étanchéité du toit.

Dans une étude récente, Song et al. a présenté un examen complet des tuiles du plateau de Loess à l'époque de Longshan qui, bien qu'il fournisse des connaissances essentielles sur les premières tuiles d'argile en Chine, est principalement basé sur des collections de tuiles provenant d'enquêtes archéologiques sur le terrain. Les conclusions présentées comportent donc plusieurs hypothèses sur les méthodes de couverture en tuiles composites8. Cependant, nous avons encore peu d'idées sur le niveau de standardisation de la production de tuiles en terre cuite et de quelle manière les premières tuiles composites, en grand nombre et avec de lourdes charges, auraient été fabriquées, transportées et finalement placées pour construire des toits. Cette compréhension limitée est principalement due au fait que : (a) les échantillons de tuiles d'un seul site archéologique sont souvent petits et la plupart des tuiles proviennent d'enquêtes sur le terrain sans contextes archéologiques clairs, (b) les toits se sont souvent effondrés rapidement après l'abandon du bâtiment et les tuiles sont rarement trouvé in situ, et (c) les travaux antérieurs sur les tuiles survivantes ont été principalement descriptifs. La découverte récente d'un grand nombre et d'une grande variété de tuiles en terre cuite dans un contexte unique lors des fouilles du site de Qiaocun, qui s'est depuis avéré être l'un des premiers sites sur lesquels un grand nombre de tuiles a été récupéré, offre l'occasion d'examiner les premières méthodes de production de tuiles et de couverture en détail. Bien que la plupart des tuiles de Qiaocun soient également des fragments, une combinaison de modélisation 3D et de simulation informatique a permis la reconstruction des tuiles et du toit qu'elles formaient. De plus, une attention particulière aux documents historiques et une réévaluation des preuves archéologiques des périodes ultérieures ont permis une reconstruction élaborée des techniques de toiture en tuiles composites et de leurs motivations sociales/environnementales. Cet article constate que ces tuiles de toit extraites du site de Qiaocun sur le plateau de Loess, datant du début de la période Longshan (~ 2400-2200 avant notre ère) sont les premières tuiles composites à ce jour dans le monde (annexe SI, tableau S1).

Le site de Qiaocun est situé en bordure du plateau de Loess à la source des affluents Heihe et Daxihe du fleuve Jaune (Fig. 1B,C). Des études archéologiques et des fouilles menées de 2018 à 2021 par l'Institut provincial du patrimoine culturel et d'archéologie du Gansu et l'École d'archéologie et de muséologie de l'Université de Pékin révèlent que le site couvre une superficie d'environ 103 hectares, ce qui en fait la plus grande colonie connue de Longshan au les vallées fluviales locales dans un rayon de 2373 km211. Les dates au radiocarbone AMS indiquent une activité humaine sur le site à ~ 2400–1900 avant notre ère. Cette plage de dates couvre toute la période de Longshan (Annexe SI, Fig. S1, Tableau S1). La majorité des colonies de cette période semblent avoir été des habitations troglodytes, dont un grand nombre ont été découvertes le long des collines de Loess. À ce jour, des tuiles n'ont été trouvées qu'au sommet du plateau de Loess12,13 (Figs. 1C, 7D).

Les tuiles étaient adjacentes aux structures contemporaines du site. La majorité des tuiles récupérées sur le site ont été retrouvées déposées dans un contexte secondaire, un grand fossé G2 (Annexe SI, Fig. S2). L'utilisation extensive et complexe du site au milieu et à la fin de la période du Longshan signifie que les quelques structures du début du Longshan qui peuvent être identifiées ont été endommagées par des activités ultérieures13. Les fouilles de Lushanmao, un autre site de Longshan sur le plateau de Loess, indiquent que les maisons aux murs épais en pisé étaient le type de structure prédominant au sommet du plateau de Loess7. La destruction délibérée apparente des bâtiments aux toits de tuiles sur le site de Qiaocin en un seul bref épisode a été confirmée par des fouilles qui ont montré que les strates datées dans le fossé étaient concentrées à ~ 2400–2200 avant notre ère (début de Longshan) et appartenaient à la première phase de le site (Annexe SI, S1, Fig. S1, Tableau S1). Par conséquent, nous pensons que les tuiles déterrées du fossé sont très susceptibles de provenir d'une ou plusieurs structures anciennes contemporaines qui étaient de grande taille.

Les tuiles extraites du Qiaocun sont faites d'argile cuite rouge avec de fines inclusions, qui peuvent être divisées en deux types de base : les tuiles de couverture et les tuiles creuses. Les tuiles de couverture sont semi-cylindriques avec des extrémités de formes différentes : une extrémité étant plus étroite en largeur et plus basse en hauteur et souvent avec un clou en argile (ci-après dénommée "la plus petite extrémité"), et l'autre extrémité dénommée "la plus grande extrémité". " (Fig. 2A). Les tuiles Pan sont approximativement trapézoïdales, avec des parois latérales surélevées et une distinction entre les extrémités les plus petites et les plus grandes. Contrairement aux formes homogènes des tuiles de couverture, les tuiles à pan se retrouvent dans trois sous-types différents (Fig. 2B) : type a sans clou ni incision à l'extrémité, ces tuiles ont un dos légèrement convexe, type b avec deux incisions et un clou à la plus petite extrémité (ceux-ci sont d'une ubiquité relativement faible par rapport au type a), et le type c il y a une plus grande uniformité dans ce type de tuile, ces tuiles sont caractérisées par leur dos plat et leurs parois latérales droites avec des trous (Fig. 2C) .

Exemples de tuiles en terre cuite de Qiaocun : (A) tuiles de couverture ; (B) tuiles panoramiques (2020C420 présente une incision finale) ; (C) tuiles plates.

Le système de carreaux de casserole et de couverture continue d'être utilisé dans toute la Chine pré-dynastique et impériale. Le Yingzao Fashi, un manuel de construction chinois (1103 CE), décrit les procédures d'installation des toits en tuiles composites. De même, une comparaison avec des tuiles trouvées sur le site Hetaoyuan, un temple bouddhiste royal daté de la dynastie Bei Qi (553-577 CE)14,15, permet de reconstruire la fonction de chaque type de tuile (SI Annexe, S2, Fig. .S3). Bien que ce texte historique et le site Hetaoyuan datent de plusieurs milliers d'années des tuiles néolithiques Qiaocun, il est évident que certaines règles et principes pour la construction de toits en tuiles composites sont restés constants au cours de cette période. Les raisons sont les suivantes : (a) la forme, le style et les proportions des tuiles de couverture et de pan sont sensiblement similaires, ce qui indique que les techniques d'installation n'ont pas changé de manière significative entre-temps (tableau 1) ; (b) les tuiles panoramiques de Qiaocun étaient en moyenne deux fois plus larges que la largeur moyenne des tuiles de couverture (21,93 cm contre 11,50 cm), ce qui correspond étroitement aux dimensions décrites dans le Yingzao Fashi et aux tuiles découvertes sur le site Hetaoyuan.

Les ratios des différents types de tuiles sont fondamentaux pour comprendre comment un toit particulier a été construit. La plupart des types de tuiles sont utilisés sur la surface du toit, tandis que quelques-uns sont placés à des endroits spécifiques, tels que les avant-toits ou les lignes de crête. À Qiaocun, les tuiles de couverture et les tuiles de pan sont les plus courantes, représentant respectivement 33,7 % et 53,2 % des tuiles. En revanche, les tuiles plates ne représentent que 13,1 % (tableau 1). Un ratio similaire a été observé sur le site Hetaoyuan, suggérant des techniques de couverture similaires.

Bien que des tuiles spécifiques pour les faîtages aient été récupérées sur le site de Hetaoyuan14, aucune de ces tuiles n'a été récupérée à Qiaocun. La morphologie lisse et plate des tuiles plates semble mieux adaptée pour être posée sur une surface plane, comme au-dessus d'épais murs en pisé. Des traces de toits de tuiles ont été observées lors de l'excavation de maisons en pisé à Lushanmao, un autre site similaire, bien que légèrement plus tardif de Longshan (~ 2300-2100 avant notre ère) situé sur le nord du plateau de Loess, à environ 250 km de Qiaocun (Fig. 1B)7. De plus, un récipient en poterie en forme de maison de Longshan récupéré sur le plateau de Loess montre des bâtiments avec des murs à pignon et des toits à double pente (Annexe SI, S3, Fig. S4). Par conséquent, nous suggérons que les tuiles plates Qiaocun étaient destinées à être fixées au sommet des murs pignons en pisé, puis emboîtées avec la couverture et d'autres types de tuiles plates qui formaient correctement le toit.

Les tuiles creuses avec des incisions aux extrémités formaient la rangée la plus élevée du toit avec les incisions et les clous orientés vers le haut vers la crête. La forme de cette tuile permettrait d'ancrer les tuiles sur le faîte du toit. Cela signifie que le nombre de cette tuile est égal au nombre de colonnes de tuiles pan sur un toit donné. La proportion de tuiles d'avant-toit récupérées sur le site Hetaoyuan, qui depuis la période historique, varie de 8,3 à 33,5 %. Cela est dû à la variation de la taille des toits et des tuiles sur le site15. À Qiaocun, les tuiles panoramiques avec incision d'extrémité représentent plus de 19,46 % (annexe SI, tableau S2A, B) des tuiles utilisées, et comme il n'y a pas de tuiles faîtières spécifiques à Qiaocun, nous soutenons qu'en plus de sceller les espaces entre les rangées des tuiles creuses, les tuiles de couverture ont également été utilisées comme tuiles faîtières.

Sur la base de ces inférences, nous tentons de reconstituer une restauration complète de la toiture en tuiles par modélisation 3D en utilisant la combinaison la plus probable de tuiles creuses et de couverture (20 lignes et 50 colonnes, voir "Matériels et méthodes") (Fig. 3).

Restauration des tuiles composites Qiaocun et méthode de toiture en tuiles.

La largeur, la hauteur et l'épaisseur de chaque fragment de carreau ont été mesurées et se sont révélées normalement distribuées à peu près (ensemble de données S1, Fig. 4). Cela suggère que les tuiles récupérées à Qiaocun ont été fabriquées à la main sans moules ou outils similaires (annexe SI, S4). Le coefficient de variation (ci-après CV) est une statistique récapitulative utilisée pour calculer la standardisation relative des dimensions des artefacts (voir 16, 17, 18, 19), qui peut être corrigée ultérieurement via la méthode proposée par la méthode Crown (ci-après CV *) 18 et d'autres 20, 21 pour l'étude de la production de poterie passée. Des valeurs de CV* de ~ 10 à ~ 14 % indiquent une production spécialisée par rapport à une production généraliste. Costin16,22, cependant, démontre la nécessité de documenter la demande, la fonction et le contexte de la production artisanale avant de supposer que la relation entre normalisation et spécialisation est claire. Les carreaux Qiaocun de tous les types avaient des valeurs CV* > 14 %, mais la valeur CV* de la largeur des carreaux est d'environ 14 %, ce qui indique qu'un degré plus élevé de contrôle manuel a été exercé sur la largeur que sur la hauteur ou l'épaisseur. En revanche, les tuiles du site Hetaoyuan14,15, où des tuiles de couverture et de couverture de forme et de taille similaires ont été trouvées, avaient des valeurs CV* beaucoup plus faibles < 10 %, indiquant un degré accru de normalisation dans la production de tuiles au cours des ~ 2000 années de Histoire chinoise (annexe SI, tableau S3).

Dimensions des tuiles de couverture et de casserole. Toutes les distributions sont normales selon le test de Shapiro-Wilk, avec un seuil de signification de 0,05.

Pour qu'une toiture soit fonctionnelle, des tuiles de formes et de tailles différentes doivent être assorties selon des règles de base. Cela signifie que les joints verticaux entre les tuiles pan-pan ou couvercle-couvercle et les joints horizontaux entre les tuiles couvercle-pan doivent correspondre (voir les détails dans l'annexe SI, S2, Fig. S9). Sur la base de ces règles, des échantillonnages répétés de tuiles à partir de la distribution normale des variables morphologiques de chaque type de tuile ont été utilisés pour construire un toit à l'aide de trois modèles de simulation (aléatoire, groupé et contrôlé manuellement, voir "Matériels et méthodes"). Ces modèles visaient à évaluer la faisabilité du procédé de couverture et l'ampleur de l'intervention requise de la part des couvreurs compte tenu des variations observables dans les dimensions des tuiles.

Lors de l'exécution du modèle de sélection aléatoire de tuiles, la conception a complètement échoué dans 18 simulations sur 100 lorsque RC (coefficient de réserve, se référant aux temps pour le nombre de tuiles nécessaires pour la toiture) est défini sur 1,5, comme indiqué par l'échec de l'installation des tuiles comme la dernière étape du processus de couverture (Fig. 5A). Dans les simulations infructueuses, l'échec se produisait généralement dans la seconde moitié du processus (Fig. 5E). Même lorsque les simulations étaient réussies, les fréquences de remplacement pour chaque emplacement étaient souvent encore trop élevées pour être acceptables. Dans toutes les simulations réussies, deux pour cent des emplacements ont été remplacés plus de 50 fois pour trouver une tuile de couverture appropriée (Fig. 5A). Dans le même temps, plus de 4 % des tuiles de couverture ont été sélectionnées puis rejetées pour une pose en toiture plus de 50 fois (Fig. 5B). Cela suggère que la variance de la forme des tuiles est trop grande pour qu'un modèle aléatoire permette arbitrairement la construction d'un toit en tuiles viable. En examinant la morphologie de ces tuiles qui ont été rejetées à plusieurs reprises par la simulation, nous avons constaté que ces tuiles étaient généralement soit des tuiles panoramiques avec des extrémités plus larges trop étroites, soit des tuiles de couverture avec des extrémités plus petites trop larges (Fig. 5C, D). Cette variance signifiait que les tuiles ne pouvaient pas se connecter correctement avec les tuiles suivantes dans la séquence.

Statistiques basées sur le modèle aléatoire. (A) fréquence du nombre de remplacements pour chaque emplacement sur le toit ; (B) fréquence du nombre de remplacements pour chaque carreau dans le bassin d'échantillonnage ; (C) parcelle de tuiles de couverture sur la taille dans le bassin d'échantillonnage avec le nombre de remplacements ; (D) parcelle de tuiles pan sur la taille dans le bassin d'échantillonnage avec le nombre de remplacements ; (E) carte thermique pour la fréquence défaillante basée sur 100 simulations aléatoires sur le toit (20 lignes et 49 colonnes pour les tuiles de couverture).

Après avoir déterminé qu'un modèle aléatoire pour la sélection de carreaux n'était pas pratique, nous avons exécuté une simulation à l'aide du modèle groupé. Il est évident que le nombre total de tuiles dans le pool d'échantillons a un impact significatif sur les résultats. Lorsque le RC est supérieur à 1,2, le taux de réussite de l'ensemble du projet est supérieur à 75 % et augmente à plus de 90 % lorsque le RC est de 1,3. La fréquence de remplacement des carreaux a également diminué à mesure que les valeurs RC augmentaient (Fig. 6A, B). Cependant, malgré cette amélioration, le modèle groupé ne peut résoudre complètement les problèmes de couverture. Même avec un taux de réussite des simulations de 90 % (RC > = 1,3), il existe encore un grand nombre d'emplacements sur le toit où plus de 50 tuiles de couverture (5–7 % ou 49–69 positions en moyenne pour chaque simulation, Fig. . 6A) doivent être essayés avant qu'une tuile correspondante ne soit trouvée, ce qui nécessite d'ajuster à la main certaines incompatibilités extrêmes de composants.

Résultats des modèles groupés et contrôlés manuellement. (A) tracé de cuirassé du modèle groupé pour le nombre maximum de remplacements de tuiles de couverture sur le toit ; (B) taux de réussite basé sur 100 simulations dans un modèle groupé par valeurs RC de 1,0 à 1,5 ; (C) taux de réussite basé sur 100 simulations dans un modèle contrôlé manuellement par des valeurs MCC de 0 à 20 et des valeurs RC de 1,1 à 1,5.

Un autre modèle contrôlé manuellement a été exécuté. Ce modèle a introduit un nouveau paramètre, MCC (Coefficient de Changement Maximum, se référant au nombre maximum autorisé de changements pour une position sur le toit), pour donner la priorité au changement minimum de tuiles. Ce qui est remarquable dans les résultats de ce modèle, c'est que les valeurs de RC comptent toujours dans la simulation et qu'une réserve de 1,2 fois les tuiles est essentielle au succès de la toiture. Lorsque les valeurs RC étaient supérieures à 1,4 et que la valeur MCC était de 10, la simulation avait un taux de réussite relatif de 70 %. Lorsque la valeur MCC a été augmentée à 15, le taux de réussite a augmenté à 90 % (Fig. 6C). Le modèle contrôlé manuellement semble donc refléter le mieux le processus qui aurait été utilisé pour construire des toits de tuiles à Qiaocun.

Sur la base de cette analyse, le contrôle manuel aurait été un facteur clé pour la réussite de la construction de toits en tuiles face à de faibles niveaux de normalisation. En fait, cette méthode est enregistrée dans le Yingzao Fashi (Annexe SI, S2).

Les valeurs CV* basées sur les mesures des fragments de tuiles récupérés sur le site de Qiaocun et la simulation assistée par ordinateur indiquent que les tuiles d'argile ont probablement été produites par des spécialistes. Par rapport à de nombreux autres produits de la période Longshan tels que la poterie23,24, le jade25, les outils en pierre26 et les outils en os27 qui présentent un degré élevé de standardisation, ces tuiles ont été fabriquées selon une standardisation de bas niveau. Cela aurait alors signifié qu'il y avait une exigence pour un réglage manuel fréquent pendant le processus de toiture. Selon le Yingzao Fashi, la production de tuiles et la construction ultérieure de toits de tuiles nécessitaient un énorme investissement en termes de main-d'œuvre (annexe SI, S2). Il est évident que la production doit avoir été une entreprise communautaire au-delà du niveau des ménages. Il est donc nécessaire d'enquêter sur les contextes environnementaux et socioculturels du plateau de Longshan Loess afin de comprendre comment les toits de tuiles avec leur coût élevé en termes de matériaux et de main-d'œuvre ont été construits dans cette zone à cette époque.

Premièrement, la majorité des structures de Longshan sont des habitations troglodytes creusées sur les pentes abruptes du plateau de Loess28. Ces habitations troglodytiques ont une importance et une visibilité limitées. Ces emplacements étaient sous-optimaux en tant que lieux d'établissement de liens sociaux majeurs (Fig. 7B, D). Par conséquent, de grands ensembles immobiliers élaborés avec des toits de tuiles ont été construits sur les plateaux de Loess afin, selon nous, de favoriser la cohésion publique. Ces sites incluent Yingpanliang à Lushanmao7, Xiaoyuliang à Bicun29,30, et la portion de plateau de Qiaocun12,13. Cependant, le changement d'emplacement des ravines abritées vers le haut du plateau de Loess signifiait que les structures étaient plus exposées à la pluie/grêle (Fig. 7A,C). Cette pression environnementale a pu conduire à l'invention de toitures en tuiles d'argile pour protéger les murs en pisé exposés des bâtiments durant cette période.

Emplacements des maisons au toit de tuiles et des grottes d'habitation à Qiaocun. (A) emplacements des maisons au toit de tuiles et des grottes d'habitation sur la carte de l'indice d'exposition au vent ; (B) emplacements des maisons au toit de tuiles et des grottes d'habitation sur la carte de l'indice d'ouverture positive ; (C) tracé de densité de la carte A et de la carte B avec les emplacements des maisons au toit de tuiles et des grottes d'habitation ; (D) croquis du paysage du site de Qiaocun avec des habitations troglodytiques et des maisons aux toits de tuiles.

Le contexte social vient de la nature de plus en plus connectée des sociétés du plateau de Loess chinois. Les transitions sociales qui se sont produites entre le néolithique et l'âge du bronze à l'époque de Longshan ont souvent été citées comme faisant partie intégrante des interactions entre l'Orient et l'Occident à l'époque préhistorique31,32. Des études antérieures sur les jades, les bronzes et d'autres objets de luxe indiquent un échange ou un commerce de biens entre les sites, indiquant une amélioration de l'interaction sociale entre les établissements et les régions33,34. Les grands centres du plateau de Loess, tels que Qiaocun, ainsi que Lushanmao (environ 60 hectares) et Shimao (plus de 100 hectares, à environ 460 km de Qiaocun, Fig. 1B), étaient impliqués dans un réseau actif de communication sociale.

Les fouilles de Huangchengtai à Shimao ont mis au jour divers artefacts dans les tertres autour des bâtiments au toit de tuiles, notamment des harpes à mâchoires en os et des aiguilles en plus des déchets coupés. Des moules en pierre pour la coulée du bronze, de petits bronzes et les jades susmentionnés ont également été trouvés. Cela peut témoigner de cérémonies rituelles, de festins, de productions artisanales sur place (fabrication d'aiguilles en os et moulage de bronze), et peut-être d'échanges intercommunautaires34. Nous suggérons que les maisons aux toits de tuiles servaient de plaque tournante pour ces activités communautaires.

Un accent accru sur les affaires sociales publiques sur le plateau de Longshan Loess s'est accompagné de l'introduction de nouveau bétail et de bronze dans la région. La domestication des bovins et des ovins en plus de la diffusion de la technologie du bronze semble avoir accéléré des transitions sociales complexes et le développement des civilisations de l'âge du bronze, non seulement en Occident mais aussi en Orient35,36,37, y compris la région du fleuve Jaune de Chine32. Les tuiles ne sont pas les seuls éléments architecturaux qui ont commencé à apparaître durant cette période ; Des canalisations en terre (cf. Laohuzui38, Taosi39, Pingliangtai40,41), qui faisaient partie des réseaux publics d'assainissement, ont également été fouillées. L'invention des bâtiments aux toits de tuiles et aux tuyaux était sans aucun doute liée à la complexité croissante des affaires sociales/publiques dans les nouveaux centres d'implantation, qui a finalement favorisé la croissance de la gestion sociale, du pouvoir collectif et de la révolution urbaine, comme l'a noté Gordon Childe42. Les toits en tuiles composites étaient connus pour avoir été utilisés de manière continue dans l'architecture publique depuis les temples ancestraux des Zhou occidentaux43,44,45,46. Une tradition qui remonte maintenant à Qiaocun.

Sur la base des découvertes archéologiques actuelles, les tuiles récupérées à Qiaocun sur le plateau de Loess en Chine sont le premier exemple de tuiles en argile composite au monde (Annexe SI, Fig. S5). Bien que certains vestiges antérieurs de "tuiles", qui sont présumés être des tuiles de couverture, aient été excavés du Matengkong récemment47, les tuiles d'argile composite de Qiaocun sont encore le premier assemblage à contenir à la fois des tuiles de couverture et de couverture (annexe SI, S5). Les tuiles extraites des sites de Longshan partagent la même tradition de techniques de toiture en tuiles composites mais montrent une légère diversification technologique entre les sites. Par exemple, les tuiles composites de Lushanmao (~ 2300–2100 avant notre ère, annexe SI, S5, fig. S1) sont principalement une combinaison de tuiles de couverture et de tuiles plates, les tuiles de couverture sont fabriquées avec des bandes de boue le long des bords peut-être comme un innovation destinée à permettre un meilleur contrôle du recouvrement et de la fixation. Ces bandes remplissent la même fonction que les clous sur les carreaux Qiaocun. La présence de ces différentes techniques indique que la technologie de carrelage a évolué de manière différente dans ces deux endroits (Annexe SI, Fig. S6). Song et al. ont publié un autre type de tuiles plates sur le site de Qiaocun à partir d'une enquête archéologique ; ces tuiles sont spécialement conçues avec des incisions aux petites extrémités et des canaux peu profonds aux grandes extrémités, comme un joint à tenon et mortaise (annexe SI, fig. S7). La largeur de ces tuiles plates peut être divisée en deux groupes (~ 15 cm et 5 cm), mais aucune de ces tuiles n'a été trouvée parmi les plus de 5000 fragments de tuiles excavés de G2. Étant donné la prédominance des vestiges de Longshan ultérieurs sur le site de Qiaocun, il est probable que ces tuiles plates appartiennent à un autre système de carrelage plus avancé. En résumé, ces différences suggèrent qu'il existe diverses méthodes de fabrication et d'installation parmi les premières tuiles connues du plateau de Loess, et les tuiles que nous avons extraites de Qiaocun sont probablement la forme la plus ancienne excavée à ce jour (Annexe SI, Fig. S1, Tableau S1).

L'invention des tuiles en terre cuite a été associée à un changement important dans la technologie du bâtiment, l'avènement des murs épais en pisé. La terre battue apparaît pour la première fois comme une technique de construction à la fin de la Chine néolithique à ~ 3000 avant notre ère (cf.48,49), principalement dans ou près du plateau de Loess, et a été initialement utilisée pour créer des murs défensifs autour des villages ou des premières villes. Les murs en terre battue ont une capacité portante bien supérieure à celle des structures en torchis et en torchis avec des toits de chaume qui caractérisent les structures trouvées dans les sites du Néolithique ancien (Annexe SI, S6, Fig. S8). Ainsi, l'invention des tuiles en terre cuite composite et des techniques de toiture en tuiles, qui semble avoir coïncidé avec l'avènement des murs en pisé, peut être considérée comme la plus ancienne tradition de ce type en Asie de l'Est. Cette tradition semble être distincte des structures avec des murs en pierre ou en briques crues et des toits en tuiles simples que l'on trouve dans la Grèce contemporaine (annexe SI, S7).

De 1800 à 1046 avant notre ère (Erlitou à Shang), il y a une pénurie notable de tuiles provenant de découvertes archéologiques. Bien que certains aient été récupérés sur des sites du plateau de Loess ou sur les bords du plateau de Loess, comme le site de Zaoshugounao, appartenant à la période Proto-Zhou dans le bassin de Guanzhong50 et le site de Sanxingdui, dans le bassin du Sichuan51. Cependant, il n'y a aucune preuve de bâtiments aux toits de tuiles sur les sites d'Erlitou ou de Shang. Ces deux cultures sont originaires du cours inférieur du fleuve Jaune et de ses régions de delta52,53 dans l'est de la Chine. Cela suggère en outre que les premières techniques de couverture en tuiles étaient limitées aux grands sites du plateau de Loess et des régions en étroite relation avec celui-ci54.

Au cours des Zhou occidentaux (1046-771 avant notre ère), le nombre de tuiles récupérées dans des contextes archéologiques augmente. La majorité a été trouvée dans des sites du bassin de Guanzhong. Les tuiles de couverture, à pan et à plat sont toujours présentes, cependant, il existe deux nouvelles formes : les demi-tuiles utilisées pour protéger et décorer les avant-toits et les grandes tuiles de couverture qui servaient de tuiles faîtières45,46. Ces tuiles spécialisées indiquent qu'un système de tuiles plus formel s'est progressivement établi. Ils avaient une forme plus uniforme, en particulier les tuiles panoramiques, qui sont maintenant courbées en tiers ou quart de cercle. Les plus petites extrémités des tuiles de couverture ont une lèvre afin qu'elles puissent être plus facilement insérées dans les extrémités plus grandes de la tuile de couverture suivante dans la colonne, ce qui dans certains cas, l'épaisseur des extrémités des tuiles a également été intentionnellement réduite43,44. Un tel style à mortaise et tenon garantissait l'emboîtement des arrangements de tuiles pan-pan ou cover-cover. En général, jusqu'à la fin des Zhou occidentaux, la technologie des tuiles en terre cuite composite et les structures construites à l'aide d'épais murs en pisé semblent avoir été largement limitées au plateau de Loess. Cette utilisation et cette évolution constantes des techniques de toiture en tuiles forment la «tradition Longshan-Western Zhou», qui peut être mise en parallèle avec la «tradition gréco-étrusque» en Occident (annexe SI, S7).

À l'époque des Zhou de l'Est (771-221 avant notre ère), les tuiles composites s'étaient généralisées et se trouvent couramment dans les sites archéologiques de toute la Chine. Le développement des bâtiments à ossature bois et de la méthode dougong (annexe SI, S8) pendant la période des Royaumes combattants (475-221 avant notre ère) et les dynasties Qin-Han (221 avant notre ère-220 CE) signifiait qu'il y avait une plus grande flexibilité sous la forme de bâtiments avec des toits en tuiles55,56 (annexe SI, tableau S5). C'est durant cette période que les tuiles moulées commencent à apparaître dans les archives archéologiques, remplaçant les tuiles façonnées à la main des périodes antérieures57 (annexe SI, S3). Cela montre à quel point la forme, la conception et les techniques de fabrication des tuiles ont évolué à la fin de la période des Zhou de l'Est.

Il existe une tradition commune de technologie de toiture en tuiles composites dans toute l'Asie de l'Est58,59. Les découvertes archéologiques démontrent que les tuiles et les techniques de couverture associées ont été dispersées dans la péninsule coréenne60, le Japon61,62, l'(actuel) Extrême-Orient russe63 et l'Asie du Sud-Est64,65 à partir du troisième siècle de notre ère (Fig. 1A, annexe SI, tableau S4).

En résumé, les premières tuiles composites et techniques de toiture en tuiles en Asie de l'Est sont nées et se sont développées sur le plateau chinois de Loess. Les tuiles étaient à l'origine utilisées pour couvrir les structures communales construites en murs épais en pisé dans les grands sites (plus de 100 ha) qui formaient des centres régionaux. Cela a progressivement formé une tradition Longshan-Western Zhou pour les bâtiments aux toits de tuiles. La tradition des tuiles composites s'est répandue du plateau de Loess à l'ensemble de la Chine dans les Zhou de l'Est et est devenue la technique de toiture la plus influente en Asie de l'Est.

Au total, 5219 fragments de tuiles en terre cuite ont été collectés dans la fosse G2 par tamisage à mailles de 10 mm. Le poids total des fragments collectés était de 382,7 kg. Tous les fragments ont été assemblés pour reconstituer autant que possible les motifs de carreaux intacts. Les fragments avec des caractéristiques morphologiques ont été mesurés pour la largeur, la longueur, la hauteur, l'épaisseur et l'angle élargi montrant la légère conicité entre l'extrémité la plus grande et la plus petite (ensemble de données S1).

Le CV* a ensuite été calculé selon l'équation ajustée en fonction de la taille de l'échantillon fournie par Topi et al.21.

Nous avons trouvé des échantillons qui pouvaient être assemblés à partir de tessons et reconstruits en tuiles presque complètes. Sur la base de ces reconstructions, la longueur des tuiles peut être estimée à ~ 40 cm, ce qui correspond à peu près aux tuiles trouvées à Lushanmao (cf.7 37,2–47 cm). Les tuiles sont également d'une hauteur et d'une largeur similaires. Les tuiles les mieux conservées de chaque type provenant des fouilles de Qiaocun ont été scannées par des scans 3D haute résolution avec un scanner 3D Hexagon AtlaScan Max. Les modèles 3D de ces tuiles ont ensuite été virtuellement réparés pour former des tuiles complètes et intactes et ont pu être dupliqués et combinés en composites virtuels à l'aide de Geomagic Freeform et SolidWorks.

La taille des maisons et des toits variait probablement, cependant, des murs épais auraient été nécessaires pour supporter une demi-tonne de composite pour supporter le lourd toit de tuiles, les murs en pisé devaient être suffisamment épais (Annexe SI, S5, Fig. S8). Le tableau S6 répertorie le rapport le plus rationnel de couverture et de tuiles en nombre selon les différentes tailles de toit possibles. Étant donné que la tuile panoramique a une surface plus grande que la tuile de couverture (2,08 fois plus grande lorsqu'elle est calculée à partir du modèle 3D en surface), le pourcentage de tessons de tuiles panoramiques est relativement important par rapport à celui des tessons de tuiles de couverture. Lorsque le taux de fracture des tuiles de couverture et de pan est pris en compte, tous les rapports possibles de tuiles de couverture et de pan dans les tessons peuvent être calculés simultanément.

Premièrement, deux coefficients sont prédéfinis dans la simulation : une tolérance et une réserve. La tolérance fait référence à la mesure dans laquelle deux tuiles adjacentes peuvent être connectées. Même un petit écart numérique (par exemple, quelques mm) dans la simulation peut entraîner l'échec du processus de couverture. En réalité, cependant, cela peut être facilement corrigé à la main. Dans la simulation, nous avons fixé artificiellement une tolérance d'un écart type sur l'épaisseur. Dans l'étude, nous assouplissons la plage de la valeur RC de 1 à 1,5 par 0,1, ce qui correspond aux fois autant de tuiles dans les piscines de l'échantillon avant la toiture.

Pour les simulations, les tailles de carreaux sont tirées au hasard à partir d'une distribution normale des dimensions du motif de carreaux, y compris la largeur et l'épaisseur. Pour les extrémités plus grandes et plus petites, il existe des ensembles de données distincts pour l'échantillonnage des tuiles de couverture. En revanche, les tuiles de pan sont difficiles à distinguer, car la taille de l'échantillon et les tessons des extrémités n'ont pas de caractéristiques diagnostiques uniques. Par conséquent, dans cette étude, nous utilisons une méthode de bootstrap pour identifier les extrémités les plus grandes et les plus petites à partir d'un ensemble de données sur la largeur et l'épaisseur des tuiles (annexe SI, S9, tableau S7).

Les règles de base pour l'assemblage des carreaux se réfèrent aux directions longitudinale et transversale. Dans les colonnes, la largeur de la dimension extérieure de la plus petite extrémité doit être plus courte que la dimension intérieure de la plus grande extrémité de la tuile précédente ou suivante. En rangées, la tuile de couverture doit pouvoir couvrir l'espace entre deux tuiles parallèles en raison de la différence entre les extrémités les plus grandes et les plus petites (Annexe SI, Fig. S9).

Ici, P_W et C_W sont la largeur des tuiles de pan et de couverture et n (1 < = n < 20) est le nombre de n-ième emplacements sur chaque colonne de toiture. l et s sont respectivement les extrémités les plus grandes et les plus petites, tandis que i et e sont respectivement les dimensions intérieure et extérieure des extrémités.

Le modèle aléatoire a sélectionné au hasard des tuiles dans les pools d'échantillons à chaque itération. Toute tuile qui n'a pas pu être placée sur le toit a été à nouveau incluse dans le pool d'échantillons. Au point où la simulation a manqué de toutes les tuiles restantes possibles dans le bassin d'échantillonnage, la simulation de toiture a été considérée comme ayant échoué.

Le modèle groupé est basé sur la classification de la largeur variable par une erreur standard (σ), les données dépassant deux erreurs standard (2σ) étant éliminées. Par conséquent, pour chaque extrémité de la tuile, il y a quatre groupes de données (− 2σ à − σ, − σ à 0, 0 à σ, σ à 2σ) et 16 groupes au total, soit huit chacun pour le pan et le les tuiles de couverture dans le bassin d'échantillonnage. Ensuite, lors de la couverture de tuiles adjacentes, la nouvelle tuile adjacente est tirée du même groupe avec une priorité plus élevée (Dataset S2).

Le modèle contrôlé manuellement est basé sur le modèle groupé, mais introduit un paramètre, MCC. Lorsque le changement de taille de tuile à un emplacement dépasse la valeur MCC, le processus de modification est temporairement arrêté et la tuile précédente qui a causé l'impact négatif sur l'emplacement est supprimée. Ce mécanisme de rappel peut être appliqué aussi bien longitudinalement que latéralement et peut être considéré comme un réglage pratique effectué par les couvreurs en temps réel. Si le rappel se produisait deux fois, toute la simulation du toit était définie comme un échec.

Toutes les données de cette étude sont disponibles dans les documents complémentaires. Les codes pour les simulations de toiture en tuiles peuvent être trouvés sur GitHub (https://github.com/haizhang0921/Qiaocun-Tiles).

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Nous remercions M. Pengcheng Zhang pour son aide dans la simulation de codage, M. Baoping Li pour la collecte de références et d'images, et M. Ruiqi Cong pour le croquis du paysage de Qiaocun. Nous remercions également les deux relecteurs anonymes pour leurs précieux conseils de révision. Cette recherche a été entreprise avec le soutien du China National Key R&D Program (2020YFC1521900) et de la National Science Foundation of China (T2192953, 41971251).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Yijing Xu et Jing Zhou.

École d'archéologie et de muséologie, Université de Pékin, 5 Summer Palace Road, Pékin, 100871, Chine

Yijing Xu, Shengyu Liu, Minghao Peng et Hai Zhang

Institut provincial du patrimoine culturel et d'archéologie du Gansu, 165 Heping Road, Lanzhou, 730000, Chine

Jing Zhou, Jianlong Zhao, Guoke Chen et Wen Li

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Mingzhi Ma

École du patrimoine culturel, Université du Nord-Ouest, 1 rue Xuefu, Xi'an, 710127, Chine

Francesca Monteith

Institut d'archéologie, University College London, 31–34 Gordon Square, Londres, WC1H 0PY, Royaume-Uni

André Bevan

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HZ, JZ et YX ont conçu la recherche ; JZ, JLZ, GC, WL, MM et FM ont effectué la recherche ; YX, AB et HZ ont analysé les données ; SL a effectué une modélisation 3D ; MP a conçu la restauration ; HZ a conçu la simulation informatique ; HZ, YX, AB et FM ont rédigé l'article.

Correspondance à Shengyu Liu, Minghao Peng, Andrew Bevan ou Hai Zhang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 27 décembre 2022

Accepté : 16 mai 2023

Publié: 19 mai 2023

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

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