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比薩斜塔為什麼不會倒下?

一位金髮女子穿著紫色上衣並戴著遮陽帽,站在比薩斜塔前擺姿勢拍照,從視覺效果看起來像是在用手把斜塔撐住

Sol de Zuasnabar Brebbia via Getty Images

比薩斜塔是意大利最具代表性的地標之一。

但它並不是唯一傾斜的建築——從荷蘭的「跳舞屋」到中國的虎丘塔,世界各地都有這些歪斜的地標。

那麼,為什麼它們會傾斜?又是為什麼傾斜並不代表會倒塌呢?

為什麼有些建築會傾斜?

根據荷蘭台夫特理工大學(Delft University of Technology)和三角洲研究院(Deltares)的岩土工程副教授曼蒂・科夫博士(Dr Mandy Korff) 的說法,建築物傾斜的原因有很多。

在某些情況下,例如荷蘭的「跳舞屋」,是由於地基形式造成的。

阿姆斯特丹運河旁一排色彩繽紛的房屋整齊排列,但外觀略顯歪斜,彼此之間看起來彷彿互相傾靠

Karl Hendon via Getty Images
阿姆斯特丹的「跳舞屋」建築建在木樁地基上,使得整體外觀看起來歪斜不齊

「在阿姆斯特丹市中心,多數房屋是以木樁作為地基,」科夫說。

她解釋說,這些木樁成對設置在建築物牆體下方,深入約12米的土層中,而土壤通常是柔軟的黏土、泥炭或砂。

「如果木樁狀況良好,房屋通常不會出現問題,」她說。

但是如果木樁開始腐朽,或是磨損不均,加上重量分佈不平均,就可能導致建築隨時間推移逐漸傾斜。

比薩斜塔又是怎麼回事?

土壤條件也可能導致建築物傾斜往一邊,而比薩斜塔正是典型的例子。

比薩大學土壤力學與基礎工程教授努齊安特・斯奎利亞(Nunziante Squeglia)是監測斜塔傾斜進展的團隊成員之一。

「這座塔從一開始建造時就開始傾斜,原因是地基土壤極為鬆軟,導致塔身下沉了約3至4米,」斯奎利亞在接受BBC電台節目《見證歷史》(Witness History)訪問時說。

建築物也可能因為人為改變土壤而產生傾斜——例如位於代爾夫特的「舊教堂」(Oude Kerk)鐘塔。

「這座塔比較少人知道,但它的傾斜方式其實與比薩斜塔相當類似,」科夫說。

「它會朝運河方向傾斜,是因為其中一側的土壤在開鑿運河時被挖走,導致那一側的地基變得較為鬆軟,支撐力不足。因此,在建造過程中,它就開始產生傾斜了。」

從一條街道上望去,可以看到一座教堂的塔樓,街道兩旁有運河和成排的房子。塔樓略微向左傾斜。

Sergio Amiti via Getty Images
代爾夫特老教堂的塔樓向一側傾斜,部分原因是由於運河的存在。

地下水位的變化也可能導致建築物傾斜。而科夫指出,有時候建築其實是刻意設計成傾斜的。

「阿姆斯特丹的許多房屋會向前傾斜,因為過去的商人住宅就是這樣設計的,」她說。

「這些房子通常建在運河旁,用來儲存貨物;為了方便將物品搬運進屋,建築會刻意向前傾斜。所以,如果建築是向前傾,並不代表出現問題;但如果是向側邊傾斜,那就可以確定並非原本的設計意圖。」

如何防止建築傾斜惡化?

那麼,既然有這麼多傾斜的建築,為什麼我們不太擔心呢?

根據科夫博士的說法,建築物傾斜並不一定代表結構不安全。

「必須傾斜得相當嚴重,才會影響到結構穩定性,」她說。

不過,在某些情況下仍然需要進行矯正——比薩斜塔就是一個例子。

雖然這座塔從建造初期就開始傾斜,但測量數據顯示,在20世紀期間情況進一步惡化,傾斜角度持續增加。

「當時的情況非常令人擔憂,」斯奎利亞說。

在陽光明媚的天氣下,比薩斜塔矗立於畫面中央,塔身明顯傾斜;塔底周圍聚集著大量遊客,在開闊的廣場上活動與觀光

PhotoFires via Getty Images
比薩斜塔的傾斜程度曾不斷加劇,最終不得不進行矯正,以確保建築的安全性

然後在1989年,意大利帕維亞市的市政塔倒塌。斯奎利亞認為,這起事件成為一個「轉捩點」,比薩斜塔也因此在翌年關閉。

當時提出了許多讓比薩斜塔稍微回正、恢復安全的方法。

斯奎利亞說:「最終採用的是『抽取土壤』的技術。」

「在不直接接觸塔身的情況下,工程人員從地基北側移除了約37立方米的土壤。」

11年後,斜塔才重新對外開放。

比薩斜塔是特例

不過,科夫指出,這種把建築物扶正的方法其實並不常見。

「這對比薩斜塔來說是相當特殊的做法——在一般情況下不會這樣處理,」她說。

如果傾斜的建築像阿姆斯特丹的房屋一樣使用木樁地基,更換地基確實可以防止傾斜繼續惡化,但這種工程具有「侵入性」,通常需要拆除建築的一樓結構。

一排鑽探機械整齊排列在前景,正在進行工程作業;背景中可見比薩斜塔,隱約矗立於遠方,形成工程現場與歷史建築之間的對比

Antonello NUSCA/Gamma-Rapho via Getty Images
11年的修復工程在2001年才結束

科夫說,也有可能像頂起汽車那樣,把整棟房子撐起來加以矯正,但有時候這樣做反而弊多於利。

「如果建築物已經傾斜得很嚴重,再把它拉正其實相當危險,因為整棟房子已經在某種程度上適應了這種傾斜狀態,」她說。

「因此在處理時必須非常小心,至少不能讓情況變得更糟。」

雖然某些建築可以進行穩固處理,但這些方法也都有其代價。

科夫說:「在技術上,各種處理方式幾乎都做得到——沒有不可能的。」

「但問題是成本相當高,而且過程也十分複雜。」

氣候變化也有影響

一棟房屋的磚造外牆上出現了一道明顯的大裂縫,從外觀可見結構已受到嚴重影響

Bloomberg / Contributor via Getty Images
荷蘭有數以千計的房屋面臨損壞風險,因為當地下水位下降時,原本浸在水中的木質地基會暴露在空氣中,從而加速劣化與腐朽

科夫的研究發現,僅在荷蘭就有約7.5萬間房屋是建立在木樁地基上,並面臨受損風險;而因為淺層地基而有風險的房屋數量,更是接近其三倍。

而且,這些問題未來可能會進一步惡化。

「隨著氣候變化與地下水環境的改變,我們有時會觀察到變化速度加快的情況,」科夫說。

當地下水位下降時,木樁會暴露在空氣中,因而加速腐朽與損壞。此外,地下水變動也會影響土壤層結構,進一步牽連到使用不同類型地基的建築物。

不過她也補充,這整個過程通常進展緩慢。

至於比薩斜塔,經過11年的整修工程,2001年完成修復時,其傾斜程度已減少超過40公分。工程師認為,它在未來至少200年內都能維持安全無虞。

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