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建筑结构丨一文读懂比萨斜塔是如何在倾斜的路上一去又返的!

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来源:非解构

比萨斜塔建造于1173年,距今已超过840年,最初预想是用来当做当时最宏伟的比萨城大教堂的独立式钟楼,位于意大利托斯卡纳省比萨城北面的奇迹广场上。正是因为它斜,每年都会吸引上百万的游客来搞怪和帮假忙。

其实,塔楼最初的设计并不是斜的,而是一个8层,高54.8米园形柱廊联拱式建筑。用了五年盖到第三层的时候,塔体的一侧就已经下陷了30-40cm,偏离了正常轨道约0.25度。

不过,比萨人并没有因为塔的倾斜而过分担心,因为据说比萨城有1万多个塔都是歪的。

比萨塔在建完第四层后,工程就被叫停了。有说是因为建筑师不知道该怎么纠正倾斜的塔身,还有说是因为比萨和弗洛伦萨要开战不得不叫停。不管怎样,过了一个多世纪,这座烂尾的斜塔直到1272年又继续被意大利人建了三层。在建造的过程中,工程师们还特意采取了给南侧的石头加高、调整承重柱的粗细以及改变墙体厚度等方法,来纠正比萨塔偏离中心的问题。万万没想到,当建到第七层的时候,比萨塔不但没有改“斜”归正,反而从原来的朝北倾斜变成了朝南倾斜,而且扭曲度比之前还要惨。意大利人这次是真的怕了,又停工了一个世纪。直到1372年,整座斜塔才被最终建成,也就是我们现在看到的比萨斜塔全貌。完工是完工了,可此时的斜塔已经偏离正常轨道近17.78cm。

然而,精彩的剧情才刚刚开始......

自竣工以来,比萨斜塔不仅逐年变得越来越斜,而且还在不断下沉。直到19世纪,就沉了3米,八层塔迷幻的变成了七层。为了不让这些美丽的柱子永远被埋在地底下,大胆的意大利工程师们又想出了一个把塔周围的泥都挖掉的馊主意。结果,挖着挖着就冒水了,原本500年来都没咋动的塔,这一铁锹下去又开始斜了。

可怜的斜塔之后又经历了意大利法西斯独裁者和二战的摧残。直到1990年,比萨斜塔稀里糊涂的一共偏离了正常轨道5.5度。意大利政府坐不住了,终于将斜塔关闭,并成立了拯救比萨斜塔国际委员会。提出的第一个有效的临时纠偏方案就是在塔的北侧加了830吨的铅,虽然丑,但是至少掰回去了2.54cm。

当所有人都以为一切都要变好的时候,工程师又提出把10根40m长的锚杆深入地下,用来连接北侧的基础,并且施工团队还提出了一个大胆的决定 --- 用液氮把地下水冷冻上以便控制住比萨地区过高的地下水水位。虽说液氮冷冻技术在岩土工程领域已经被开发数年,但应用并不多。

结果一夜之间,这个塔歪了0.158cm,比塔身一年的倾斜量还要大。原因是水结冰后体积会膨胀,地基发生了可怕的起拱现象。而且一旦冰融化了,塔的基础和土壤之间就会立刻形成缝隙,斜塔不但会急剧倾斜和下沉,同时还会伴随塔身内部结构的开裂。事件发生在1995年的9月,被人们称作是比萨斜塔历史上的“Black September”(黑色九月)。整个工程团队立刻终止了锚杆的安装,紧急之下又拉来了300多吨的铅块压在了塔的北侧,暂时缓解了安装锚杆导致的斜塔剧烈倾斜的状态。

接下来的两年,委员会开始公开向全世界征集有效方案拯救斜塔。但是几乎没有让委员会中意的。

再后来,在帝国理工学院任职的John Burland教授正式接手了比萨斜塔的扶正项目。1998年,永久的纠偏方案被Burland教授提出 --- 用斜钻孔掏土的方式掏掉斜塔北侧的土!这也是最后Burland教授成功的关键,斜塔开始慢慢被扶正了,整整有38cm。此后,斜塔被再一次展现在公众面前,而后的十年内,斜塔又继续恢复了2.5cm,照这样下去,这座世界闻名的建筑还能再坚持三百年。

全世界的人都知晓这座斜塔,而这座斜塔之所以能屹立不倒,这背后无数伟大的工程师付出的智慧和心血却鲜为人知。John Burland教授在参与比萨斜塔扶正项目的这二十多年中,早已视比萨斜塔为自己的生命。耄耋之年的他仍时不时活跃在课堂上,讲述自己与比萨斜塔的故事。

参考资料

CLEVE R. WOOTSON JR.The Leaning Tower of Pisa Should Have Crumbled in an Earthquake Long Ago. Now We Know How It Survived. THE WASHINGTON POST.2018.08.08

纪录片《拯救比萨斜塔》

不土不木.John Burland与比萨斜塔

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