圣索菲亚大教堂为什么抗震 （用科学解释）

圣索菲亚大教堂为什么抗震 （用科学解释）
圣索菲亚大教堂为什么抗震 （用科学解释）

圣索菲亚大教堂为什么抗震 （用科学解释）
耸立於伊斯坦堡的圣索菲亚大教堂,面对一千五百多年的频繁地震,这座庄严肃穆的建筑物始终未受毁损,让近代科学家想探究个中之秘.
　　伊斯坦堡是一座轮转不息的城市.仅仅是过去四百年,它的人口就从两百万暴增到一千万,主要是从乡村流入,找份工作餬口的移民.他们现在大多数居住在匆匆搭建,没有考虑到抗震性的多层楼水泥建筑里.
　　这可是个大问题,因为伊斯坦堡真的是座「轮转不息」的城市,它就座落在北安那托利亚断层带附近.一九九九年那场芮氏规模七点四级的大地震,在伊斯坦堡东方一百公里,一个叫做伊兹米特 (Izmit) 的小镇,造成一万八千多人死亡,超过一万五千栋建筑物遭到摧毁.根据伊斯坦堡伯加奇西大学地震工程师厄迪克 (Mustafa Erdik) 所领导进行的一项最新分析指出,假如这样的地震袭击首都伊斯坦堡(这绝不是危言耸听),死亡人数会是两倍,另外会有四万多栋建筑物遭到摧毁.
　　然而伊斯坦堡最着名的建筑物之一,已经安然渡过十五个世纪以来的诸多地震,那就是高五十五公尺,用砖块跟灰泥砌成的圆顶建筑物：圣索菲亚大教堂 (Hagia Sophia) .几十年来历史学家不断在辩论,这栋建筑物是如何承受住这样的地震压力,它的建筑师当初是否刻意做了耐震设计.如今,电脑模型跟化学分析为这些漫长无期的辩论提供新的线索：圣索菲亚大教堂的拜占廷建造者,当年是发明了新的建筑科技,还是单纯只是侥幸?假如下一个大地震侵袭伊斯坦堡,圣索菲亚大教堂是会崩坏,还是成为瓦砾堆中唯一矗立不倒的建筑物?
　　具有弹性
　　圣索菲亚大教堂座落在一片在地质、政治和宗教上都动荡不安的土地上.鄂图曼土耳其人在一四五三年攻陷君士坦丁堡,将它从基督教大教堂改建成一座回教清真寺;到了一九三五年,土耳其政府又将它变成一座博物馆,褪去其宗教的色彩.
　　圣索菲亚大教堂的原始建筑源自西元五三二年,在东罗马帝国查士丁尼一世皇帝的命令下兴建而成,是第一座结合传统大教堂长方形设计,以及类似
　　罗马万神殿中央圆顶设计的帝国建筑.查士丁尼大帝不惜工本,耗费十四万五千公斤的黄金(在今日相当於三十亿美元)建造这座教堂,成为史上斥资最钜的建筑物之一.
　　全世界最伟大的教堂,当然要交付当代最伟大的专家一手建造,那就是安瑟米尔斯 (Anthemius of Tralles) 与伊西多罗斯 (Isidorus of Miletus) .美国普林斯顿大学地震工程学荣誉教授卡克马克 (Ahmet Cakmak) 说,安瑟米尔斯是查士丁尼大帝最好的军事工程师,伊西多罗斯则是当时全世界规模最大的科学学院院长,这就好比雇用欧本海默来建造你家房子一样.
　　「这就好比雇用欧本海默来建造你家房子一样.」 —- 卡克马克
　　童年时期经常跑去参观圣索菲亚大教堂的卡克马克,一直着迷於地震.他二十三岁那年离开土耳其,前往在美国纽泽西州的普林斯顿大学教书;十年後伊斯坦堡的人口爆炸时,他已是普林斯顿大学工程系的系主任.但一直到了一九八○年代中期,脑袋里装满理论的卡克马克,才开始将他的注意力转移到这座童年记忆中伟大建筑物的实用研究.
　　值此同时,卡克马克的工程系同事马克 (Robert Mark) 创造出一些电脑模型,可用以显示建筑物如何承载其重量;举例来说,马克的研究成果指出,中古世纪的建筑师可能透过观察灰泥龟裂的情况,从而发明出飞扶壁 (flying buttress) 设计.卡克马克鼓励马克对圣索菲亚大教堂进行同样的研究,他们一起做出了模拟大教堂在各种状况下会如何移动的电脑模型,当然也包括地震模型在内.从那时候开始,他们就经常为模拟结果争论不休.
　　今日的圣索菲亚大教堂,是个以宗教或修复之名,多次添加的圆顶、飞扶壁、支撑墙跟尖塔,混合而成的大杂烩;但是就如同电脑模型所示,大教堂的结构强度来自於它原始的方形核心.美国麻州哈佛大学的建筑历史学家泰勒 (Rabun Taylor) 表示,圣索菲亚大教堂建造之前,所有的圆顶建筑本质上都是加上圆顶的圆柱;对比之下,圣索菲亚大教堂却是建筑在一连串拱门的顶部之上,藉以支撑圆顶,然後延伸出拱座,形成方形的四角.泰勒说这样的建筑技法在当时前所未见.
　　伊兹米特大地震.同样新颖的是圣索菲亚大教堂的穹隅 (pendentive) ,这是砖块与灰泥的三角形凹形区块,用来让四处拱门的曲线顶部与圆顶底部的接合处,结构转换得以流畅平顺.
　　不过安瑟米尔斯跟伊西多罗斯是怎麽在不知微积分或牛顿力学定律的情况下,设计出这样的结构呢?虽然对於他们博学与创新的程度,工程师与历史学家莫衷一是,然而他们大多同意,这两位建筑师必定大大倚赖一些简单的几何比例,并且参考一些现有的建筑物,比方说罗马的万神殿.
　　龟裂奇想
　　圣索菲亚大教堂的圆顶有四十片窗户,在用以支撑直径长达叁十一公尺的圆顶,由砖块与灰泥组成的每根骨架之间都有一片.在马克于80年代后期,为万神殿的圆顶弄出电脑模型之前,大多数的历史学家相信那些窗户只是为了好看才添加上去的,然而马克的研究结果却指出,添加这些窗户是为了避免龟裂.
　　马克解释说,设计师看过了万神殿之后,就知道由窗户形成的那条轴线所在区域,一定会产生龟裂;既然如此,乾脆就用窗户自己先行制造这些龟裂.在地震频繁的君士坦丁堡(伊斯坦堡当时的名字),这样做很有助益.
　　圣索菲亚大教堂在历经十几次的大型地震后依然屹立不倒,只有部分受到损坏,这有一部份要归功于拱门与穹隅,在建筑物受到摇晃时,会将圆顶的重量平均分摊到下面四根梁柱.不过大教堂本身所用的砖块与灰泥,对于减低地震损害也有帮助.
　　现代抗震建筑物为了要承受摇晃,必须要轻、要具有弹性;圣索菲亚大教堂两者兼具,远远超越当时的工艺技术.它所使用的砖块,比起拜占廷帝国当时在其他各处所用的砖块更轻、更具渗透性.卡克马克的研究指出,这些砖块烘烤的温度相对较低,不到摄氏七百五十度,才能在沙子与石灰之间取得恰到好处的化学反应;他说如果温度偏高了,沙子就会变得玻璃化、稠密化.
　　除此之外,当年的建筑师还采用一种特别的灰泥.卡克马克与他在希腊雅典国立科技大学的同事共同研究,发现这种灰泥里面含有一种钙硅化合物,成分类似今日的波特兰水泥 (Portland cement) ;这种高张力的混成物,可让圣索菲亚大教堂吸收大型地震的震动.该团队在二○○二年报告说,在一千五百年后的今天,灰泥中的钙跟硅还能产生反应,令人讶异;卡克马克解释说,灰泥会自我修复,每次地震摇晃后总会留下一些微小龟裂,但随着时间就会自己愈合.经常不同意卡克马克见解的马克则争论说,大教堂各处的灰泥黏稠度可能有所不同,因此这不能解释一切.
　　圣索菲亚大教堂所用砖块与灰泥的比例,可能对其抗震强度也有所贡献.为了尽快落成,泥瓦匠使用极厚的灰泥进行接合,接合层经常比砖块本身还要厚.卡克马克说,这些厚厚的接合层让建材「更像是强化混凝土」;也只有使用这么强韧的灰泥,这种技法才有可能用上.
　　那么当年的建筑师们,是否刻意将这些抗震特性纳入圣索菲亚大教堂?卡克马克表示,在此之前建筑师若要建筑物抗震,就会把建筑物造得很重,如此而已;但是安瑟米尔斯对抗震主题很有兴趣,据说他甚至建造了自己的地震模拟机.卡克马克说,安瑟米尔斯知道在力学系统里,力的大小与质量成正比,所以他会使用较轻的砖块跟较有弹性的灰泥取代石头素材,这说得过去.
　　马克再一次不同意他朋友的见解,跟大多数的建筑历史学家站在同一边.他说卡克马克认为安瑟米尔斯等人具备一些先进的知识,但他可不这么认为.
　　卡克马克把这些争吵暂搁一旁,许多人在猜想下一次大地震来临时,圣索菲亚大教堂会发生什么事.一般认为伊斯坦堡南方的区域,在几十年内会发生两次规模跟伊兹米特大地震相同,甚至规模更大的地震.一组由土耳其跟美国研究员组成的研究团队,一九九一年在圣索菲亚大教堂安装了几个震动感测器;卡克马克利用这些感测器在微小地震时收集到的资料,创造出叁度空间的电脑模拟,用以预测这栋建筑物在大型地震时会如何的移动.模型显示在芮氏规模七点五的大地震侵袭下,圣索菲亚大教堂的外墙会剧烈地前后摇晃,拱门顶部会承受最多压力;不过圆顶丝毫未损,大教堂安然无恙.
　　那假如碰上比芮氏规模七点五级更强烈的大地震呢?卡克马克说,要是真碰上了,也只能听天由命.的确,假若最糟的地震预测成真,不管圣索菲亚大教堂是否会倒塌,大概也不会有人有那个闲情逸致去管它了.
原文转自国立台湾大学科学教育发展中心
本文由求知谷科普知识转换为简体,原文地址：http://www.qiuzhigu.com/forum/view/985

圣索非亚教堂的建筑用砖是特制的，和用作粘合剂的泥浆相同，即使地震之后出现裂缝，这种建筑材料可以缓慢自我愈合。