泥土、水和木头：支撑1604年古城漂浮的系统

Emmanuel Lafont/ BBC (图片来源: Emmanuel Lafont/ BBC)

大多数现代建筑的设计寿命约为50年，但巧妙的古代工程技术使这座水城在水上漂浮了1600多年——而且只使用了木材。

正如任何当地人所知，威尼斯是一座倒置的森林。这座于3月25日迎来1604岁生日的城市，建立在数百万根短木桩的基础上，这些木桩尖端朝下被打入地下。这些树木——落叶松、橡树、赤杨、松树、云杉和榆树，长度从3.5米（11.5英尺）到小于1米（3英尺）不等——几个世纪以来一直支撑着石制宫殿和高大的钟楼，这真是一个利用物理和自然力量的工程奇迹。

在大多数现代建筑中，钢筋混凝土和钢铁完成了这个倒置森林几个世纪以来一直在做的工作。但尽管它们很坚固，但今天很少有地基能够像威尼斯的地基那样持久。“如今，混凝土或钢桩的设计[保证使用寿命]为50年，”瑞士苏黎世联邦理工学院的土力学和地质系统工程教授 Alexander Puzrin 说。“当然，它们可能会持续更长时间，但当我们建造房屋和工业建筑时，标准是50年的寿命。”

建造经久耐用的建筑

Puzrin 只有一次，在他职业生涯的早期，被要求为以色列的巴哈伊寺庙的建造提供 500 年的保证。

“我当时有点震惊，因为这很不寻常，”他回忆道。“我真的很害怕，他们想让我签字。我打电话给我特拉维夫的老板，一位非常有经验的老工程师，我说，‘我们该怎么办？他们想要500年。’他回答说，‘500年？[停顿]。签。’我们谁也不会在那里了。”

威尼斯桩的建造技术因其几何形状、其几个世纪的韧性以及其巨大的规模而令人着迷。没有人确切知道这座城市下有多少百万根桩，但里亚托桥的地基中就有 14,000 根紧密排列的木桩，圣马可大教堂下有 10,000 棵橡树，该教堂建于公元 832 年。

“我出生并在威尼斯长大，”威尼斯大学环境化学和文化遗产教授 Caterina Francesca Izzo 说。“像其他人一样，我从小就知道威尼斯建筑物下面有 Cadore 的树木[威尼斯旁边的山区]。但我不知道这些桩是如何放置的，它们是如何被计数和敲倒的，也不知道 battipali（字面意思是“打桩者”）是一个非常重要的职业。他们甚至有自己的歌曲。从技术和工艺的角度来看，这非常吸引人。”

battipali 会用手将桩打入地下，他们会唱一首古老的歌曲来保持节奏——一种萦绕不去、重复的旋律，歌词赞美威尼斯、其共和荣耀、其天主教信仰，并宣告当时敌人的死亡，土耳其人。更轻松的是，威尼斯语的表达方式至今仍在沿用，na testa da bater pai（字面意思是“适合敲打桩的头”）是一种色彩鲜艳的说法，意思是某人迟钝或反应迟缓。

Emmanuel Lafont/BBC 将桩打入淤泥的人被称为 battipali，即打桩者，他们用一首歌来帮助他们保持工作节奏 (图片来源: Emmanuel Lafont/ BBC)

这些桩尽可能深地插入，直到它们无法再被打下去，从结构的外边缘开始，向地基的中心移动，通常以螺旋形状每平方米打入九根桩。然后将桩头锯掉以获得规则的表面，该表面将位于海平面以下。

横向木结构——无论是 zatteroni（木板）还是 madieri（梁）——都放置在顶部。对于钟楼，这些梁或板的厚度高达 50 厘米（20 英寸）。对于其他建筑物，尺寸为 20 厘米（8 英寸）甚至更小。橡木提供了最有弹性的木材，但它也是最珍贵的。（后来，橡木只会用于建造船只——把它插在泥里太有价值了。）在这个木制地基之上，工人会放置建筑物的石头。

威尼斯共和国很快开始保护其森林，以提供足够的木材用于建造以及船只。“威尼斯发明了森林栽培，”意大利国家研究委员会生物经济研究所的研究主任 Nicola Macchioni 解释说，指的是种植树木的做法。“意大利第一份官方森林栽培文件确实来自菲耶姆山谷的宏伟社区[威尼斯西北部]，可以追溯到公元 1111 年。它详细说明了在不耗尽森林的情况下开发森林的规则。”

Macchioni 认为，这些保护措施一定在被记录下来之前就已经使用了多年。“这解释了为什么菲耶姆山谷今天仍然被茂密的冷杉森林覆盖。”他补充说，到 16 世纪中叶，英国等国家已经面临木材短缺。

Emmanuel Lafont/BBC 威尼斯下面的木桩正在慢慢降解，因为厌氧细菌会攻击木纤维的细胞壁 (图片来源: Emmanuel Lafont/ BBC)

威尼斯并不是唯一一个依靠木桩作为地基的城市——但有一些关键差异使其独一无二。阿姆斯特丹是另一个部分建在木桩上的城市——在这里和许多其他北欧城市，它们一直向下延伸，直到到达基岩，它们像长柱子一样工作，或者像桌子的腿一样。

“如果岩石靠近地面，那很好，”伊利诺伊大学建筑学教授 Thomas Leslie 说。但在许多地区，基岩远远超出了桩的范围。在美国密歇根湖的岸边，Leslie 在那里工作，基岩可能在地表以下 100 英尺（30 米）处。“找到那么大的树很困难，对吧？有报道称，19 世纪 80 年代的芝加哥试图将一根树干放在另一根树干之上，你可以想象，这最终并没有奏效。最后，他们意识到你可以依靠土壤的摩擦力。”

该原理基于通过尽可能多地插入桩来加强土壤的想法，从而提高桩与土壤之间的摩擦力。“聪明之处在于，”Leslie 说，“你有点在使用物理学……美妙之处在于，你正在利用土壤的流动性来提供阻力以支撑建筑物。”这个技术术语是静水压力， Leslie 说，这基本上意味着如果在一个地方密集地插入许多桩，土壤就会“抓住”桩。

事实上，威尼斯的桩就是这样工作的——它们太短而无法到达基岩，而是依靠摩擦力支撑建筑物。但这种建造方式的历史可以追溯到更久。

公元一世纪的罗马工程师和建筑师维特鲁威提到了这项技术；罗马人会使用水下桩来建造桥梁，这些桥梁也靠近水。中国的水闸也是用摩擦桩建造的。Puzrin 指出，阿兹特克人在墨西哥城使用了它们，直到西班牙人到来，拆除了这座古城，并在其上建造了天主教大教堂。“阿兹特克人比后来的西班牙人更了解如何在他们的环境中建造建筑物，现在的西班牙人在大都会大教堂（地板不均匀地沉降）方面遇到了巨大的问题。”

Puzrin 在 ETH 开设了一门研究生课程，调查著名的岩土工程失败案例。“这是其中一个失败案例。这座墨西哥城大教堂和整个墨西哥城是一个露天博物馆，展示了你的地基可能出现的所有问题。”

Emmanuel Lafont/BBC 木材、土壤和水结合在一起，为威尼斯的地基提供了非凡的强度 (图片来源: Emmanuel Lafont/ BBC)

在水中度过了一千多年后，威尼斯的地基已被证明具有非凡的弹性。然而，它们并非不受损坏的影响。

十年前，来自帕多瓦和威尼斯大学（部门范围从林业到工程和文化遗产）的一个团队调查了城市地基的状况，从建于 1440 年在赤杨桩上的 Frari 教堂的钟楼开始。

自建造以来，Frari 钟楼每年下沉 1 毫米（0.04 英寸），总计 60 厘米（约 24 英寸）。与教堂和建筑物相比，钟楼在较小的表面上分布的重量更多，因此下沉得更深更快，“就像细高跟鞋一样”，Macchioni 说，他是调查城市地基的团队成员。

Caterina Francesca Izzo 在现场工作，进行岩心钻探，收集和分析来自教堂、钟楼下以及当时正在被清空和清理的运河侧面的木材样本。她说，他们在干燥运河底部工作时必须小心，以避免废水偶尔从侧面的管道中涌出。

该团队发现，在他们调查的整个结构中，木材受到了损坏（坏消息），但水、泥土和木材的系统使所有东西结合在一起（好消息）。

他们驳斥了一个普遍的看法，即城市下方的木材不会腐烂，因为它处于无氧或厌氧状态——即使在没有氧气的情况下，细菌也会攻击木材。但是细菌的作用比真菌和昆虫的作用慢得多，真菌和昆虫在有氧气的情况下活动。此外，水会填充被细菌掏空的细胞，使木桩保持其形状。因此，即使木桩损坏，整个木材、水和泥土系统也会在强烈的压力下保持在一起，并能保持数百年。

“有什么需要担心的吗？有，也没有，但我们仍然应该考虑继续进行这类研究，”Izzo 说。自从 10 年前进行采样以来，他们没有收集新的样本，主要是因为涉及的后勤问题。

Macchioni 说，尚不清楚这些地基还能持续多少个世纪。“但是，[只要环境保持不变，它就会持续下去]。地基系统之所以有效，是因为它由木材、土壤和水组成。”土壤创造了无氧环境，水既有助于创造这种环境，又能保持细胞的形状，而木材则提供摩擦力。如果没有这三个要素中的任何一个，系统就会崩溃。

在 19 世纪和 20 世纪，木材在基础建造中完全被水泥取代。然而，近年来，用木材建造的新趋势越来越受到关注，包括木制摩天大楼的兴起。“这是一种很酷的材料，而且有很好的理由，”Leslie 评论道。木材是一种碳汇，它是可生物降解的，并且由于其延展性，它被认为是最抗震的材料之一。

Macchioni 补充说：“我们现在当然不能在木头上建造整个城市，因为我们地球上的人太多了。”但不可否认的是，如果没有人造材料和电机，古代建筑商只需要更加巧妙。威尼斯不是唯一拥有木制地基的城市，但它是“唯一一个[大规模使用摩擦技术，至今仍然存在，并且非常美丽的城市]”，Puzrin 补充道。“那里的人们没有研究土壤力学和岩土工程，但他们创造了我们只能梦想创造的东西，而且持续了这么久。他们是了不起的、有直觉的工程师，他们做对了事情，利用了所有这些特殊条件。”

* 本故事中的插图仅供艺术用途，并不真实地代表威尼斯下方的木桩基础，这些基础排列紧密且没有树枝。