日本木质宝塔抗震揭秘

【英国《经济学家》周刊１２月２０日一期文章】题：宝塔不倒的原因
木质宝塔安然矗立

在台风肆虐、地震频繁的日本，最高而且外表似乎最脆弱的古建筑──５００多座木质宝
塔──为何能够安然矗立几个世纪？记录显示，在过去的１４００年里，只有两座宝塔倒塌。有
许多宝塔消失都是在闪电或内战中被焚毁的。１９９５年的阪神地震后果惨重，有６４００人丧
生，高架公路和办公大楼被震塌，神户的港口区被破坏。然而，附近京都东寺神庙中那座气宇轩
昂的五层宝塔却完好无损，尽管地震摧毁了近处若干高度较低的建筑。

多层宝塔是在６世纪随佛教从中国传到日本的。中国人主要用石头建造宝塔，塔内设有楼
梯，除了用于佛事外，宝塔还被用于观察了望。不过在日本，人们对宝塔的建筑方法作了很多改
变，使之符合当地实际情况。日本人仍然使用木材──而且他们认为没有理由在塔内设置楼梯，
以免把整体设计弄得一团糟。日本宝塔的上面几层并没有实际用途，事实上有的塔常常不设楼
梯。京都精华大学的建筑学教授植田石说：“日本宝塔从了望塔发展成了观赏塔──从而成为一
种艺术品。”

宽大的悬挑塔檐

除了地震外，日本列岛与其西北面的大陆之间的最大差别是降雨量的不同。日本的年降雨量
比中国多一倍以上，因此日本的建筑工匠长期以来学会了把建筑物的屋檐做得伸出墙壁很多，从
而避免雨水浸泡墙壁和渗入地基后使土壤变软、最终引起建筑物坍陷甚至倒塌。中国和韩国的宝
塔没有日本宝塔常见的那种悬挑塔檐。日本的庙宇建筑利用独特的交错悬臂梁支撑屋檐，因此可
以使屋顶的伸出部分达到建筑物整体宽度的５０％或者更多。此外，连续的悬臂支撑使屋顶坡度
由内向外逐渐变缓，从而构成日本传统建筑物独有的悬链状屋顶线条。许多日本人对这样的线条
情有独钟，因为它会令人想到富士山倾斜的山坡和松树下垂的树枝。

粗大的中心柱

几个世纪以来，许多人认为，就像高耸的松树一样，日本宝塔在面对台风或地震的袭击时，
只是──利用其粗大的树干状中心柱──收缩和摇摆，就能安然无恙。然而答案并非如此简单。

有若干因素使得宝塔抵御袭击的机理与松树完全不同。最令人奇怪的是树干状的中心柱根本
不承受负荷。在有些宝塔的设计中，中心柱甚至不挨着地面，而是从塔顶悬垂而下──悬挂于建
筑物中央的一口直达地面的井中，周围留有一定间隙。建筑物的重量全部由外围的１２根大柱子
支撑，它们构成了建筑物的方形周边，此外在宝塔内部的小方形的４个角上也有柱子支撑。

承重柱、土瓦及木支架

宝塔的另一个奇特之处是，由于宝塔外形呈下大上小的锥形的缘故，承受建筑物重量的垂直
柱没有一根是与上层相应部位的柱子相连的。换句话说，在五层宝塔中连一根从上到下贯穿整座
塔的承重柱都没有。这样的设计在日本现行的建筑规范中是不允许的，如今建造的两层或三层木
楼必须有从楼顶直到地基的贯穿柱。日本宝塔的第三个特点是伸出塔体的宽大塔檐上铺有沉重的
用黏土烧制的瓦块。倘若它们是被积雪压弯了的树枝，恐怕很小的风就会把它们从树干上扯下。
要减轻塔檐的负荷并不是难事──例如可用木瓦代替土瓦。可见，塔檐的重量及其大小肯定是宝
塔能够幸存下来的线索。

使宝塔不同于树的另一个特点，是它的每一层与相邻层之间竟然没有相互连结，这越来越让
人匪夷所思了。宝塔的各层只是像一摞帽子一样叠在一起，起连结作用的是各层地板之间配合得
相当宽松的木支架，它们使宝塔的每一层都能左右滑动。

揭开宝塔不倒之谜

在揭开宝塔稳定性的奥秘之前，还有一个奇怪的问题需要回答：如果宝塔的中心柱不起结构
性的作用，其用途究竟是什么呢？它是整座塔使用的最大的木料。由于中心柱采用笔直的直纹柏
树作为原料，十分昂贵。它的功能不可能只是为了支撑塔顶的装饰物──可以找到远为简便的办
法来固定塔尖。更加意味深长的是，中心柱完全是日本的发明，在别处的宝塔里还没有见过这种
东西。于是，我们找到了日本宝塔之谜的最后也是最重要的线索。了解中心柱作用的最好办法，
是观看京都工业大学结构工程师石田周造制作的录像片。石田由于孜孜不倦地研究宝塔建筑独特
的力学原理而被学生们戏称作“宝塔教授”。他制作了一系列宝塔模型，并在实验室的振动台上
进行了试验。

在石田制作的宝塔模型中，有些模型的中心柱与地面相连，这在６－８世纪建造的宝塔中很
常见。其他的模型则仿照以后的宝塔设计，中心柱竖在宝塔二层的一根梁上，或者从第五层起向
下悬挂。石田发现，与完全不设中心柱的模型相比，中心柱固定在地上的模型坚持的时间最长，
其牢固程度至少比其他带中心柱的任何宝塔模型高一倍。

古代的工匠们通过反复实践得出结论，如果受到来自侧向的巨大推力，可以让自由地堆叠在
一起的宝塔各层互相独立地来回滑动。从旁边看，宝塔就像是在跳蛇形舞──每一层的运动方向
与相邻层相反。但是如果在宝塔中央的竖孔中放入类似可拆式固定螺栓的粗大中心柱，塔的每一
层就会受到约束。塔层与中间的柱子发生撞击，从而避免在某个方向摇晃过度。此外，每当塔层
与内部的中心柱碰撞时，它把一些能量转移到中心柱上，后者会立即把这些能量安全地释放到地
面。

简言之，中心柱所起的作用就像是一根巨大的静止摆杆，不同塔层互相独立的振动所产生的
微弱推力是无法使之晃动的。尽管古代的工匠不懂数学，但他们似乎深谙今天所谓的“调谐质量
阻尼”理论的精髓。正是这种技术使得霞关大楼（历代日本政府办公处）能够安然渡过强烈的地
震。那么，盖有沉重瓦片的异常宽大的塔檐又有什么作用？可以把它们当作是走钢丝者手里的平
衡杆。由于惯性作用，平衡杆两端的质量越大，走钢丝者就越容易保持平衡。宝塔的道理也是如
此。