安娜·布莱桑宁（Anna Bressanin） - BBC Future

[Emmanuel Lafont/BBC]

当地人都知道，水城威尼斯是一片倒置的森林。

这座拥有1604年历史的城市，建筑基础由数百万根短木桩构成，木桩尖端朝下，深深打入地底。

这些木材——落叶松、橡木、赤杨、松木、云杉和榆木，长度从3.5米（11.5英尺）到不足1米（3英尺）不等——支撑着石造宫殿和高耸钟楼，展现出结合物理学与自然力量的工程学奇迹。

在现代建筑中，钢筋混凝土和钢材承担着这些木桩数世纪来的工作。然而，尽管现代材料强度高，今日的基础结构很少能像威尼斯的木桩一样持久。

“现代混凝土或钢桩的设计寿命通常是50年，”瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）地质力学与岩土工程教授亚历山大·普兹林（Alexander Puzrin）说。

“当然，它们可能会更久，但我们建造房屋和工业设施时，标准是50年。”

威尼斯的木桩技术因其几何设计、历经多个世纪的韧性以及庞大的规模，令人着迷。

没有人确切知道城市下方有多少木桩，但仅里亚托桥（Rialto Bridge）的基础就有14000根紧密排列的木桩，而建于公元832年的圣马可大教堂(San Marco Basilica)下方则有10000棵橡树。

将木桩打入淤泥的人被称为“battipali”（意为打桩工），他们在工作时会唱歌来保持节奏。 [Emmanuel Lafont/BBC]

它们是如何建成的

木桩尽可能深地打入地底，从结构外缘开始，逐步向中心推进，通常每平方米打入九根木桩，呈螺旋形排列。

木桩顶端被锯平，形成低于海平面的规整表面，然后在上方放置横向木结构——要么是“zatteroni”（木板），或者是“madieri”（木梁）。

在这层木质基础上，工人再铺设石材建筑。

为确保建材供应，古代威尼斯共和国很快开始保护森林，不仅是为建筑，也为造船。

“威尼斯发明了造林业，”意大利国家研究委员会生物经济研究所研究主任尼古拉·马基奥尼（Nicola Macchioni）解释说，指的是人工培育树木的做法。

威尼斯并非唯一依靠木桩作基础的城市，但它的方式独具特色。

阿姆斯特丹也是部分地建于木桩之上——在那里及其他很多北欧城市，木桩一直打到基岩，像桌脚般支撑着结构。

“如果岩层接近地表，这样很好。”伊利诺伊大学建筑学教授汤玛斯·莱斯利（Thomas Leslie）说。

但在美国密歇根湖畔，基岩可能在地表下30米（100英尺）。

“要找到那么长的树干很难，对吧？据说芝加哥在1880年代曾尝试将两根树干叠在一起，结果可想而知失败了。最后人们意识到可以依靠土壤摩擦力。”

这种原理是透过大量木桩加强土壤，增加木桩和土壤之间的摩擦力。

威尼斯地下的木桩正逐渐劣化，因为厌氧细菌正在侵蚀木纤维的细胞壁。 [Emmanuel Lafont/BBC]

莱斯利说，这原理技术术语上称为“静水压力”，意思是当大量木桩密集插入同一区域时，土壤会“抓住”木桩。

威尼斯的木桩正是这样运作——它们太短，无法触及基岩，而是靠摩擦力支撑建筑。但是这种建法的历史还可以追溯到更久远。

公元1世纪罗马工程师维特鲁威（Vitruvius）曾提到此技术；罗马人用水下木桩建桥，那里同样比较靠近水。

中国的水闸也采用摩擦桩。普兹林还指出，阿兹特克人在墨西哥城使用木桩，直到西班牙人摧毁古城并在原址建造天主教堂。

“阿兹特克人比后来的西班牙人更懂如何在当地环境建造，如今西班牙人建的教堂地面正不均匀下沉，”他说。

普兹林在苏黎世联邦理工学院开设研究岩土工程著名失败案例的课程，“墨西哥城大教堂就是其中之一，整个墨西哥城就是关于地基问题的露天博物馆。”

木材、土壤与水共同作用，为威尼斯的地基提供了非凡的强度。 [Emmanuel Lafont/ BBC]

木材为何不腐烂？

历经千年，威尼斯的基础仍极为坚固，但并非完全免于损害。

十年前，帕多瓦和威尼斯大学的团队（涵盖林业、工程、文化遗产等领域）调查城市基础，从1440年建于赤杨木桩上的圣方济会荣耀圣母教堂钟楼开始。

该钟楼自建成以来每年下沉1毫米（0.04英寸），累计约60公分（24英寸）。

与教堂相比，钟楼重量集中在较小面积，因此下沉更快，“就像细高跟鞋”，马基奥尼说。

团队发现木材确实受损（坏消息），但水、泥和木材的组合仍保持结构稳定（好消息）。

他们推翻了“木材因缺氧而不腐烂”的普遍观念——细菌即使在缺氧环境也会侵蚀木材，只是速度比真菌和昆虫慢。

此外，细菌掏空的细胞被水填充了，使木桩保持形状。

“这需要担心吗？说需要也行，说不需要也行，但我们仍应持续研究。”自十年前取样后，因后勤困难，未再采集新样本。马基奥尼说，基础能再撑多少世纪仍未知。

“不过，只要环境保持不变，它就能持续。这套系统依靠木材、土壤和水运作。”

土壤创造缺氧环境，水既维持此状态又保持细胞形状，而木材提供摩擦力。

“美得令人疯狂”

19、20世纪，木材在基础建设中完全被水泥取代。但近年来，木材建筑重新兴起，包括木造摩天大楼。

“它现在是很酷的材料，而且理由很充分。”莱斯利评价说。

木材能吸碳、可生物降解，且因具延展性，被视为最耐震的材料之一。

威尼斯不是唯一拥有木质基础的城市，但它是“唯一大规模采用摩擦技术且至今仍屹立不倒、并且美得令人疯狂的城市”，普兹林补充说。

“那些人没有学过土壤力学或岩土工程，却创造出我们梦寐以求的成果，并持续了如此之久。”