聖索菲亞的抗震奧秘 (1)

聖索菲亞的抗震奧秘 (1)
知識通訊評論第46期

聳立於伊斯坦堡的聖索菲亞大教堂，面對一千五百多年的頻繁地震，這座莊嚴肅穆的建築物始終未受毀損，讓近代科學家想探究箇中之秘。

伊斯坦堡是一座輪轉不息的城市。僅僅是過去四百年，它的人口就從兩百萬暴增到一千萬，主要是從鄉村流入，找份工作餬口的移民。他們現在大多數居住在匆匆搭建，沒有考慮到抗震性的多層樓水泥建築裡。

這可是個大問題，因為伊斯坦堡真的是座「輪轉不息」的城市，它就座落在北安那托利亞斷層帶附近。一九九九年那場芮氏規模七點四級的大地震，在伊斯坦堡東方一百公里，一個叫做伊茲米特 (Izmit) 的小鎮，造成一萬八千多人死亡，超過一萬五千棟建築物遭到摧毀。根據伊斯坦堡伯加奇西大學地震工程師厄迪克 (Mustafa Erdik) 所領導進行的一項最新分析指出，假如這樣的地震襲擊首都伊斯坦堡（這絕不是危言聳聽），死亡人數會是兩倍，另外會有四萬多棟建築物遭到摧毀。

然而伊斯坦堡最著名的建築物之一，已經安然渡過十五個世紀以來的諸多地震，那就是高五十五公尺，用磚塊跟灰泥砌成的圓頂建築物：聖索菲亞大教堂 (Hagia Sophia) 。幾十年來歷史學家不斷在辯論，這棟建築物是如何承受住這樣的地震壓力，它的建築師當初是否刻意做了耐震設計。如今，電腦模型跟化學分析為這些漫長無期的辯論提供新的線索：聖索菲亞大教堂的拜占廷建造者，當年是發明了新的建築科技，還是單純只是僥倖？假如下一個大地震侵襲伊斯坦堡，聖索菲亞大教堂是會崩壞，還是成為瓦礫堆中唯一矗立不倒的建築物？

具有彈性

聖索菲亞大教堂座落在一片在地質、政治和宗教上都動盪不安的土地上。鄂圖曼土耳其人在一四五三年攻陷君士坦丁堡，將它從基督教大教堂改建成一座回教清真寺；到了一九三五年，土耳其政府又將它變成一座博物館，褪去其宗教的色彩。

聖索菲亞大教堂的原始建築源自西元五三二年，在東羅馬帝國查士丁尼一世皇帝的命令下興建而成，是第一座結合傳統大教堂長方形設計，以及類似羅馬萬神殿中央圓頂設計的帝國建築。查士丁尼大帝不惜工本，耗費十四萬五千公斤的黃金（在今日相當於三十億美元）建造這座教堂，成為史上斥資最鉅的建築物之一。

全世界最偉大的教堂，當然要交付當代最偉大的專家一手建造，那就是安瑟米爾斯 (Anthemius of Tralles) 與伊西多羅斯 (Isidorus of Miletus) 。美國普林斯頓大學地震工程學榮譽教授卡克馬克 (Ahmet Cakmak) 說，安瑟米爾斯是查士丁尼大帝最好的軍事工程師，伊西多羅斯則是當時全世界規模最大的科學學院院長，這就好比雇用歐本海默來建造你家房子一樣。

「這就好比雇用歐本海默來建造你家房子一樣。」 —- 卡克馬克

童年時期經常跑去參觀聖索菲亞大教堂的卡克馬克，一直著迷於地震。他二十三歲那年離開土耳其，前往在美國紐澤西州的普林斯頓大學教書；十年後伊斯坦堡的人口爆炸時，他已是普林斯頓大學工程系的系主任。但一直到了一九八○年代中期，腦袋裡裝滿理論的卡克馬克，才開始將他的注意力轉移到這座童年記憶中偉大建築物的實用研究。

值此同時，卡克馬克的工程系同事馬克 (Robert Mark) 創造出一些電腦模型，可用以顯示建築物如何承載其重量；舉例來說，馬克的研究成果指出，中古世紀的建築師可能透過觀察灰泥龜裂的情況，從而發明出飛扶壁 (flying buttress) 設計。卡克馬克鼓勵馬克對聖索菲亞大教堂進行同樣的研究，他們一起做出了模擬大教堂在各種狀況下會如何移動的電腦模型，當然也包括地震模型在內。從那時候開始，他們就經常為模擬結果爭論不休。

今日的聖索菲亞大教堂，是個以宗教或修復之名，多次添加的圓頂、飛扶壁、支撐牆跟尖塔，混合而成的大雜燴；但是就如同電腦模型所示，大教堂的結構強度來自於它原始的方形核心。美國麻州哈佛大學的建築歷史學家泰勒 (Rabun Taylor) 表示，聖索菲亞大教堂建造之前，所有的圓頂建築本質上都是加上圓頂的圓柱；對比之下，聖索菲亞大教堂卻是建築在一連串拱門的頂部之上，藉以支撐圓頂，然後延伸出拱座，形成方形的四角。泰勒說這樣的建築技法在當時前所未見。

伊茲米特大地震。

同樣新穎的是聖索菲亞大教堂的穹隅 (pendentive) ，這是磚塊與灰泥的三角形凹形區塊，用來讓四處拱門的曲線頂部與圓頂底部的接合處，結構轉換得以流暢平順。

不過安瑟米爾斯跟伊西多羅斯是怎麼在不知微積分或牛頓力學定律的情況下，設計出這樣的結構呢？雖然對於他們博學與創新的程度，工程師與歷史學家莫衷一是，然而他們大多同意，這兩位建築師必定大大倚賴一些簡單的幾何比例，並且參考一些現有的建築物，比方說羅馬的萬神殿。