山西省朔州市应县城内,立着一座67.31米高的大木塔,相当于今天的22层楼。它全名「佛宫寺释迦塔」,俗称应县木塔,建成于辽清宁二年(1056年)——「辽」是契丹人建立的王朝,与北宋并立、统辖中国北方,「清宁」是辽道宗的年号。到今天,这座塔已经970岁,是世界现存最高、最复杂的纯木结构建筑。近千年里它扛过了大地震,挨过200多发炮弹,至今屹立不倒。不倒的原因,归结起来是三件结构设计:54种斗拱像减震器一样耗散地震能量、内外两圈柱子组成坚固的「筒中筒」骨架、藏在楼层之间的三角形斜撑把整座塔紧紧箍住。

一座全木的22层高楼

应县木塔是八角五层的楼阁式建筑:第一层是重檐(两层屋檐),带一圈回廊;往上每一层都有屋檐和「平坐」(供人凭栏远眺的阳台);顶端是八角攒尖顶,托着收束全塔的「塔刹」(塔顶的金属装饰体)。塔的外观是5层,塔内实际有9层——5个「明层」之间夹着4个「暗层」,暗层从外面看不见。整座塔不用一根铁钉,全靠木构件穿插咬合搭成。塔身三层挂着一块金代的「释迦塔」匾,是全塔最古老的匾额,也把它的正式名称「佛宫寺释迦塔」记录了下来;最顶层的匾额为明成祖朱棣所题,四层还有明武宗所题的「天下奇观」匾。1961年,应县木塔被列入全国重点文物保护单位。

54种斗拱:把地震能量慢慢耗掉

「斗拱」是中国木建筑独有的承重构件:架在柱顶和梁下,由层层小木块叠合而成,木块之间用「榫卯」咬合——木件凸凹相接,不需要钉子。应县木塔从下到上一共有54种斗拱,繁简不同、各司其职,被认为是中国斗拱的登峰造极之作。唐代人写《含元殿赋》,用「云薄万栱」形容屋檐下密如云朵的斗拱,放在应县木塔身上一点也不夸张。

斗拱的妙处在于它是活的。地震主要是水平方向推搡房子,粗大的构件和刚硬的接头容易被一下震断;斗拱却是许多小块木料的组合,块与块之间留有缝隙,地震来袭时彼此错动、摩擦,把能量一点一点消磨掉——用工程术语说,它成了「阻尼装置」,作用和今天的汽车减震器类似。1976年唐山大地震发生时,应县当地的震感烈度约为4度,塔上每个屋角挂着的「风铎」(檐角铜铃)大响了一分钟,木塔安然无恙。

筒中筒:和现代摩天楼同样的思路

应县木塔的骨架是「筒中筒」结构:外圈一圈柱子形成「外筒」,内圈一圈柱子形成「内筒」——北宋的建筑专著《营造法式》称它们为「外槽」和「内槽」——两道筒之间用斗拱和梁架连成整体,异常坚固。今天的高层写字楼普遍采用筒中筒:内筒装电梯、楼梯和机房,外筒用作办公和居住。应县木塔比现代摩天楼早了近千年,用法却刚好反过来:内筒是各层供奉佛像的空间,外筒一圈设楼梯,还留出信众绕塔礼佛的回廊和观景的平坐,空间利用得很充分。

对比一下更能看出进步。北魏时洛阳的永宁寺塔,据史料记载高度约为应县木塔的两倍,但中央竖着一根通天的刹柱,旁边还要夯起巨大的土墩来稳定它,人进塔后每层只能沿着土墩走狭窄的一圈。应县木塔把中央空间真正解放出来,是佛塔设计上一次明显的进步。

看不见的暗层:三角形斜撑

塔为什么会多出4个看不见的暗层?因为「明层」里只有竖向的柱子和水平的梁、枋,「暗层」里却有大量斜撑(古称「斜戗」)。斜撑把方形框架切成一个个三角形——三角形是最不容易变形的形状,这套做法类似今天大跨度仓库、机场里使用的「桁架」结构。暗层就像一道道围箍,把整座塔层层束紧。

可惜这套结构后来被人为破坏了。20世纪30年代,或许是希望木塔外观更加玲珑剔透,当地乡绅把各明层里内藏斜撑的泥墙层层拆光,全部换成通透的格子门——外观是玲珑了,结构却伤了筋骨。1933年,建筑学家梁思成与助手莫宗江来测绘木塔,用两周时间把每层上百个尺寸逐一测完;等他稍后再来补测时,恰好发现墙体已被拆空。他在测绘报告《山西应县佛宫寺辽释迦木塔》中疾呼:拆墙「直接影响到塔身之坚固」,若不及时恢复,「将不堪设想」。木塔后来出现的倾斜,二层、三层最为严重,与这场拆墙旧事直接相关。

地震与战火的考验

除了地震,木塔还经受过战火:20世纪20年代军阀混战时,塔身中弹200余发,弹痕至今仍留在塔体上,塔却没有倒。2016年,吉尼斯世界纪录认证它是世界上最高的木塔。它以沉默的方式证明了自己的结构设计,梁思成当年登塔后写下「不见此塔,不知木构的可能性到了什么程度」,这句话放在今天依然合适。

所以,应县木塔的故事说到底就两句话:斗拱耗能、筒中筒骨架、暗层斜撑,三重设计让一座纯木塔立了970年;它今日的倾斜,恰恰是当年有人拆掉带斜撑的墙体之后留下的教训——结构原理一旦被破坏,再聪明的建筑也要付出代价。