原创 OREO 力学科普
在中国的古代建筑中，应县木塔以其独特的结构和悠久的历史而闻名于世。这座位于山西省朔州市应县的佛宫寺释迦塔，是世界上现存最古老、最高的木结构塔，与意大利比萨斜塔、巴黎埃菲尔铁塔并称“世界三大奇塔”。自公元1056年建成以来，应县木塔已经屹立了近千年，其间经历了多次地震、战乱和自然灾害的考验，却依旧巍然不动。那么，应县木塔究竟是怎么做到的呢？
山西应县木塔
壹
首先，应县木塔在设计上，大胆继承了汉、唐以来富有民族特点的重楼形式，充分利用传统建筑技巧，广泛采用斗拱结构，全塔共用斗拱54种，同时每个斗拱都有一定的组合形式，可谓是中国斗栱登峰造极的作品。唐代的大明宫正殿称含元殿，当时的人为它写了一篇《含元殿赋》，里面有“云薄万栱”这样美丽的句子——应县木塔的斗栱千千万万，绝对堪称“云薄万栱”。
斗拱结构
应县木塔经历了那么多次地震没有倒，斗栱起到了重要作用。斗栱把一个大结构构件变成很多小木块，互相之间又有榫卯联结在一起，地震时产生的力是一个水平方向的寸劲，一个很大的构件，或者一个很坚固的节点，可能一下就被地震摧毁，可是由于斗栱是很多小木块组成的，彼此之间还有一定缝隙，起到很好的缓冲作用，用术语说它成为一种“阻尼装置”，地震的能量被它慢慢地消耗掉了。这种斗拱的结构，在故宫建筑中也有所应用。
故宫角楼斗拱
贰
其次，应县木塔采用的是“筒中筒”式结构，即由外柱一周和内柱一周形成外筒和内筒（北宋《营造法式》称作“外槽”和“内槽”），二者之间以斗栱和梁架相连，形成无比坚固的结构体系。现代高层建筑，大部分20层以上的高层写字楼，包括中国尊，都是标准的筒中筒结构。建筑最内部是电梯、楼梯这种刚度大的构件，被称为核心筒，建筑最外部一圈的柱或窗间墙，叫外筒，两者以楼板连接。核心筒抗侧向力，外筒能承受拉力和压力。应县木塔与此相反，“内筒”作为各层供奉佛像的空间，“外筒”边缘设置楼梯，并且留有信众环绕礼佛的回廊，甚至还有一周平坐（阳台）可供观景，设计独具匠心。
“筒中筒”式结构体系举例
叁
再者，应县木塔不像现代建筑那样，利用基坑把建筑深深的“埋”入地下，而是通过很大的基座平台将建筑“放”在基座之上。“埋”入地下的做法相当于固定端，可为高层建筑提供足够抗倾覆力矩，以确保建筑的稳定性。而根据其它古建筑的经验，应县木塔应该是“放”在基座之上，那么，应县木塔是如何提供建筑的抗倾覆力矩的呢？
这主要涉及到三个方面：
首先，向上收缩的变截面保证了木塔的中心尽可能地在中线上，横向载荷产生的倾覆力矩在各方向相同，所需的抗倾覆力矩在各方向也相同；
其次，应县木塔第一层直径较上面各层直径有明显的增加，对于没有大底座的建筑（参见下图(b)），在横向载荷下，地面支撑力与重力形成抗倾覆力矩较小（d很小），若横向载荷偏大极有可能翻到，但如果有大底座（参见下图(c)），一方面它降低了建筑整体的重心，另一方面使得地面支撑向外移动，这就大大增加了建筑的抗倾覆能力；
最后，古建筑的屋顶通常都很重，增加了建筑物的重量G，也起到了增加抗倾覆能力。应县木塔正是利用上述三点，虽然貌似“放”在基座上不如埋入地下稳定，但实际上，在较大重量和底座的配合下也可以获得足够的抗倾覆力矩。
应县木塔自下而上逐渐内缩的造型
此外，应县木塔还采用了明层和暗层交替叠加的结构形式。从外观上看，应县木塔为5层结构，但实际上，在层与层之间，还有一个暗层，内部加上暗层实际共有9层。暗层（即结构层）和明层有很大的差别，明层只有垂直方向的柱子和水平方向的梁、枋、阑额等，可是暗层里有很多斜撑，斜撑过去的术语叫“斜戗”，它产生了很多三角形的构架，更加稳固，有点儿像现在大跨度建筑喜欢使用的桁架结构，我们在很多仓库、机场都会见到这种结构形式，只不过现代一般是用钢架，而应县木塔中是木头的桁架结构。
应县木塔内部构造示意图
用现代的术语来说，暗层其实就像“圈梁”一样，把整座塔紧紧箍住了。原来的应县木塔每一个明层都有很多类似这样的结构，过去塔内只有东西南北四个方向各开一扇门，其余现在看着是格子门的地方过去都是墙，墙内暗藏玄机，里面带有斜撑，外面糊上泥墙，虽然当时外观没有现在玲珑剔透，可是结构非常稳固。然而在20世纪30年代，当地的乡绅们不知道木塔的这个结构原理，可能是出于想让木塔外观更加玲珑剔透的愿望，于是竟然一层一层地把这些墙全部拆光了，让人感到惋惜。
在1935年的维修之中，应县木塔的内墙被当地乡民以“不够玲珑、破坏风水”为由拆除，致使承重结构遭到毁灭性破坏，被梁思成称为“木塔八百余年以来最大的厄运”。
应县木塔是中国古代建筑技术的杰出代表，它不仅展现了古代工匠的智慧和技艺，也体现了中国古代建筑的美学和哲学思想。这座木塔之所以能够历经千年风雨而屹立不倒，归功于其精巧的木结构技术、科学的抗震设计等因素。随着科技的发展和文物保护意识的提高，我们有理由相信，应县木塔将继续以其雄伟的姿态，诉说着中国千年的建筑传奇。
文章来源力学科普
