life

为了洗澡 你知道古罗马人有多努力吗

2020 / 11 / 06新浪

西班牙塔拉戈纳地区,有一座古怪的石拱桥,高达27米,行人走上去不免心惊胆战,而且桥道修得异常狭窄,只容单人通过,于是便有了“魔鬼桥”之称。

西班牙塔拉戈纳的“魔鬼桥” |RAFAEL LóPEZ-MONNé
西班牙塔拉戈纳的“魔鬼桥” |RAFAEL LóPEZ-MONNé

如此不便的桥梁,似乎不是为行人而建。它是干什么的呢?

答案让人意想不到——供水。

没错,今天行人脚下已经不复存在的潺潺流水,才是这座桥的主角。对应其供水的功能性,我们将这类桥命名为“水道桥”。

罗马帝国:喷泉、洗浴,统统给你搞定

在了解水道桥之前,我们得先感悟一番罗马帝国的强盛。

罗马帝国发祥于今天意大利首都罗马,被誉为喷泉之都。这些数量可观的喷泉如今只作观赏嬉戏之用,但在罗马帝国时期,却是重要的公共用水区,普通市民可以随时享用清洁的水源。

如此庞大的供水从哪来?当然要就近从穿过城市的河流找起。水量丰沛的台伯河是跨越罗马城的一条重要河流,它的水资源可以满足市民基本的生活需求。

但罗马帝国有钱任性,为了提供更高水平的生活质量,又向外寻找大量新的淡水资源。通常选择从城市周边的山川湖泊取水,确定好水源后,通过输水管道运送到城市。

为了减少流水的蒸发,合理的做法是修建地下引水渠,修建原理类似中国新疆地区的坎儿井。(主要工作原理是:在干旱地区,当冰雪融水流出山口后,经竖井汇入地下暗渠输送,能有效防止水资源的蒸发和流失。)

当输水管道遇到低洼的河谷,水渠就需要通过抬高架空的方式顺利渡过河谷。这个时候,就轮到水道桥登场了。

罗马输水道 |《巨人的文明》
罗马输水道 |《巨人的文明》

这样一来,又有了新的问题:露天的水道难免水分会蒸发。这一点也没有难倒聪明的古罗马人:他们在桥上增加了水盖,同时还可以避免尘土落入,污染水源。

法国嘉德水道桥的水盖 |Yann de Fareins
法国嘉德水道桥的水盖 |Yann de Fareins

再任性的想法也能实现

从整体看,水道桥又高大又平整。在当时技术不发达的年代,如此高大的桥梁又是怎么建造的呢?

首先要考虑的问题,是建材。罗马时期的水道桥都采用重达几吨的石块垒砌而成,这些石块大多是花岗岩。

问题是,这么多的石块从哪里来呢?

意大利的地理位置 |地理狗看世界
意大利的地理位置 |地理狗看世界

我们来看看意大利的地理位置。这里地处亚欧板块与非洲板块的交界处,由于板块挤压摩擦,地下岩浆丰富。

侵入地下深处的岩浆冷却凝固之后,便形成了花岗岩。由于受到地下高温高压的千锤百炼,它们的质地相当坚硬。后来随着地壳的抬升,花岗岩出露地表,最终为罗马人所用。

花岗岩的形成 |地理狗看世界
花岗岩的形成 |地理狗看世界

师承古希腊,也能自创门派

有了优质的石材,还得有优秀的建造工艺。

通常,为了适应山泉水的高度,需要修建很长的引水城墙。如果几十公里长的路途都修建密封的城墙,耗费的石材和人力未免过多,同时密封的城墙也阻挡了河谷船只的通行。为了解决这个问题,古罗马人选择采用中空的方式来修建水道桥。

他们研究了从古希腊遗传下来的框架结构,发现当时的希腊人为了保持横梁的稳固,每隔一小段距离就必须设置石柱。若是两根石柱距离过远,横梁会因压力难以有效分散而发生折断。

希腊帕特农神庙 |维基百科
希腊帕特农神庙 |维基百科

古希腊的帕特农神庙就是典型的框架结构,现在我们看到它满眼都是柱子的原因,就是为了防止横梁折断。

过多的石柱占据了大量的空间,显然不适用于几十公里长度的水道桥。古罗马人不会被此难倒,他们做了颠覆性的创新——拱券。

简单来讲,拱券结构是一种弧形的建筑结构,相比于传统的框架结构,能更好的分散压力,加强支撑力度的同时,又节省了材料。

拱券受力与框架结构受力分析 | @陈睿婷/星球研究所
拱券受力与框架结构受力分析 | @陈睿婷/星球研究所

脚手架,隐形的功臣

单是发明了拱券结构还不够,想把水道桥搭建成几十米高也是个严峻的问题。好在方法总比困难多,古罗马人将木质的脚手架派上了用场。

先搭建好木质的拱券框架,把石头按弧形走向依次摆放在脚手架上以建造石拱桥。顶部的石头搭建完毕后,由于能够符合静力平衡,将脚手架移开也不会坍塌。

拱券搭建模拟实验过程 | TBS世界遗产
拱券搭建模拟实验过程 | TBS世界遗产

在建成的水道桥上,我们并没有看到脚手架的身影,但它是功不可没的,好在历史资料图记录了它的存在。

得益于坚硬的花岗岩建材和拱券结构的运用,如此高大的水道桥由始至终没有使用水泥灰浆等去黏合,却仍然稳若泰山。

搭建水道桥的真实过程 | TBS世界遗产
搭建水道桥的真实过程 | TBS世界遗产

如此水平,水也能流

肉眼看到的水道桥似乎是水平的,但根据水往低处流的规律,便可推想水道桥有着轻微的倾斜。

几十公里长的水道桥,若是倾斜度明显,就不能保证桥面的稳固性,再者倾斜度过大,水流冲击过猛,对桥身的侵蚀性增强,也会缩短水道桥的使用寿命。

想保持轻微的落差,需要精密的科学计算。以法国嘉德水道桥为例,整条输水道全长约50公里,从水源处到城市只有17米的落差。整条水道的坡度被控制在3.4‰左右,相当于每隔一米的长度,它的一头只比另一头高出0.34毫米。

以嘉德桥为例的坡度计算 |本文作者
以嘉德桥为例的坡度计算 |本文作者

要达到如此精确的坡度,就得先测量出原有地形的坡度。

罗马人创造了一种水准仪来计算相同距离内两地的落差,再通过距离和落差计算出每一段的坡度,其原理与现代的水准测量仪基本一致。测出了实际坡度后,就可以通过在原有地段填土或挖坑的方式改变两地落差,以达到预期的坡度。

能够完成这样一系列高难度的施工过程,可见当时罗马人具备高超的数学计算能力和精湛的技艺水平。而这背后的根源在于强盛的罗马帝国时期,兴盛的奴隶制让罗马公民有更多闲暇的时间关注科学教育。

古罗马时期的水准仪 | Youtube
古罗马时期的水准仪 | Youtube

有了水道桥,大量源源不断的水从四面八方汇聚到罗马城。城内兴起了数量众多的喷泉、温泉、公共浴场等完善的供水设施,市民的生活水平达到了前所未有的高度。

在当时的年代和社会条件下,要想实现每日沐浴,随时享用清洁水源,在其他城市只有王公贵族才有资格,在罗马城却是普通市民日常生活方式的真实写照。罗马统治者深知,关注民生、安抚民心才是国家长治久安之计。

罗马大浴场 |@英国巴斯·罗马浴场博物馆
罗马大浴场 |@英国巴斯·罗马浴场博物馆

智慧无法复制,只有因地制宜的创新

战争侵略、奴隶剥削,听起来残酷,但从另一个角度看,古罗马人领土开辟到哪,便将他们的智慧和文化传播到哪。

今天我们可以在世界各地看到水道桥的遗迹。这些遗迹既有古罗马人创造的基础,又有各自衍生的智慧。

英国庞特基西斯特水道桥诞生于工业革命时期,使用生铁与锻铁强化弧形结构,为适应工业运输需求,成为通船的运河。

英国庞特基西斯特水道桥
英国庞特基西斯特水道桥

墨西哥腾布里克神父水道桥,在干旱的沙漠地区缺乏使用木材为原料的脚手架,原住民因地制宜用土胚代替木材。地理的魅力就在于遥远的相似性,它能穿越时空见证天人合一的智慧。

墨西哥腾布里克神父水道桥残存的土胚
墨西哥腾布里克神父水道桥残存的土胚

今时今日,各种电力泵站能够轻松地将水加压提升,大部分水道桥也已经不再使用。总有一天,这些残存的石块将消磨殆尽,就如同辉煌的罗马帝国时代已然终结。

而智慧,却可以生生不息。