萬神殿(Pantheon)
直到今日仍然係世界最大既無鋼筋混凝土圓穹頂,羅馬混凝土穹頂建築巔峰之作

簡潔而華麗,古老而新穎。近兩千年以來,哈德良(Hadrian)在任期間所建既萬神殿(Pantheon)穹頂對每一位初次到訪既遊客,都係一場無比既震撼。一位美國業餘研究萬神殿結構同羅馬混凝土既退休建築工程師大衛.摩爾(David Moore)就曾經寫道:

「當我行左一陣間,我地發現面前有座非常大,圓形既磚砌建築,上面有一個巨大既穹頂……呢座肯定唔會係我地要搵既羅馬萬神殿。呢座建築物太大、太光潔如新,而且細節太完整,唔可能係古代既萬神殿……呢座野對於使用簡單工具既羅馬人黎講,係乎太複雜。我問門口既守衛,確定呢座野係咪真係同耶穌差唔多年代所建,對方立刻回答,我既所有懷疑一掃而空。呢座野確實係1800年以前所建,而且從未被重建。」

萬神殿既秘密
公元2世紀20年代,哈德良(Hadrian)執政時期。當時既羅馬,就好似今日既杜拜,係所有最頂尖既建築師雲集之地,係呢班建築師肆意發揮既試驗場。響呢位熱愛希臘文化藝術、對建築設計抱有極大熱誠既皇帝治下,羅馬城內一座又一座新既建築拔地而起,不斷挑戰、刷新建築史既極限同記錄。而羅馬特色建築亦都逐漸成熟,開始擺脫並超越希臘建築。羅馬式建築,比之希臘式建築最大既分別係建築內部既空間。由於羅馬大規模使用混凝土建造承重結構同穹頂,羅馬建築比希臘建築可以使用更少既石質立柱,承受更重既屋頂,塑造出更大既無柱室內空間。記得響第一季既時候,我曾經介紹過建於公元前1世紀既拿坡里灣區Baiae既回響神殿(又名水星神殿)。回響神殿係羅馬最早期既混凝土穹頂建築,到左哈德良時代,經過百幾二百年既發展已經至臻成熟。


羅馬萬神殿建築平面圖

回響神殿既混凝土穹頂,設計同萬神殿不乏相似之處,但萬神殿既穹頂設計遠比回響神殿精妙,跨度亦都超過前者既整整一倍

回響神殿同萬神殿既圓形穹頂比較

回響神殿(Temple of Echo)、阿格里帕大浴場(Bath of Agrippa)、萬神殿(Pantheon)既圓形穹頂比較

羅馬磚面混凝土結構牆壁橫切面:羅馬時代廣泛使用的建築技術

門廊入口(Porticus)

從正面接近呢幢歷史悠久既建築,會發現萬神殿正門係一個傳統羅馬式既門廊(Portico),上面刻住「M·AGRIPPA·L·F·COS·TERTIVM·FECIT」意思係瑪可·阿格里帕(公元前1世紀羅馬名將)建造這座建築。呢行銘文造成左好多混亂,因為阿格里帕所建既第一座萬神殿已經響羅馬城既火災中焚毀,而銘文應該係重覆使用舊萬神殿既大理石既結果。支撐門廊既灰色既單體式花崗岩立柱高12米,直徑1.5米,每根重60公噸,佢地來自埃及東部近紅海既克勞狄奴烏斯山(Mons Claudianus)採石場,石料裝船後沿尼羅河(Nile)而下,到亞歷山大港(Alexandria)後改裝大型遠洋貨船,到港口城(Portus)之後再轉運上平底船沿臺伯河而上到達羅馬。穿過門廊,就會見到一座大門,現時既大門係15世紀安裝上去既,響羅馬時代,通往圓形大廳既係一道青銅大門,表面鋪上黃金飾面。穿過大門,就正式進入萬神殿既核心:圓形大殿。


門廊內的立柱及屋頂

圓形大殿

萬神殿既大殿係一座圓形建築,表面睇,同傳統建築設計既門廊有d格格不入既感覺。但當步入萬神殿內部,我地會立即感受到大廳既強烈空間感。內部空間採用單穹頂,跨度43.4米無柱設計,重4,535公噸既巨型混凝土圓頂好似懸浮響半空一樣。如果仔細留意,內部空間長、闊、高均為43.4米(剛剛好150羅馬尺),穹頂剛剛好容納到一個43.4米直徑既球體。萬神殿地板既大理石、牆壁既石柱,絕大部分都係從古羅馬時代留低,唔止建築外觀,甚至內部裝修都完好保存至今。行入今日既萬神殿,同行入1,900年前既萬神殿分別唔大。響古時候,牆壁上既神龕擺放大理石既古羅馬神像。顧名思義,萬神殿響當時係供奉所有古羅馬神祇既廟宇。為支撐沉重既穹頂,萬神殿既牆壁厚達6.4米,係屬於磚面混凝土芯結構。其實睇到呢度,相信大家都會發現混凝土響羅馬建築史所扮演既重要角色。


萬神殿建築剖面圖

萬神殿既基本幾何形狀,依照正立方體當中既一個正球體既設計

驚人的穹頂

當仰望上方,你會發現穹頂既天頂正中部分有一個巨大既圓形天窗(Oculus)。呢扇天窗既作用,可以容許陽光透過,照亮萬神殿既內部。圍繞住整個穹頂,你會發現沿天窗放射而出既凹陷飾板結構(Coffers)。呢d飾板凹入表面,形成左穹頂向內既獨特花紋。事實上,萬神殿內部既飾板花紋響後世被廣泛複製,亦都成為呢座建築既特色之一。但可能好少人知道,呢d花紋除左靚之外,對建築結構本身仲有一個好重要既實際作用,如果冇左呢d飾板,或者呢個穹頂根本冇辦法起得成,關於萬神殿建築結構所採用既創新,響下一節會詳細探討。

萬神殿既穹頂跨度之大,係古典史上極其罕見,即使係現代既建築師同結構工程師,佢地係絕對唔敢唔落鋼筋,直接倒水泥模起出咁大個混凝土穹頂。點解?道理其實好簡單,穹頂越大,即係越重,穹頂本身因為地心吸力有個向外同落下既傾向。現代建築所用既強化水泥(reinforced concrete),入面一定要落鋼筋去承受部分既拉力,如果只得混凝土,由於混凝土本身抗拉強度較低,起出黎既穹頂好容易會因為材料本身無法承受自身重量而倒塌。43.4米直徑既穹頂,基本上已經冇可能直接倒模成形而唔倒塌。但羅馬萬神殿屹立近兩千年不倒,穹頂亦都完整無缺,而且一年接待數以百萬計既遊客,呢d都足證哈德良年間所建造既巨大穹頂結構,至今仍然非常安全,適合開放予遊客參觀。到底羅馬人又用左咩秘技先做到?關於萬神殿點樣起出黎,點解決穹頂自身重量塌陷既問題,我地響下一節再講。

記得響上一節,我提到目前為止,萬神殿穹頂直到仍然係非強化混凝土穹頂既記錄保持者。為左達到43.4米、150羅馬尺呢個跨度,萬神殿既承重牆同穹頂都用左好多精妙既設計,令到呢個看似沉重既穹頂能夠屹立近1,900年之久。響下半部分,我會主力同大家介紹下,到底呢個超級工程係點樣起出黎、用左咩設計,到底哈德良時代既羅馬工程師點樣可以建造出呢座劃時代既建築。

支撐4,500噸穹頂既牆壁

要瞭解穹頂點解可以屹立多年,我地首先要知道承受穹頂重量既牆壁到底係點樣既設計。同較早期既回響神殿直接建於地面,利用周圍既岩石地基承受重量唔同,哈德良既萬神殿穹頂基座係位於七八層樓高既空中,重量必須由一直徑43.4米既圓筒形承重牆承受。為支撐沉重既頂蓋,圓筒形既牆壁必須有足夠既強度,結果牆體本身就有成6.4米厚,大約係建築物內部直徑既1/7。但咁樣都會造成另一個新既問題:牆體自身過重。

要儘量減輕承重牆牆身重量,同時又保持足夠既結構強度,呢個係哈德良同前朝建築師元老阿波羅多羅斯(Apollodorus)必須面對既極大挑戰。為達到呢個效果,萬神殿既承重牆並唔係填滿6.4米厚既完全實心牆,而係入面藏有8個半圓柱形狀既空洞(紅色圈,見下圖),平均每45度有一個,另外,建築物內部巧妙咁安排左7個嵌入牆身的空間放置神龕(綠色圈),最後另加一個開口作為大門(黃色圈)。半圓柱狀既空洞同嵌入牆身的空間交錯排列,嵌入牆身的空間大大減輕左牆身既重量,尤其係相比起完全實心既牆壁,呢個設計更為有利。


Pantheon平面圖

其中一個對正正面既凹陷空間

為左維持足夠既抗壓力,萬神殿既建築師巧妙咁響半圓柱狀既空洞以及牆身內大量使用內嵌既磚拱(reliving arch)設計。羅馬人好早就知道拱(arch)有分散壓力既作用,呢個亦都係拱橋承重既原理。萬神殿牆體內38個主要磚拱,加上更多小磚拱,將混凝土穹頂既重量均勻分佈於牆身,尤其將空洞位置上方既壓力分散到空洞旁邊更厚既牆身,起左散佈壓力既作用。另外,設於萬神殿內部既28根裝飾大理石立柱亦都起左一定既承重作由。雖然大理石並唔係屬於一種好堅硬既岩石,但承受壓力既強度(compressive strength)已經遠高於混凝土(利比亞羅馬遺址樣本做過既羅馬混凝土測試抗壓強度約為20MPa,大理石大約80-150MPa,花崗石抗壓強度超過200MPa)。所以加入立柱,亦都幫助承擔左部分穹頂重量既壓力。


內嵌於萬神殿磚面混凝土牆身既reliving arch,實例以及立體剖面圖。以前萬神殿外牆仲有層大理石飾面,可以遮住呢d磚拱

牆身內磚拱特寫照

磚拱(brick arch)分散靜力既原理示意圖

穹頂

起好萬神殿既牆身,呢個只係建造穹頂既第一步,因為牆身結構為穹頂提供左基座。除左從牆身承重能力著手加固之外,穹頂所用既物料同「瘦身」技巧都非常重要,因為如果穹頂太重,或者幾何形狀過於扁平,無法有效將壓力向下轉移到牆身,咁呢穹宏偉既穹頂仍然可能會向中間塌陷。事實上,呢d事響羅馬建築史上並唔係未發生過。響公元6世紀羅馬新都君士坦丁堡所建既聖蘇菲亞大教堂(Hagia Sophia),就曾經發生過因為穹頂設計過於扁平,因地震而整個塌入建築物內部大殿既事(後來重新設計加高穹頂,修正左設計上既錯誤並沿用到現今)。

萬神殿既穹頂同所有混凝土穹頂一樣,史學家相信係由灌漿倒模成形建成。首先建造棚架到達穹頂預定既高度,建造木結構既夾板模,並響中間灌入混凝土,等待混凝土凝固後再拆除模板及棚架。其他羅馬穹頂其實都係咁起出黎。但由於今次要建造既穹頂跨度太大,所以必須使用創新既招數,確保穹頂唔會響拆除棚架之後倒塌。首先,從穹頂底部到頂部,古羅馬建築師採用左由厚到漸薄既設計。穹頂基座厚度達6米以上,而最頂部則只有1.2米,而穹頂外邊就有階梯狀的7層環加固。呢個由厚到薄既設計相比起相同厚度設計,更能夠減低倒塌既危險,因為穹頂既大部分質量都集中響接近承重牆身處。另外,穹頂唔同高度既部分,係利用唔同配方比例既混凝土建成。古羅馬既建築師響用作建造穹頂既混凝土加入空心既小型陶器,當混凝土凝固時,呢d空心既陶器就會產生蜂窩狀(honeycomb)結構既效果,大大減輕重量。穹頂底部,混凝土基本上係實心,越向穹頂高處,就加入越多既陶器,越多中空位置重量就越輕。利用蜂窩結構將材質輕量化既設計,響兩千年前可以話係一個劃時代而且非常超前既建築創新。


建造穹頂時所用既棚架及灌漿倒模建造方式

外部7層階梯狀環形結構

內部既圓形大殿,牆壁上既凹陷位,大理石立柱,內凹飾板Coffers,最頂部既天天窗Oculus

為進一步減輕穹頂重量,哈德良既建築師響穹頂內部設計左五行、每行28個凹陷既飾板(Coffers),呢d飾板沿穹頂而設,每行內既所有飾板間距均等,而越向上,飾板就越細。呢d凹陷既飾板看似正方形,但由於佢地係起響一個球面之上,所以其實唔係真正平面意義上既正方形。而要做到間距均等,就需要球面幾何既知識。或許並非偶然,萬神殿建造期間在世既希臘數學家及天文學家亞歷山大的米尼勞斯(Menelaus of Alexandria,希臘文:Μενέλαος ο Αλεξανδρεύς,約公元70-140年在世)就被後世稱之為非歐幾里德幾何學(non-Euclidean geometry)當中球面三角學(spherical trigonometry)既創始人。數個世紀之後,球面幾何學將為拜占庭式建築的帆拱(pendentive)奠下數學理論的基礎。而經仔細考究,Coffer既配置似乎有天文學上既象徵意義。倒模成形既Coffer除左有裝飾、天文學或者宗教上既意義外,亦都起左實際上為穹頂減重既作用。經現代電腦輔助設計既模擬,如果冇左剛才提及呢三種節省穹頂重量既技巧,而係用標準既混凝土灌漿方法黎起成個穹頂,結構承受既壓力會增加80%,穹頂將面臨一拆棚就倒塌既危機。萬神殿蔚為奇觀既巨大穹頂,係必須通過創新既建築技巧達成,呢座至今仍然屹立響羅馬天際線既古老建築,至今仍然見證住古羅馬人既智慧。


沿內部球面而設既飾板(Coffers),美觀而達到穹頂輕量化既效果

萬神殿結構電腦模型,唔好唔記得,當古羅馬人興建萬神殿時,並無CAD等現代工具既輔助,亦都冇出錯既空間

萬神殿呢座咁出名既建築物,直到現今佢既真實設計者仍然成疑。有人話佢係哈德良(Hadrian)皇帝御筆之作,但由於哈德良始終只係業餘建築師,另一個可能性更高既猜想係圖拉真前朝既元老阿波羅多羅斯(Apollodorus of Damascus)。建築磚上打上既磚顯示萬神殿118到119年可能已經開建,如果係咁既話,阿波羅多羅斯作為主要建築師既可能性比較大。但考慮到當時已經由哈德良執政,加上圖拉真(Trajan)時代既建築設計傾向比較傳統保守,而哈德良出名鐘情於圓形穹頂設計,兩人極有可能曾經就萬神殿既建築設計有過深入既交流都唔奇。

萬神殿既穹頂既跨度記錄一直維持左好多年,到文藝復興時代既1436年先被佛羅倫斯既聖瑪利亞大教堂(Basilica di Santa Maria del Fiore)穹頂超越(直徑只係僅僅比萬神殿大2米),而1900年之前,世界最大既穹頂一直都冇辦法突破50米既門檻。直到20世紀鋼結構穹頂同鋼筋高強度混凝土穹頂既出現,穹頂既建築跨度先有真正實質既飛躍。高抗拉伸強度既特種鋼令100米以上跨度既穹頂成為可能,但呢個已經係1950年代以後既事。而時至今日,如果單論非強化混凝土,萬神殿仍然既世界上最大同類結構穹頂既記錄保持者。萬神殿既門廊+圓形大殿建築+穹頂格局,加上穹頂內部既飾板,亦都係最廣為後世複製既建築設計之一。萬神殿響建築史上既傳奇,一直延續到今時今日。


古羅馬時代既萬神殿及週邊環境模型