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？
图1 山西应县木塔：（a）实景照片；（b）梁思成林徽因手绘图（图片来源：网络）
1.斗栱结构
首先，应县木塔在设计上中，大胆继承了汉、唐以来富有民族特点的重楼形式。这里说的“重楼”是始于汉朝的一种建筑形式，那时神仙方术十分盛行，人们认为仙人居住于九天之上，于是将传统的楼阁重重加盖，希望吸引仙人来居住并获得垂怜。汉武帝时期的甘泉通天塔和建章宫神明台都高达百余丈，就是一些例子。而各种各样的高塔，则是重楼建筑在佛教语境下对自身形式的探索和革新。
其次，应县木塔充分利用传统建筑技巧，广泛采用斗栱结构。这里提到的“斗栱”，在现代也写作“斗拱”，是中国木构架建筑结构的关键性部件，它们在横梁和立柱之间挑出，起到承重的作用，或者说，将屋檐的荷载经斗栱传递到立柱。此外，斗栱还有一定的装饰作用，是中国古典建筑显著特征之一。应县木塔的全塔共用了斗栱54种，其中每个斗栱都有一定的组合形式，可谓是中国斗栱登峰造极的作品。唐代大明宫的正殿称为含元殿，当时有位文人为它写了一篇《含元殿赋》，里面有“云薄万栱”这样美丽的句子。那么，应县木塔的斗栱千千万万，绝对堪称“云薄万栱”。
图2 斗栱结构（图片来源：网络）
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。而榫卯则是在两个木构件上所采用的一种凹凸结合的连接方式：凸出部分叫榫，凹进部分叫卯，榫和卯咬合，可以起到连接作用。地震所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，可是由于斗栱是由很多小木块组成的，彼此之间还有一定缝隙，起到了很好的缓冲作用。用力学术语来说，它是一种“阻尼装置”，地震的能量被它消耗掉了。这种斗栱结构，在中国皇家建筑中广泛使用，图3给出故宫角楼的斗栱的搭建过程。
图3 故宫角楼斗栱（图片来源：网络）
2.筒中筒结构
应县木塔在构筑时采用了“筒中筒”式结构，具体说来，就是有一周外柱和一周内柱形成外筒和内筒。北宋《营造法式》则把它们分别称作“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。这种结构理念一直延续到现代。现代高层建筑，大部分20层以上的塔楼，包括北京的中国尊（参见图4），都是标准的筒中筒结构。
在现代高层塔式建筑中，最内部是电梯、楼梯这类刚度大的构件，被称为“核心筒”，建筑最外部一圈的柱或窗间墙，则称作“外筒”，两者以楼板连接。核心筒可以抵抗侧向剪切力，外筒能够承受拉力和压力（参见图5）。
图4 高耸的中国尊（图片来源：网络）
图5 现代高层塔式建筑的结构形式（图片来源：网络）
图6 应县木塔内部构造示意图（图片来源：网络）
不过，应县木塔与此相反，其中的“内筒”作为各层供奉佛像的空间，而“外筒”在边缘处设置楼梯，并且留有信众环绕礼佛的回廊，甚至还有一周“平坐”（就是现在的“阳台”）可供观景（参见图6）。这种设计真是独具匠心啊！
上面提到了结构物受力的问题，这里不妨简单介绍一下物体载荷的五种形式：（1）拉力，它是使物体产生拉伸变形的载荷；（2）压力，它是使物体产生压缩变形的载荷；（3）剪切力，它是使物体产生剪切变形的载荷；（4）扭转力，它是使物体产生扭转变形的载荷，一般是平衡的扭转力矩；（5）弯曲力，它是使物体产生弯曲变形的载荷。图7分别是这五种基本受力形式的图示：
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
图7 物体受力形式：（a）拉力；（b）压力；（c）剪切力；（d）扭转力；（e）弯曲力
（图片来源：网络）
图8 建筑物抗倾覆力矩示意图（图片来源：网络）
3.其他的抗震措施
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设置了固定端，这样可为高层建筑提供足够抗倾覆力矩，来确保建筑的稳定性。这里提到的“抗倾覆力矩”又是一个力学术语，它是指结构在自重G和外载荷V0作用下抵抗倾覆的能力（参见图8）。
应县木塔是放在基座之上的，那么它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：（1）向上收缩的变截面。这保证了木塔的中心尽可能地在木塔的对称轴（中线）上，这样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，便可以避免因为某一侧载荷过大而导致结构的失衡；（2）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（参见图9b），在横向载荷下，地面支撑力F与重力G形成抗倾覆力矩较小，因为间距d很小（在力学中，它称作“力臂”），若横向载荷偏大极有可能翻到；但如果有大底座（参见图9c），一方面它降低了建筑整体的重心，另一方面使得地面支撑力作用点向外移动，这就大大增加了建筑的抗倾覆能力；（3）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。总之，应县木塔在较大重量和底座的配合下获得了足够的抗倾覆力矩。
图9 应县木塔自下而上逐渐内缩的造型（图片来源：网络）
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，加上内部的暗层则一共有9层。暗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；然而暗层是一个结构层，里面有很多斜撑，形成了很多三角形的构架，因而更加结实稳固。这有点儿像现在的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，只不过现代一般是采用钢架，而应县木塔中是木头的桁架结构而已。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。也许不少北京的老居民还记得，在1976年唐山地震以后，北京有许多楼房都加设了“圈梁”，这就是当时的一种抗震措施。
原来的应县木塔每一个明层里，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，不仅让人感到惋惜，也让人们知道了不懂科学的危害。
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。
参考文献
[1]杨娜, 郭丽敏, 永昕群,等. 应县木塔结构问题研究现状综述[J]. 古建园林技术, 2021.
[2]孟繁兴.略谈应县木塔的抗震性能[J].文物,1976(11):72-74+102.
[3]https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/51169.htm
[4]https://mp.weixin.qq.com/s/bq3ZreXNNsGdk6pzyypouA
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/qc1RqPwTTXIHrH_g8lC8dQ
[6]https://mp.weixin.qq.com/s/9q6ATFWfSQmUR44S0Mv80w
[7]https://mp.weixin.qq.com/s/AHRbZParaNyvJ5S3P8KHNw