從《圓頂的故事》談透過創造解決問題的建築學

發佈於建築

2024/03/17閱讀時間約 9 分鐘

　　《圓頂的故事》（Brunelleschi's Dome: The Story of the Great Cathedral in Florence）於2000年出版（英），作者為加拿大歷史小說家羅斯・金（Ross King, 1962年7月16日—），中文版於2002年出版，內容圍繞在義大利佛羅倫斯百花聖母大教堂（Cathedral of Saint Mary of the Flower）的圓頂建築師菲利波・布魯內列斯基（Filippo Brunelleschi, 1377年—1446，下稱布魯內）；從獲得競圖、施工到竣工的故事。事隔21年，今年再版，對照建築產業憂慮被AI取代的今天，本書提供了當時建築在競圖、結構、施工、管理及設計與施工的辯證等五方面的反思，並讓人得以再次沐浴在那建築師、科學家、哲學家與戰士（參與戰爭）集於一身的時代。

布魯內競圖時的木製模型，現存於佛羅倫斯大教堂博物館

　　第一，競圖方面：不同於現在競圖「全包」的模式，大教堂的圓頂並非一開始就設計好的，而是分段競圖、分段施工；大教堂於1296年奠定基石，設計師兼原建築師為坎比歐的石匠師傅，當時對圓頂僅有輪廓的設計，未設計其結構。鐘樓由畫家喬托（Giotto di Bondone, 1267—1337）設計，1334年施工，於1359年竣工，歷時25年。圓頂則於1418年競圖，由金匠兼鐘錶匠布魯內設計，1420年施工，1436年竣工，歷時16年。圓頂完成後，其上的燈籠亭更出自某位女設計師之手（未留下名字），於1446施工，1461年竣工，歷時15年。

　　由此可知，在以人力為主的時代，建築如同手工業，需慢工出細活，成品卻也歷久彌新、堅若磐石，如：佛羅倫斯歷經1510、1675、1895年的地震，圓頂皆未損傷；且因營建時間長，往往非單獨建築師所能完成，而是一棒接一棒的延續。接續者的挑戰與責任，除了讓設計與結構具有一致性、相容性外，如：圓頂建立在八邊形上，但原建築留下的是不正的、沒有中心的八邊形，布魯內的挑戰便是讓八邊形收在同一個點；更在於增加建築功能的豐富性，如：燈籠亭促進通風，亦透過青銅盤的基座，讓光可折射至地面。另競圖不只限於建築設計的競圖，亦有施工「設備」的競圖，如：圓頂竣工後，為燈籠亭徵求「將重物搬運至大圓頂」的機器模型競圖。而在圓頂競圖時，亦同時徵求起重設備的模型。

雙殼結構

　　第二，結構方面：當時尚未有靜力學，大教堂的圓頂，其高度與跨度至今仍為世界之最，關鍵在於具開創性發明的結構。當時義大利建築師鄙視哥德式的飛扶壁（Flying buttress）結構，佛羅倫斯甚至禁用飛扶壁，多年後西班牙建築師高地更稱哥德式大教堂的飛扶壁為「不幸的拐杖」。但飛扶壁的主要功能為抵抗圓頂重量造成的外推力，若不用飛扶壁，如何抵抗基部向外的水平應力？同為圓頂的萬神殿提供了方法；即圓頂厚度上薄下厚，由頂部的不到1.5公尺擴充至2公尺的基部，並以花格鑲板裝飾內部，及利用浮石和空瓶等材料減輕重量。然而，大教堂的圓頂遠比萬神殿的跨距更大、更高，除了材料上的輕量化外，如：磚塊或泉華石（火山灰形成，質輕多孔的石塊）。其造型並非半圓，而是在八邊形的基座上交會的「五分之一圓」，且採雙殼設計（內殼平均厚度1.8公尺，外殼較薄僅平均0.6公尺）。一方面，「五分之一圓」可增加高度，並以尖拱代替圓拱，減少基座的水平應力；另一方面，在圓頂所有可能發生斷裂之處，植入一組石製或木製的「鏈條」（圈梁），作用如同木桶桶板透過鐵箍抵抗水平應力、避免桶板散開的「桶箍」。該「鏈條」並非水平鋪設，而是成某一角度傾斜，越近頂端越斜（最後幾層甚至以60度的陡角向內傾斜）。

　　第三，施工方面：一方面，八邊形的大教堂圓頂，分別由八組石匠負責，其挑戰在於，如何讓八面牆、八支長度各超過30公尺的拱肋，在頂部接合？避免如雙向施工的隧道鑽掘，最後失之毫釐，差之千里的未對接。關於圓頂如何對接，至今仍是個謎，可能的方法之一為，在精確地決定圓頂的中心、並做上記號後，從中心由下往上向逐漸縮小的圓周各點拉展繩索，讓各邊能保持在同個水平與中心上。

　　另一方面，圓頂如何在沒有拱鷹架、支撐架的情況下施工？拱頂支撐的競圖方案中，有以木製拱鷹架支撐，或以91公尺的土堆支撐（有委員笑稱應在土堆中混入錢幣，到時讓民眾協助移除）。大教堂先前設計以拱鷹架支撐，然而，缺點是壓縮了石匠的活動空間，且其尺寸將隨著圓頂成為史無前例的巨大建物，而所需的龐大經費與木材用量，更讓總建築師邦寇在尋找木材來源的途中去世。另施工後如何移除及拆除的時間點也是一大問題；移除方法上，當時最常見的是將中心鷹架支柱置於裝滿沙子的酒桶，拔去酒桶塞讓沙子流出，以緩慢地降低木架高度後移除。而拆除的時間點上，若太早拆，灰泥尚未完全硬化，拱頂強度不足，但若太晚拆，鷹架木料可能因潛變而變形，造成石材移位。最後，布魯內提出不需使用拱鷹架的做法；即透過每一環層的石材形成自我支撐的水平拱架（鏈條），並以人字形、魚骨形（spinapescie）的磚塊排列，使整個環層在尚未完成、灰泥未乾硬之前，透過分割成一段一段的磚塊成為自我支撐的水平拱，抵抗地心引力的內拉力（圓頂共需400萬塊磚，一塊磚須風乾兩年後才能入窯燒製）。

抵抗水平應力的「鏈條」

　　第四，管理方面：當時施工期程長的原因，除了慢工出細活外，更常因鼠疫、戰爭或政治因素而停滯，如：1401年初，因佛羅倫斯與米蘭敵對，大教堂的石匠被徵去強化城堡城牆。或1419年1月，因教皇抵達佛羅倫斯，將停留20個月，大教堂的石匠和木匠被調派到新聖母瑪莉雅教堂，完成供教皇居住的套房。且當遇到宗教或節慶，亦須停工，如：在安息日與宗教節慶期間，所有的行業都禁止上工，僅有負責澆灌石材、使之保持濕潤可塑的工人例外。而一名全職勞工在扣除宗教、節慶與氣候的影響後，一年約可於圓頂工作200天。

　　大教堂圓頂的施工環境，在離地將近52公尺（17樓）的空中展開，考量工率及避免工人偷懶，教堂工程處1426年下令一整天都不准石匠由圓頂下來；又在空中為避免石匠往下看而懼高，在拱頂內部建了一座「陽台」；另高空作業安全方面，除發給石匠皮製安全帶外，亦規定喝的酒必須摻1/3的水（當時孕婦飲酒的濃度）。額外的好處是，可以捉鴿子加菜（肉對工人而言是罕有的奢侈品，只有週日能吃）。

布魯內發明的「牛吊車」與「城堡」

「牛吊車」

　　第五，設計與施工的辯證方面：當時的建築師不能只懂設計，甚至多為「通才」，布魯內除了是金匠、建築師，更是可媲美達文西的發明家。本書亦提到義大利文藝復興時期的建築師、建築理論家、作家、詩人、哲學家、密碼學家集於一身的萊昂・巴蒂斯塔・阿伯提（Leon Battista Alberti, 1404—1472）。建築不僅止於設計，或者說建築的目的不是為了設計，而是為了實踐設計；即透過施工讓紙上建築成為真真正正的建築、誕生建築的生命。故建築師需兼顧設計與施工，自然需具備材料、施工、結構、管理等相關知識，如：圓頂施工需吊掛砂岩梁和大理石塊等建材，每根砂岩梁約重770公斤，除了需最長（近183公尺）、最重（逾450公斤）的繩索，更需要在垂直向度外具有水平向度的吊放功能。布魯內為了解決現場施工問題，特別發明了以獸力取代人力的「牛吊車」；利用可逆齒輪，功能類似離合器，可使兩只齒輪與大鼓機輪連接或分開（換檔），讓帶動齒輪的牛可不必卸下牛軛、掉頭。又為解決水平吊放的問題，布魯內發明了可水平移動的「城堡」；在牛吊車將石材運至工作平台後，接著「城堡」利用水平螺桿，將石材運抵目的地上方，再調整鬆緊螺旋扣，使石塊下降至定位。施工期間，吊車每天平均起吊50次，約以每10分鐘一次的速度吊運，為避免繩索因摩擦生熱著火，需時常澆水。

　　沒有設計就沒有施工，相反的，沒有施工亦沒有設計（缺工缺料減少施工亦導致設計的減少）。透過設計與施工的辯證，一方面藉由施工讓設計得以落實；另一方面，則藉由施工快、狠、準的解決現場問題所累積的實務經驗，讓設計有更多的可能與想像。在那科學尚未普及、建築尚未分科的時代，意想不到的創造了至今無人能超越的圓頂，宛如重建了通天的巴別塔，除了靠先人的傳統智慧、眾人的通力合作，更仰賴實務經驗；即不斷試錯的精神。

　　綜上，早期建築系多隸屬於工學院而非設計學院；將建築視為一種工程。英文工程「Engineer」源自兩個古老的希臘字「en」與「gin」；「en」代表「在……裡面」，「gin」則是「創造」的意思，合起來即是「在創造裡面解決問題」。透過本書，反思建築在競圖、結構、施工、管理及設計與施工的辯證等方面皆是一場場「在創造裡面解決問題」的「實驗」。目前《建築師法》雖規定開業建築師的業務包括施工中的監造，但實際至現場監造的建築師有多少？在專業分工下，建築師的專業亦逐漸分出，好處是分散風險，然而，卻喪失了以材料、結構、管理思考建築的可能；建築師不需要是通才，但好的建築師必然是通才；當建築師能夠成為關鍵問題的發現者，才有可能成為解決方式的發明者。

　　建築作為一個整體，設計離不開施工；設計問題離不開施工問題，反之亦然。設計問題不只是基地調查與業主需求的設計問題；即在冷氣房內、理性的、理想的、封閉的、靜態的想像問題。施工問題亦是一種設計問題；即在大太陽下、理性計畫之外的、偶然突發的、開放的、動態的實務問題。哲學家康德在探討感性與知性時，認為：「沒有內容的思想是空洞的，沒有概念的直觀則是盲目的。」同樣的，無法實踐的設計是空洞的，沒有實務經驗的設計是盲目的；唯有理論與實務結合才能產生「建築」。