รู้จักโครงสร้างโบราณ 1,604 ปี ที่ช่วยพยุง "เวนิส" ให้พ้นจากการจมทะเล

ชาวเมืองเวนิสทุกคนรู้ดีว่า เมืองโบราณอายุเก่าแก่ที่พวกเขาอาศัยอยู่ ซึ่งปัจจุบันเป็นสถานที่ท่องเที่ยวอันเลื่องชื่อของอิตาลีนั้น แท้จริงแล้วคือ "ป่าไม้ที่กลับหัว" จมแช่อยู่ในน้ำทะเล

อดีตนครรัฐที่สร้างขึ้นเมื่อ 1,604 ปีก่อน ตั้งอยู่บนโครงสร้างรากฐานที่ประกอบด้วยเสาไม้ท่อนสั้นนับล้าน ซึ่งตอกลงไปในพื้นทะเล โดยให้ส่วนปลายของต้นไม้ที่นำมาทำเป็นเสาอยู่ด้านล่าง

ป่าที่เป็นรากฐานรองรับเมืองเวนิสเอาไว้นั้น มีทั้งไม้โอ๊ก (oak) ไม้สน (pine) ไม้สนผลัดใบหรือลาร์ช (larch) ไม้สนสปรูซ (spruce) ไม้เอล์ม (elm) และไม้อัลเดอร์ (alder) เสาแต่ละต้นมีความยาวแตกต่างกันไป ตั้งแต่ 3.5 เมตร ไปจนถึงเสาท่อนสั้นไม่ถึง 1 เมตร ทว่าไม้ทั้งหมดก็ได้ช่วยพยุงอาคารบ้านเรือนและวังอันโอฬารที่สร้างจากหิน รวมทั้งหอระฆังที่สูงตระหง่านมานานหลายศตวรรษ ซึ่งถือเป็นความมหัศจรรย์ทางวิศวกรรมอย่างแท้จริง เพราะสามารถต้านทานกฎของฟิสิกส์และความเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติได้อย่างเหลือเชื่อ

การก่อสร้างแบบสมัยใหม่ส่วนใหญ่ มักเน้นการใช้คอนกรีตเสริมเหล็กสร้างรากฐานของอาคาร ซึ่งเป็นงานแบบเดียวกันกับที่ "ป่าไม้กลับหัว" แห่งเมืองเวนิส ได้ทำหน้าที่ของมันมานานกว่าหนึ่งสหัสวรรษ ทว่าความแข็งแกร่งของคอนกรีตเสริมเหล็กนั้น ไม่อาจทำให้รากฐานของสิ่งก่อสร้างสมัยใหม่ คงทนและอยู่ยั้งยืนยงได้นานเท่ากับรากฐานเสาไม้ของเมืองเวนิส

"เสาคอนกรีตเสริมเหล็กในปัจจุบัน ถูกออกแบบมาให้คงทนอยู่ได้ราว 50 ปีเท่านั้น" ศาสตราจารย์อเล็กซานเดอร์ พูซริน ผู้เชี่ยวชาญด้านกลศาสตร์ธรณี (geomechanics) และวิศวกรรมระบบธรณี (geosystems engineering) จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธรัฐสวิส วิทยาเขตนครซูริก (ETH Zurich) กล่าวอธิบาย

"แน่นอนว่าเราสามารถออกแบบให้มันคงทนอยู่นานกว่านั้นได้ แต่โดยทั่วไปแล้ว เมื่อเราสร้างบ้านหรือโรงงานอุตสาหกรรม มาตรฐานอายุการใช้งานของโครงสร้าง จะอยู่ที่ 50 ปี" ศ.พูซรินกล่าว

เทคนิคของชาวเวนิสที่ใช้เสาไม้เป็นรากฐาน เพื่อพยุงตัวเมืองไม่ให้จมลงไปในน้ำทะเลนั้น ช่างน่าทึ่งทั้งในแง่ของความสมมาตร, ความทนทานที่อยู่ได้นานกว่าพันปี, รวมทั้งความใหญ่โตโอฬารของมันด้วย

อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครทราบว่ามีเสาไม้อยู่ใต้เมืองเวนิสกี่ล้านต้นกันแน่ แต่รากฐานของสะพานรีอัลโต (Rialto bridge) อันเลื่องชื่อเพียงแห่งเดียว ก็มีเสาไม้ถึง 14,000 ต้น เบียดกันแน่นเพื่อรองรับตัวสะพานขนาดใหญ่แห่งนี้ ส่วนที่มหาวิหารซานมาร์โก (San Marco Basilica) ซึ่งสร้างขึ้นเมื่อค.ศ. 832 ก็มีต้นโอ๊กรองรับอยู่เบื้องล่างถึง 10,000 ต้นเลยทีเดียว

รากฐานของเวนิสสร้างขึ้นอย่างไร

เสาไม้เหล่านี้จะถูกตอกลงไปในพื้นก้นทะเล ให้ลึกที่สุดเท่าที่จะทำได้ โดยเริ่มจากขอบนอกของสิ่งก่อสร้างที่จะอยู่ด้านบน แล้วตอกวนเป็นแบบแผนรูปเกลียวเข้าหาศูนย์กลาง ซึ่งมักจะใช้เสาไม้ 9 ต้น ปักให้เบียดกันแน่นเป็นรูปก้นหอยต่อหนึ่งตารางเมตร

ส่วนหัวของท่อนซุงจะถูกเลื่อยให้ผิวเรียบเสมอกัน เพื่อใช้เป็นเสาหลักที่จะปักจมลงไปในน้ำทะเล หลังจากนั้นจะนำเสาไม้ที่ใช้เป็นโครงสร้างของรากฐานในแนวขวางหรือแนวทแยง มาวางทับลงไปบนเสาหลัก ซึ่งเสาไม้ชนิดหลังนี้ประกอบไปด้วย "แซตเทโรนี" (zatteroni) หรือแพกระดาน และ "มาเดียรี" (madieri) หรือคานนั่นเอง

เมื่อรากฐานจากเสาไม้สร้างเสร็จเรียบร้อยแล้ว คนงานจึงจะเริ่มวางหินที่เป็นฐานของตัวอาคารลงไป และเริ่มการก่อสร้างสิ่งที่อยู่เหนือน้ำ

เพื่อที่จะมีเสาไม้มากพอต่อการก่อสร้างและขยายตัวเมือง รวมทั้งสามารถจัดหาไม้มาต่อเรือ สาธารณรัฐเวนิสในยุคโบราณ จึงได้คิดค้น "วนวัฒนวิธี" (silviculture) ซึ่งก็คือวิธีปลูกป่า ดูแลบำรุงรักษาป่า และบริหารจัดการตัดป่าเพื่อทำไม้ขึ้น "ชาวเวนิสคือผู้คิดค้นวนวัฒนวิธีตัวจริง" ดร.นิโกลา มักคิโอนี ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยของสถาบันเศรษฐกิจชีวภาพ (institute for bioeconomy) ในสังกัดสภาวิจัยแห่งชาติของอิตาลีกล่าว

เวนิสไม่ใช่เมืองแห่งเดียวในโลก ที่อาศัยรากฐานเสาไม้ช่วยค้ำจุนตัวเมือง แต่โครงสร้างรากฐานดังกล่าวของเวนิส กลับมีความโดดเด่นเป็นเอกลักษณ์ที่ไม่เหมือนใคร

นครอัมสเตอร์ดัมของเนเธอร์แลนด์ เป็นอีกเมืองหนึ่งที่ตั้งอยู่บนรากฐานเสาไม้ ซึ่งช่วยพยุงไม่ให้ตัวเมืองจมทะเล นอกจากนี้เมืองอีกหลายแห่งในภูมิภาคยุโรปเหนือ ก็ใช้เทคนิคในการสร้างเมืองแบบเดียวกัน แต่พวกเขาจะตอกเสาไม้ท่อนยาวลงไปลึกมากจนถึงส่วนก้นของชั้นหิน นอกจากนี้ เสาไม้แต่ละต้นจะตั้งอยู่ห่างกัน เหมือนกับขาโต๊ะที่รองรับอยู่ด้านล่างของแผ่นกระดานก็ไม่ปาน

ศาสตราจารย์โทมัส เลสลี ผู้เชี่ยวชาญด้านสถาปัตยกรรม จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ของสหรัฐฯ บอกว่า "วิธีของชาวดัตช์และชาวยุโรปเหนือนั้นใช้ได้ ตราบใดที่ชั้นหินนั้นอยู่ตรงที่ตื้น ๆ ใกล้กับผิวดิน" เขายังบอกว่าที่ริมฝั่งของทะเลสาบมิชิแกน ซึ่งอยู่ใกล้กับมหาวิทยาลัยของเขานั้น ชั้นหินอาจอยู่ลึกลงไปจากผิวดินก้นทะเลสาบถึง 30 เมตรเลยทีเดียว

"ต้นไม้ที่ใหญ่ขนาดนั้นหายากใช่ไหม ? มีเรื่องเล่าว่านครชิคาโกในยุคทศวรรษ 1880 เคยพยายามจะสร้างรากฐานหนีน้ำโดยใช้เสาไม้เหมือนกัน แต่พวกเขากลับตอกเสาไม้ทับกัน โดยตอกต้นหนึ่งลงบนอีกต้นหนึ่ง ซึ่งเราพอจะนึกภาพออกว่ามันล้มเหลวในท้ายที่สุด ต่อมาพวกเขาจึงคิดได้ว่า จะสร้างรากฐานจากเสาไม้ที่มั่นคงได้ ก็ต้องอาศัยแรงเสียดทานจากเนื้อดินด้วย" ศ.เลสลีกล่าว

หลักการข้างต้นคือการเสริมความแข็งแกร่งให้กับเนื้อดิน โดยปักเสาไม้ลงไปให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างเสาไม้กับดินขึ้นจนมากพอ ศัพท์เทคนิคที่ใช้เรียกแรงเสียดทานดังกล่าวก็คือ "แรงดันอุทกสถิต" (hydrostatic pressure) หรือแรงดันซึ่งเกิดจากของเหลวที่อยู่นิ่ง ซึ่งหมายความว่าเนื้อดินจะสามารถจับยึดเสาไม้ได้ดีขึ้น หากปักเสาลงไปอย่างหนาแน่นในจุดเดียว

เทคนิควิธีดังข้างต้น คือสิ่งที่ชาวเวนิสใช้สร้างรากฐานเสาไม้ของเมือง พวกเขาใช้เสาไม้ท่อนสั้นที่หยั่งลงไปไม่ถึงชั้นหินด้านล่าง แต่กลับช่วยรองรับและพยุงอาคารบ้านเรือนด้านบนได้ดีกว่า เพราะมีแรงเสียดทานเกิดขึ้นที่รากฐานมากกว่า

อย่างไรก็ตาม ชาวเวนิสไม่ได้เป็นผู้ริเริ่มคิดค้นเทคนิควิศวกรรมดังกล่าวเป็นพวกแรก เพราะในสมัยโบราณหลายพันปีก่อน อย่างเช่นในยุคศตวรรษที่ 1 ก็มีการกล่าวถึงโครงสร้างรากฐานจากเสาไม้ในบันทึกประวัติศาสตร์แล้ว โดยวิศวกรชาวโรมันนามว่า "วิทรูเวียส" (Vitruvius) ได้ใช้เสาไม้ปักจมลงไปในน้ำ เพื่อเป็นรากฐานในการสร้างสะพาน

ประตูน้ำของจีนโบราณ สร้างขึ้นบนเสาไม้ที่ก่อให้เกิดแรงเสียดทานสูงเช่นกัน ส่วนชาวแอซเท็ก (Aztec) ก็ได้สร้างกรุงเม็กซิโกซิตีขึ้นบนพื้นที่ชุ่มน้ำด้วยเทคนิควิศวกรรมนี้ แต่ต่อมาชาวสเปนได้เข้ายึดครองเม็กซิโกเป็นอาณานิคม และได้รื้อทำลายโครงสร้างเดิมของเมืองโบราณที่ชาวแอซเท็กสร้างขึ้น ก่อนจะสร้างมหาวิหารของนิกายโรมันคาทอลิก ทับลงไปบนพื้นที่ชุ่มน้ำแห่งเดียวกัน

"ในขณะที่ชาวแอซเท็กรู้ดีว่า จะต้องปลูกสิ่งก่อสร้างในสภาพแวดล้อมดังกล่าวอย่างไร แต่ชาวสเปนผู้มาทีหลังกลับไม่ทราบถึงเรื่องนี้ ทำให้ในปัจจุบันมหาวิหารแห่งกรุงเม็กซิโกซิตี เจอปัญหาใหญ่ที่พื้นและรากฐาน ซึ่งทรุดจมลงเรื่อย ๆ อย่างไม่สม่ำเสมอ" ศ.พูซรินกล่าว

เขายังบอกว่าในชั้นเรียนระดับบัณฑิตศึกษา ที่สถาบัน ETH Zurich ซึ่งเขาเป็นอาจารย์ผู้สอนอยู่นั้น มักจะถกกันเพื่อวิเคราะห์กรณีความผิดพลาดทางธรณีเทคนิค (geotechnical failure) ที่เกิดขึ้นทั่วโลก ซึ่งกรณีของมหาวิหารแห่งกรุงเม็กซิโกซิตีนั้น ถือเป็นหนึ่งในปัญหาทางวิศวกรรมที่คนในวงการรู้จักกันดี "จะว่าไปแล้ว มหาวิหารดังกล่าวและกรุงเม็กซิโกซิตีทั้งเมือง คือพิพิธภัณฑ์กลางแจ้งที่มีไว้ให้เราศึกษาทุกเรื่อง เกี่ยวกับความผิดพลาดของรากฐาน" ศ.พูซรินกล่าว

เหตุใดเสาไม้ไม่เน่าเปื่อย ?

หลังจมแช่อยู่ในน้ำมานานกว่าหนึ่งสหัสวรรษครึ่ง รากฐานเสาไม้ของเมืองเวนิสได้พิสูจน์แล้วว่า มีความทนทานแข็งแกร่งเหนือกาลเวลา แต่ถึงกระนั้น ก็ใช่ว่าโครงสร้างโบราณนี้จะปราศจากความเสียหายไปทั้งหมด

เมื่อสิบปีก่อนทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยปาโดวา และมหาวิทยาลัยเวนิสของอิตาลี ซึ่งรวบรวมผู้เชี่ยวชาญในหลายสาขาวิชาทั้งวนศาสตร์, วิศวกรรมศาสตร์, และการอนุรักษ์มรดกทางวัฒนธรรม ได้เข้าสำรวจสภาพปัจจุบันของรากฐานเสาไม้แห่งเมืองเวนิส โดยเริ่มจากหอระฆังของโบสถ์ฟรารี (Frari Church) ซึ่งสร้างขึ้นบนรากฐานเสาไม้อัลเดอร์ เมื่อปีค.ศ. 1440 จนได้พบว่าหอระฆังดังกล่าว กำลังทรุดจมลงโดยเฉลี่ยปีละ 1 มิลลิเมตร นับตั้งแต่มีการก่อสร้างเมื่อช่วงศตวรรษที่ 15 ทำให้ทุกวันนี้หอระฆังของโบสถ์ฟรารี ทรุดจมลงไปแล้วรวมทั้งสิ้น 60 เซนติเมตร ในรอบ 585 ปีที่ผ่านมา

เมื่อเทียบกับโบสถ์และตัวอาคารทั่วไป หอระฆังมีการกดทับของน้ำหนักลงบนพื้นที่แคบมากกว่า ดังนั้นจึงทรุดจมลงได้ลึกกว่าและเร็วกว่าสิ่งก่อสร้างชนิดอื่น "มันเหมือนกับส้นของรองเท้าส้นสูง" ดร.มักคิโอนี ซึ่งเป็นสมาชิกคนหนึ่งของทีมสำรวจกล่าวเปรียบเปรย

ทีมสำรวจยังพบความเสียหายของเสาไม้ ปรากฏอยู่ทั่วทั้งโครงสร้างของรากฐานเมืองเวนิส แม้จะฟังดูเหมือนข่าวร้าย แต่ก็ยังมีข่าวดีตามมา เพราะทีมสำรวจพบว่าระบบของแรงทางฟิสิกส์ ที่เกื้อหนุนกันระหว่างดินโคลน น้ำ และเสาไม้ ยังคงมั่นคงแข็งแรงดีอยู่

การค้นพบของทีมสำรวจดังกล่าว ทำลายความเชื่อดั้งเดิมที่คนส่วนใหญ่คิดว่า เสาไม้ที่จมน้ำอยู่นานนับพันปีไม่เน่าเปื่อยสลายตัว เพราะอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจน (anaerobic condition) แต่อันที่จริงแล้ว แบคทีเรียยังคงสามารถย่อยสลายเนื้อไม้ได้ แม้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจนอยู่เลย

แต่กระบวนการย่อยสลายเซลล์เนื้อไม้ของแบคทีเรีย ก็ยังช้ากว่าฝีมือของเชื้อราและแมลงมาก เพราะทั้งคู่เป็นสิ่งมีชีวิตที่ย่อยสลายสารอินทรีย์ ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนเท่านั้น นอกจากนี้ น้ำยังไหลเข้าไปแทนที่ช่องว่างในเนื้อไม้ ซึ่งเกิดจากการย่อยสลายเซลล์เนื้อไม้ของแบคทีเรียอีกด้วย ทำให้เสาไม้ยังคงสภาพใกล้เคียงกับรูปทรงดั้งเดิมได้

รศ.ดร.ฟรานเชสกา กาเทอรีนา อีซโซ จากมหาวิทยาลัยกาฟอสคารีแห่งเวนิสของอิตาลี ผู้เชี่ยวชาญด้านการอนุรักษ์มรดกทางวัฒนธรรม แสดงความเห็นว่า "มีเรื่องอะไรที่เราต้องห่วงกับเสาไม้พวกนี้ไหม ? คำตอบก็คือทั้งมีและไม่มี แต่เราควรจะพิจารณาดำเนินโครงการวิจัยประเภทนี้ต่อไป"

สาเหตุที่ดร.อีซโซ กล่าวเช่นนั้น เป็นเพราะนับตั้งแต่การเก็บตัวอย่างเนื้อไม้ครั้งแรก เมื่อ 10 ปีก่อน ทีมสำรวจก็ไม่ได้ลงมือเก็บตัวอย่างมาวิเคราะห์เพิ่มเติมอีกเลย เนื่องจากมีปัญหาด้านลอจิสติกส์บางประการ

"เราจึงไม่อาจจะล่วงรู้ได้อย่างแน่ชัดว่า โครงสร้างรากฐานใต้น้ำทะเลนี้ จะอยู่ยั้งยืนยงต่อไปได้อีกสักกี่ร้อยปี" ดร.มักคิโอนี กล่าว "อย่างไรก็ตาม คาดว่าโครงสร้างเสาไม้ของเมืองเวนิสจะอยู่ต่อไปได้อย่างมั่นคง ตราบเท่าที่สภาพแวดล้อมยังเป็นเหมือนเดิม โครงสร้างรากฐานนี้มีประสิทธิภาพ เพราะมันเกิดจากระบบที่เกื้อหนุนกันของดิน ไม้ และน้ำ"

ดินโคลนที่พื้นทะเลสร้างสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจน ส่วนน้ำก็ช่วยในเรื่องเดียวกัน และยังช่วยรักษารูปร่างของเซลล์เนื้อไม้ให้คงเดิม ส่วนเสาไม้ก็ช่วยเพิ่มแรงเสียดทานให้กับระบบด้วย

"งดงามจนแทบจะเสียสติ"

ในช่วงศตวรรษที่ 19 และ 20 ปูนซีเมนต์ได้เข้ามาแทนที่ไม้ในการก่อสร้างรากฐาน แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เกิดกระแสความนิยมที่เน้นใช้ไม้ในการก่อสร้างหวนกลับมาอีกครั้ง ซึ่งรวมถึงการสร้างตึกระฟ้าด้วยวัสดุธรรมชาติอย่างไม้ "มันเป็นวัสดุสุดเจ๋งในตอนนี้ ด้วยเหตุผลที่เหมาะสมมาก ๆ บางอย่าง" ศ.เลสลีกล่าว

ไม้เป็นวัสดุที่สามารถ "จม" คาร์บอน ซึ่งหมายถึงสามารถดูดซับกักเก็บคาร์บอนส่วนเกิน ไม่ให้แพร่ออกไปสู่ชั้นบรรยากาศโลกได้ นอกจากนี้ ไม้ยังเป็นวัสดุชีวภาพที่ย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติ และเนื่องจากเนื้อไม้มีความเหนียวยืดหยุ่น (ductility) ทำให้กลายเป็นหนึ่งในวัสดุก่อสร้าง ที่ทนทานต่อแรงสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหวได้ดีที่สุด

แม้เวนิสจะไม่ใช่เมืองแห่งเดียวในโลก ที่สร้างขึ้นบนรากฐานที่เป็นโครงสร้างเสาไม้ "แต่เวนิสเป็นเมืองแห่งเดียว ที่มีการใช้เทคนิควิศวกรรมดังกล่าวในระดับมหึมา ทั้งยังมีความแข็งแกร่งทนทาน จนสามารถอยู่ยั้งยืนยงมาได้จนถึงทุกวันนี้ มันงดงามอย่างเหลือเชื่อจนแทบจะทำให้เสียสติไป" ศ.พูซรินกล่าว

"ช่างน่าอัศจรรย์ที่มีกลุ่มคนโบราณ ซึ่งไม่เคยได้ร่ำเรียนกลศาสตร์ของดิน หรือวิศวกรรมธรณีเทคนิคมาก่อนเลย ทว่าพวกเขากลับสามารถสร้างสิ่งที่คนสมัยใหม่ได้แต่ฝันถึง ว่าสักวันหนึ่งเราจะสร้างสิ่งที่อยู่ได้นานขนาดนั้น"

*ภาพประกอบที่ใช้ในบทความนี้ สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางศิลปะเท่านั้น ไม่ใช่แผนภาพที่เป็นตัวแทนเสมือนจริงของโครงสร้างท่อนซุง ซึ่งเป็นเสารากฐานค้ำยันใต้เมืองเวนิสแต่อย่างใด โดยในความเป็นจริงแล้ว ท่อนซุงเหล่านี้เบียดกันแน่นและไม่มีกิ่งก้านสาขา