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高 828 米的迪拜哈利法塔是人类的建筑高度的极限吗?人类能不能造出超过 1 千米高度以上的建筑呢?

而要想造一幢超高层摩天大楼,又需要解决什么问题?

今天跟大家聊聊万丈高楼如何平地而起

这是目前世界上最高的十幢建筑,排名第一的是坐落在迪拜的哈利法塔,高 828 米,有 169 层楼,造价 15 亿美金。

在哈利法塔建成之前,世界第一高楼的称号经常被打破,而且破纪录的只能高出前者一点点。在这座迪拜塔建成后,却比当时世界第一高楼的台北 101 要高出 60%,而这个记录保持到现在还没被打破。

所以,哈利法塔是人类的建筑高度的极限吗?人类能不能造出超过 1 千米高度以上的建筑呢?

而要想造一幢超高层摩天大楼,又需要解决什么问题?

今天跟大家聊聊万丈高楼如何平地而起。

摩天大楼的结构,悬臂结构的狂想

1956 年,89 岁的建筑大师弗兰克 · 劳埃德 · 赖特( Frank Lloyd Wright )在芝加哥谢尔曼酒店展示了他所设计的 “ 世界上最高的摩天大楼 ” 方案。

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赖特给它取名为 “ 伊利诺伊 ”( The Illinois ),也有人叫它 “ 一英里高塔 ”( the Illinois Mile-High Tower )。顾名思义,这座高楼有一英里高,也就是 1609 米。

“ 伊利诺伊 ” 据说有 528 层,76 部电梯,计划容纳 13 万人入住,包含 15000 个停车位,总面积是五角大楼的三倍,帝国大厦的七倍。

所以赖特在发布会上端出这幅7.6 米的设计图时,就把现场的人吓坏了。

在他的设计里,“ 伊利诺伊 ” 就像一棵有着四根树杈的大树。楼体中央是一个混凝土核心筒并且深深地嵌入地下,而从核心筒伸出四根钢结构悬臂,楼板就架设在这些悬臂之上。

这样的结构在当年看来无疑是一种狂想,所以当时有不少人觉得赖特是老糊涂了,当然 “ 伊利诺伊 ” 最后也并没有建造。

但在 “ 伊利诺伊 ” 的结构里,有一个十分重要的东西,它几乎承载了 20 世纪六十年代之后,所有超高层建筑的设计核心,就是那个深深嵌入地下的核心筒。

摩天大楼的钢结构时期

在十九世纪末,工业用钢已经非常普及,所以建筑也开始大量使用钢材来减负,在省下石料的同时,还能减轻建筑的负重,这也让楼层变得越来越高,于是 “ 摩天大楼 ” 的概念开始兴起。

世界上第一座摩天大楼诞生在芝加哥,就是这栋家庭保险公司大楼,虽然这栋大楼只有 10 层,42 米高,但却是当年最高的建筑之一,也是第一个用钢结构建造的大楼,它只有同体积石质建筑的三分之一重量。

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但钢结构建筑需要三个维度的钢架,所以钢材会占用很多内部空间,楼体的空间利用率很低。而且在大楼越盖越高的时候,人们发现,钢架建筑因为表面积大,密度低的原因,更容易受到风力的影响。

简体结构时代

这时候,SOM 建筑设计事务所的建筑师法茲勒 · 汗想到,如果把钢架建筑内部的钢梁网格替换成钢筋和混凝土组成的外部承重,是不是就能提高建筑的抗风能力呢?而且外部的剪力墙和密集框架柱承担了大部分负重,就可以移除空间内部的支撑柱,节省出更多可利用的空间。

法茲勒把这种结构命名为筒体结构,它的最大特点就是在建筑内部有一个核心筒,一般设计成电梯井、楼梯、通风井等等,而周围是封闭空间。这种结构在对抗侧向风荷载时非常有效,用人话说就是非常抗风。

而在筒体结构发明之后,几乎所有的超高层建筑都采用了这种结构,比如著名的纽约世界贸易中心双子塔,上海环球金融中心等等,也包括同样是 SOM 事务所设计的哈利法塔。

建筑师们也围绕筒体结构创造出了束筒结构、内筒结构、筒中筒结构等等一系列新型结构体系。

可以说是筒体结构造就了我们今天高楼林立的城市景观。

摩天大楼如何克服自重

而除了在结构上解决了水平荷载以外,还有一个垂直荷载需要解决,也就是在重力作用下,楼体如何承受自身重量。

随着楼层越来越高,每一层的结构都要能承受它之上的所有楼层,所以一个坚实的地基非常重要。

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许多摩天大楼会选择建在基岩之上,也就是以基岩为地基,把钢筋混凝土的基础打在基岩上,这样可以保障整个大楼的稳固。

但是基岩也不是随处可见,从地下数米到几百米都有可能分布,那土木老哥不可能一个地基打几百米,这不从摩天大楼改水井了嘛。所以还有一种比较常见的方式,就是利用摩擦力。

比如哈利法塔,迪拜当地的地质都是脆弱的砂岩,所以不可能直接锚固在上面。于是建筑师用 192 根钢筋混凝土制造的柱子,打入地下五十米。利用砂岩和地桩之间的摩擦力来稳固哈利法塔。

另外,高强度混凝土也是超高层建筑承重的重要工具。混凝土一般从 C15-C80 分成 14 个强度等级,数字越大,抗压强度就越高,普通住宅楼的混凝土标号在 C30-C50 之间,而哈利法塔这样的建筑,在 127 层以下全部使用了 C80 标号的混凝土,127 层以上用了 C60,它每平方米的混凝土就可以承受八千吨的压力,差不多是 1185 根金箍棒的重量。

摩天大楼克服风荷载

还有个问题不知道大家注意到没有,超高层的摩天大楼一般都长得奇形怪状,很少有方方正正的造型。其实这些大楼的标志性外观,第一要素都是抗风。

我们前面说过,楼层越高,侧向风荷载越大,而在超高层建筑上,风会引发一种特殊现象叫 “ 涡旋脱落 ”。

高层建筑并不是完全刚性的,它本身也有一个固定频率的振动。当风吹过建筑物后,会在楼体后方产生涡流并且脱落,同时产生压力差,涡流会交替产生低压区,将建筑吸过来,如此循环往复就让高楼来回摇晃起来。当建筑自身的固定频率和涡流脱落的频率相匹配时,会产生一个剧烈的摇摆强度。

而人体对于加速度是格外敏感的,所以人会第一时间感受到楼房的晃动,产生恶心头晕等类似晕车的效果。

要想解决这个问题,就不能只靠结构硬抗了,还需要一些造型设计上的巧思。

比如把摩天大楼设计成圆角,大家应该经常能看到一些造型圆润的大楼,比如这样,这样,还有这样的。

或者用边缘小切口来达到类似的效果,比如台北 101,建筑师把最初设计的方角改成了锯齿角,于是在风洞测试中就减少了 25% 的晃动。

还有一种方式是直接在建筑顶端开个洞,让风直接从最强的地方过去。最典型的是上海环球金融中心,还有沙特阿拉伯的王国中心,它们都是这么干的。

另外还有一些螺旋造型的大楼,比如上海中心大厦,广州塔,瑞典的马尔默螺旋中心大厦,它们靠螺旋造型改变了风的方向,让风向上吹走。原理就和以前的汽车天线差不多。

除了这些造型上的设计,还有一个给楼体增加外设的方式,那就是调谐质量阻尼器,也叫 TMD 系统( Tuned Mass Damper ),一般会安装在超过 300 米以上的建筑上。

当大楼晃动时,这个悬挂在楼体内部的重物会通过摆动把能量传递给下方的阻尼杆,进而抵消风的影响,

有的大楼会用数吨重的防溅水箱,用水来回晃动来抵消大楼摇晃,广州塔就是这么干的,建筑师在 “ 小蛮腰 ” 里装了两个各 540 吨容量的铁质消防水箱,水箱平时当阻尼器用,一旦发生火灾还能喷淋灭火。

另外就是钟摆造型,台北 101 的热门景点就是它的风阻尼器,甚至他们还给这玩意做了一套吉祥物。( C 位这个居然叫红金宝。。。 )

上海中心大厦的 125 层有一个世界上最重的阻尼器,重达 1000 吨,这个风阻尼的单边摆幅极限是 1 米,2019 年台风 “ 利奇马 ” 登陆上海的时候,它的单边摆幅超过 50 厘米,瞬时峰值甚至达到 70 厘米,创下了上海中心大厦启用以来的最大纪录。

为什么现在大家,不热衷建高楼了?

所以我们现在可以回答开头的那个问题了,如果从现有的技术和材料层面来看,已经完全可以设计并建造出一千米以上的超高层建筑了。

那为什么还没一个千米高楼出现呢?

原因很简单,买地盖楼太烧钱了,大家已经不热衷盖高楼了。

在一线城市里,摩天大楼的空置率都不低。根据戴德梁行的数据,2023 年上半年,北上广深的甲级写字楼空置率分别为 16.9%、18.6%、18%、24.5%。一些二线城市的写字楼空置率甚至达到了 40% 的高位。而今年美国的摩天大楼空置率也接近 19%,比疫情期间都要高 5%。

另外超高层建筑的维护费也相当高昂。在 2001 年,上海金茂大厦每平方米的造价是 2 万块,而它每天的管理维护费就要 100 万以上。光这个维护成本就已超过节约土地带来的经济价值。

除此以外,关于摩天大楼,还有一个非常著名的经济概念 ——摩天大楼指数( Skyscraper Index ),也叫 “ 劳伦斯魔咒 ” 。

1999 年,德意志银行证券分析师Andrew Lawrence首次提出这个概念。他认为,经济衰退或股市萧条通常都会发生在全球最高摩天大楼建造前后。

因为这些超大型工程项目启动时,就意味着当时有宽松的政策和对经济过度乐观的市场心态。而大楼接近竣工时,过度投资和投机的心态而引起的泡沫即将危及经济,政府也会转为紧缩政策应对。所以在某种程度上,摩天大楼反映了社会的经济周期。

在十九世纪摩天大楼兴起后,“ 劳伦斯魔咒 ” 起码生效了十次。在近二十年里,就发生过三次。1997 年,吉隆坡双子塔完工,以 452 米的高度取代西尔斯大厦成为最高建筑,同年亚洲金融危机爆发。台北 101 大楼始建于 1999 年,竣工于 2004 年,正好横跨了整个互联网泡沫期。2009 年底哈利法塔落成,又正好赶上次贷危机触发的全球金融风暴。

当然,现在看来大部分摩天大楼指数的应验都是事后诸葛亮,有点对号入座的意思,肯定挡不住大家对超高建筑的热捧。尤其在二三线城市,更容易陷入摩天大楼狂热,这些城市会盲目建设高楼来展现自己的经济实力。

所以在 2022 年 7 月,国家发改委颁布了《 “ 十四五 ” 新型城镇化实施方案 》,明确提出,不得新建 500 米以上的建筑,对新建 250 米以上的建筑,也要进行严格限制。

这是自 2020 年以来,国家第四次提到 “ 限高 ” 的政策,也才算是给我国的摩天大楼热降了降温。

最后说点:

有人说,摩天大楼是现代人的生殖崇拜图腾,确实有一定的道理,当摩天大楼成为权利和财富的象征,一味的攀比高度时,除了炫耀,大楼本身再无更大意义。

在如今这个后工业化社会,建设摩天大楼很难直接作用于提高生活质量,甚至可能会有反作用。在遇到意外情况时,建筑规模越大,安全性就越低,而控制建筑规模是减少意外损失的重要方式。像 “ 9·11” 事件就让人们重新认识了摩天大楼的安全性。

而对于人类社会健康发展而言,建筑也并非越高越好,它存在的意义是让人类生活的更好,人性化的设计才是建筑需要考虑的首要标准。

那在今天的城市里,还有多少大楼是真正为人而建的呢?