超高層建築的物理極限

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超高層建築的物理極限

美國最高的建築真的是世貿中心一號樓的1776英尺(609.6米)高嗎?設計師們只要再等上幾周就能知道答案了。理論上,世貿中心1號樓已經達到了這個高度,但是其中408英尺(102.4米)是塔尖,這部分顯然不能劃歸為建築部分。不過,算還是不算,還要看CTBUH(高層建築與城市住宅委員會)這家高層建築裁定機構所做的裁定。

如果把1號樓的塔尖部分視作天線而非建築本身,那麼世貿1號樓將成為全北美第三高,僅次於芝加哥的威利斯塔和芝加哥川普國際大廈酒店。好吧,就算這樣,1號樓還是忒你妹高了——1368英尺(417米),這個高度還沒算塔尖。美國人又給恐怖分子修了個固定靶,嗯?

無論1號樓的高度是417米還是609.6米,威利斯塔的實際高度都要比1號樓更高:假設有兩個人各自爬上這兩棟建築的最高層,那麼在威利斯塔裡的人會比世貿1號樓的人高出83英尺(25.3米)。看到這裡你以為這兩棟建築就已經很逆天了麼?瞧瞧中東和亞洲吧,已建成的、在建的、規劃中的都可以輕鬆秒掉北美的高樓。摩天大樓的極限在哪裡?可以建造出一英里(約合1609米)高的建築麼?比喜馬拉雅山還高的呢?我們來看看物理是如何解答的。

全球建築目前的最高紀錄是位於杜拜的哈利法塔,高度828米,遙遙領先於第二名的蘇丹麥加皇家鐘塔飯店,兩者相差227米。要建造如此高的大樓,需要採用一種全新的構造設計,稱之為“扶壁核心”。這種概念有點類似三腳架或者三足鼎,由三條足支撐中心核心,建築物的大部分支撐由中心核心完成。每條足都會擠壓另外兩足,哈里發塔的穩固與其說是依靠超強鋼結構和混凝土,不如說是採用了這種新式設計。

不過在某種意義上來說,即便採用了這種設計優勢,太高的建築所需要的鋼材勢必會更重,因此越高的地方,建築物勢必越瘦窄。這樣做也是出於防風的考慮。哈利法塔的樓層高度錯落不一,各個頂端部分也不在一個水平面,正是這樣的設計減輕了陣風的威脅,同時也避免了高樓旋風的形成。

超高層建築的物理極限

保護超高建築的另一大難題是抗震。為研究建築物在地震中的運動模式,建築師們通過將微縮建築模型置於風洞和震動平臺,來觀察混凝土在震動中是如何變形。超高建築必須能挺過特定震級下的地面晃動,這取決於建築物的抗震需求。今年早些時候,中國的研究人員在《建築鋼材研究雜誌》發表了他們的研究結果。這些中國研究者用計算機模擬了超強地震中超高建築的晃動,結果是大樓就像煎餅做的一樣晃動,最後倒塌。然而,研究者也指出,這種劇烈的強震幾乎不可能發生。

2012年秋天,CTBUH委員會詢問了一部分精英建築設計師目前建造1公里甚至1英里高的建築最大的難關,Sauerbruch Hutton 事務所的Matthias Sauerbruch表示:“人們的創意和想象力是最大的難題,無論是工程師、設計師還是客戶都會想方設法造更高的大樓。”排開這種對超高大樓的熱衷,目前超高建築的主要難題還是取決於人們能爬多高。

把人運到高出可能是超高建築遇到的最大難題。目前最強悍的哈里發塔電梯可以爬升到504米高度,要想登頂的話就要再做另一部電梯。速度也是個麻煩事,目前世界最快的電梯位於臺北101大廈,從5樓直達89樓的室內觀景臺只需37秒,最高時速每分鐘1010米。下降速度還只能保持在這個速度的2/3。如果不考慮乘客對壓力變化的承受能力,技術上我們還能升降地更快。也就是說,要想造一棟1英里高的建築不是什麼難事,只不過你得坐很久很久很久的電梯然後換很多很多很多次電梯。

超高層建築的物理極限

理論上,建築越高底層需要的面積就越大。想像一下,從家坐地鐵到上班的大樓,下地鐵後還要換車或建築內部地鐵。超大型建築的規劃類似於全封閉垂直建造的城市——工作區、生活區、購物區、娛樂區還有其他的功能區域。如果真是這樣,交通反而變成了超高超大建築面臨的最大問題。

當然建築師們也可以採取艾菲爾鐵塔所採用的鏤空底座。也可以把超高建築建造在其他小型建築之上。否則無論是佔地面積還是澆灌難度,都會讓建造超高建築看起來那麼奇幻。

與世貿一號樓一樣,絕大多超高建築實際上沒有看起來那麼高,大多數建築的最高登頂高度和塔尖頂部都差一定的高度(通常這個數字都還不小)。CTBUH將這一現象稱為“消弭高度”,與20實際70年代中葉修建的大樓相比,消弭高度增長了400%左右。

如果排除消弭高度,72棟世界超高建築中的44棟(61%)其實都沒有達到300米高,從而退出超高建築排名。

未來的建築要達到1英里這個高度,很可能採取類似的構造,這也包括規劃中的吉達王國塔。某些設計師也指出,要建造一英里以上的高樓,甚至比山還高的大樓也不是不可能。如果這些大樓真的建造出來,那麼就要保證建築里人們的健康、安全和舒適,同時彌補高層建築氣壓低和缺氧的問題。

Sauerbruch說:“建築的高度沒有理論極限,是否需要建造超高建築就是另一個問題了。”

[王大發財 via DVICE]

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