人类建筑高度的极限是多少？

人类建筑高度的极限是多少？ 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。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。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兹勒 · 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。法兹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。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... PC版： 手机版：