天天看點

人類建築高度的極限是多少?

人類建築高度的極限是多少?

人類建築高度的極限是多少?

高 828 米的迪拜哈利法塔是人類的建築高度的極限嗎?人類能不能造出超過 1 千米高度以上的建築呢?

而要想造一幢超高層摩天大樓,又需要解決什麼問題?

今天跟大家聊聊萬丈高樓如何平地而起。

這是目前世界上最高的十幢建築,排名第一的是坐落在迪拜的哈利法塔,高 828 米,有 169 層樓,造價 15 億美金。

人類建築高度的極限是多少?

在哈利法塔建成之前,世界第一高樓的稱号經常被打破,而且破紀錄的隻能高出前者一點點。在這座迪拜塔建成後,卻比當時世界第一高樓的台北 101 要高出 60%,而這個記錄保持到現在還沒被打破。

是以,哈利法塔是人類的建築高度的極限嗎?人類能不能造出超過 1 千米高度以上的建築呢?

而要想造一幢超高層摩天大樓,又需要解決什麼問題?

今天跟大家聊聊萬丈高樓如何平地而起。

摩天大樓的結構,懸臂結構的狂想

1956 年,89 歲的建築大師弗蘭克 · 勞埃德 · 賴特( Frank Lloyd Wright )在芝加哥謝爾曼酒店展示了他所設計的 “ 世界上最高的摩天大樓 ” 方案。

人類建築高度的極限是多少?

賴特給它取名為 “ 伊利諾伊 ”( The Illinois ),也有人叫它 “ 一英裡高塔 ”( the Illinois Mile-High Tower )。顧名思義,這座高樓有一英裡高,也就是 1609 米。

“ 伊利諾伊 ” 據說有 528 層,76 部電梯,計劃容納 13 萬人入住,包含 15000 個停車位,總面積是五角大樓的三倍,帝國大廈的七倍。

是以賴特在釋出會上端出這幅 7.6 米的設計圖時,就把現場的人吓壞了。

人類建築高度的極限是多少?

在他的設計裡,“ 伊利諾伊 ” 就像一棵有着四根樹杈的大樹。樓體中央是一個混凝土核心筒并且深深地嵌入地下,而從核心筒伸出四根鋼結構懸臂,樓闆就架設在這些懸臂之上。

這樣的結構在當年看來無疑是一種狂想,是以當時有不少人覺得賴特是老糊塗了,當然 “ 伊利諾伊 ” 最後也并沒有建造。

但在 “ 伊利諾伊 ” 的結構裡,有一個十分重要的東西,它幾乎承載了 20 世紀六十年代之後,所有超高層建築的設計核心,就是那個深深嵌入地下的核心筒。

人類建築高度的極限是多少?

摩天大樓的鋼結構時期

在十九世紀末,工業用鋼已經非常普及,是以建築也開始大量使用鋼材來減負,在省下石料的同時,還能減輕建築的負重,這也讓樓層變得越來越高,于是 “ 摩天大樓 ” 的概念開始興起。

世界上第一座摩天大樓誕生在芝加哥,就是這棟家庭保險公司大樓,雖然這棟大樓隻有 10 層,42 米高,但卻是當年最高的建築之一,也是第一個用鋼結建構造的大樓,它隻有同體積石質建築的三分之一重量。

人類建築高度的極限是多少?

但鋼結建構築需要三個次元的鋼架,是以鋼材會占用很多内部空間,樓體的空間使用率很低。而且在大樓越蓋越高的時候,人們發現,鋼架建築因為表面積大,密度低的原因,更容易受到風力的影響。

人類建築高度的極限是多少?

簡體結構時代

這時候,SOM 建築設計事務所的建築師法茲勒 · 汗想到,如果把鋼架建築内部的鋼梁網格替換成鋼筋和混凝土組成的外部承重,是不是就能提高建築的抗風能力呢?而且外部的剪力牆和密集架構柱承擔了大部分負重,就可以移除空間内部的支撐柱,節省出更多可利用的空間。

人類建築高度的極限是多少?

法茲勒把這種結構命名為筒體結構,它的最大特點就是在建築内部有一個核心筒,一般設計成電梯井、樓梯、通風井等等,而周圍是封閉空間。這種結構在對抗側向風荷載時非常有效,用人話說就是非常抗風。

而在筒體結構發明之後,幾乎所有的超高層建築都采用了這種結構,比如著名的紐約世界貿易中心雙子塔,上海環球金融中心等等,也包括同樣是 SOM 事務所設計的哈利法塔。

人類建築高度的極限是多少?

建築師們也圍繞筒體結構創造出了束筒結構、内筒結構、筒中筒結構等等一系列新型結構體系。

可以說是筒體結構造就了我們今天高樓林立的城市景觀。

摩天大樓如何克服自重

而除了在結構上解決了水準荷載以外,還有一個垂直荷載需要解決,也就是在重力作用下,樓體如何承受自身重量。

随着樓層越來越高,每一層的結構都要能承受它之上的所有樓層,是以一個堅實的地基非常重要。

人類建築高度的極限是多少?

許多摩天大樓會選擇建在基岩之上,也就是以基岩為地基,把鋼筋混凝土的基礎打在基岩上,這樣可以保障整個大樓的穩固。

但是基岩也不是随處可見,從地下數米到幾百米都有可能分布,那土木老哥不可能一個地基打幾百米,這不從摩天大樓改水井了嘛。是以還有一種比較常見的方式,就是利用摩擦力。

比如哈利法塔,迪拜當地的地質都是脆弱的砂岩,是以不可能直接錨固在上面。于是建築師用 192 根鋼筋混凝土制造的柱子,打入地下五十米。利用砂岩和地樁之間的摩擦力來穩固哈利法塔。

人類建築高度的極限是多少?

另外,高強度混凝土也是超高層建築承重的重要工具。混凝土一般從 C15-C80 分成 14 個強度等級,數字越大,抗壓強度就越高,普通住宅樓的混凝土标号在 C30-C50 之間,而哈利法塔這樣的建築,在 127 層以下全部使用了 C80 标号的混凝土,127 層以上用了 C60,它每平方米的混凝土就可以承受八千噸的壓力,差不多是 1185 根金箍棒的重量。

人類建築高度的極限是多少?

摩天大樓克服風荷載

還有個問題不知道大家注意到沒有,超高層的摩天大樓一般都長得奇形怪狀,很少有方方正正的造型。其實這些大樓的标志性外觀,第一要素都是抗風。

人類建築高度的極限是多少?

我們前面說過,樓層越高,側向風荷載越大,而在超高層建築上,風會引發一種特殊現象叫 “ 渦旋脫落 ”。

高層建築并不是完全剛性的,它本身也有一個固定頻率的振動。當風吹過建築物後,會在樓體後方産生渦流并且脫落,同時産生壓力差,渦流會交替産生低壓區,将建築吸過來,如此循環往複就讓高樓來回搖晃起來。當建築自身的固定頻率和渦流脫落的頻率相比對時,會産生一個劇烈的搖擺強度。

人類建築高度的極限是多少?

而人體對于加速度是格外敏感的,是以人會第一時間感受到樓房的晃動,産生惡心頭暈等類似暈車的效果。

要想解決這個問題,就不能隻靠結構硬抗了,還需要一些造型設計上的巧思。

比如把摩天大樓設計成圓角,大家應該經常能看到一些造型圓潤的大樓,比如這樣,這樣,還有這樣的。

人類建築高度的極限是多少?

或者用邊緣小切口來達到類似的效果,比如台北 101,建築師把最初設計的方角改成了鋸齒角,于是在風洞測試中就減少了 25% 的晃動。

還有一種方式是直接在建築頂端開個洞,讓風直接從最強的地方過去。最典型的是上海環球金融中心,還有沙特阿拉伯的王國中心,它們都是這麼幹的。

人類建築高度的極限是多少?

另外還有一些螺旋造型的大樓,比如上海中心大廈,廣州塔,瑞典的馬爾默螺旋中心大廈,它們靠螺旋造型改變了風的方向,讓風向上吹走。原理就和以前的汽車天線差不多。

人類建築高度的極限是多少?

除了這些造型上的設計,還有一個給樓體增加外設的方式,那就是調諧品質阻尼器,也叫 TMD 系統( Tuned Mass Damper ),一般會安裝在超過 300 米以上的建築上。

當大樓晃動時,這個懸挂在樓體内部的重物會通過擺動把能量傳遞給下方的阻尼杆,進而抵消風的影響,

有的大樓會用數噸重的防濺水箱,用水來回晃動來抵消大樓搖晃,廣州塔就是這麼幹的,建築師在 “ 小蠻腰 ” 裡裝了兩個各 540 噸容量的鐵質消防水箱,水箱平時當阻尼器用,一旦發生火災還能噴淋滅火。

人類建築高度的極限是多少?

另外就是鐘擺造型,台北 101 的熱門景點就是它的風阻尼器,甚至他們還給這玩意做了一套吉祥物。( C 位這個居然叫紅金寶。。。 )

人類建築高度的極限是多少?

上海中心大廈的 125 層有一個世界上最重的阻尼器,重達 1000 噸,這個風阻尼的單邊擺幅極限是 1 米,2019 年台風 “ 利奇馬 ” 登陸上海的時候,它的單邊擺幅超過 50 厘米,瞬時峰值甚至達到 70 厘米,創下了上海中心大廈啟用以來的最大紀錄。

為什麼現在大家,不熱衷建高樓了?

是以我們現在可以回答開頭的那個問題了,如果從現有的技術和材料層面來看,已經完全可以設計并建造出一千米以上的超高層建築了。

那為什麼還沒一個千米高樓出現呢?

原因很簡單,買地蓋樓太燒錢了,大家已經不熱衷蓋高樓了。

在一線城市裡,摩天大樓的空置率都不低。根據戴德梁行的資料,2023 年上半年,北上廣深的甲級寫字樓空置率分别為 16.9%、18.6%、18%、24.5%。一些二線城市的寫字樓空置率甚至達到了 40% 的高位。而今年美國的摩天大樓空置率也接近 19%,比疫情期間都要高 5%。

人類建築高度的極限是多少?

另外超高層建築的維護費也相當高昂。在 2001 年,上海金茂大廈每平方米的造價是 2 萬塊,而它每天的管理維護費就要 100 萬以上。光這個維護成本就已超過節約土地帶來的經濟價值。

除此以外,關于摩天大樓,還有一個非常著名的經濟概念 —— 摩天大樓指數( Skyscraper Index ),也叫 “ 勞倫斯魔咒 ” 。

1999 年,德意志銀行證券分析師 Andrew Lawrence 首次提出這個概念。他認為,經濟衰退或股市蕭條通常都會發生在全球最高摩天大樓建造前後。

人類建築高度的極限是多少?

因為這些超大型工程項目啟動時,就意味着當時有寬松的政策和對經濟過度樂觀的市場心态。而大樓接近竣工時,過度投資和投機的心态而引起的泡沫即将危及經濟,政府也會轉為緊縮政策應對。是以在某種程度上,摩天大樓反映了社會的經濟周期。

在十九世紀摩天大樓興起後,“ 勞倫斯魔咒 ” 起碼生效了十次。在近二十年裡,就發生過三次。1997 年,吉隆坡雙子塔完工,以 452 米的高度取代西爾斯大廈成為最高建築,同年亞洲金融危機爆發。台北 101 大樓始建于 1999 年,竣工于 2004 年,正好橫跨了整個網際網路泡沫期。2009 年底哈利法塔落成,又正好趕上次貸危機觸發的全球金融風暴。

當然,現在看來大部分摩天大樓指數的應驗都是事後諸葛亮,有點對号入座的意思,肯定擋不住大家對超高建築的熱捧。尤其在二三線城市,更容易陷入摩天大樓狂熱,這些城市會盲目建設高樓來展現自己的經濟實力。

是以在 2022 年 7 月,國家發改委頒布了《 “ 十四五 ” 新型城鎮化實施方案 》,明确提出,不得建立 500 米以上的建築,對建立 250 米以上的建築,也要進行嚴格限制。

人類建築高度的極限是多少?

這是自 2020 年以來,國家第四次提到 “ 限高 ” 的政策,也才算是給大陸的摩天大樓熱降了降溫。

最後說點:

有人說,摩天大樓是現代人的生殖崇拜圖騰,确實有一定的道理,當摩天大樓成為權利和财富的象征,一味的攀比高度時,除了炫耀,大樓本身再無更大意義。

人類建築高度的極限是多少?

在如今這個後工業化社會,建設摩天大樓很難直接作用于提高生活品質,甚至可能會有反作用。在遇到意外情況時,建築規模越大,安全性就越低,而控制建築規模是減少意外損失的重要方式。像 “ 9·11” 事件就讓人們重新認識了摩天大樓的安全性。

而對于人類社會健康發展而言,建築也并非越高越好,它存在的意義是讓人類生活的更好,人性化的設計才是建築需要考慮的首要标準。

那在今天的城市裡,還有多少大樓是真正為人而建的呢?

人類建築高度的極限是多少?

繼續閱讀