@ 2013.11.03 , 00:28

超高层建筑的物理极限

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美国最高的建筑真的是世贸中心一号楼的1776英尺(609.6米)高吗?设计师们只要再等上几周就能知道答案了。理论上,世贸中心1号楼已经达到了这个高度,但是其中408英尺(102.4米)是塔尖,这部分显然不能划归为建筑部分。不过,算还是不算,还要看CTBUH(高层建筑与城市住宅委员会)这家高层建筑裁定机构所做的裁定。

如果把1号楼的塔尖部分视作天线而非建筑本身,那么世贸1号楼将成为全北美第三高,仅次于芝加哥的威利斯塔和芝加哥特朗普国际大厦酒店。好吧,就算这样,1号楼还是忒你妹高了——1368英尺(417米),这个高度还没算塔尖。美国人又给恐怖分子修了个固定靶,嗯?

无论1号楼的高度是417米还是609.6米,威利斯塔的实际高度都要比1号楼更高:假设有两个人各自爬上这两栋建筑的最高层,那么在威利斯塔里的人会比世贸1号楼的人高出83英尺(25.3米)。看到这里你以为这两栋建筑就已经很逆天了么?瞧瞧中东和亚洲吧,已建成的、在建的、规划中的都可以轻松秒掉北美的高楼。摩天大楼的极限在哪里?可以建造出一英里(约合1609米)高的建筑么?比喜马拉雅山还高的呢?我们来看看物理是如何解答的。

防风安全和地震安全

全球建筑目前的最高纪录是位于迪拜的哈利法塔,高度828米,遥遥领先于第二名的苏丹麦加皇家钟塔饭店,两者相差227米。要建造如此高的大楼,需要采用一种全新的构造设计,称之为“扶壁核心”。这种概念有点类似三脚架或者三足鼎,由三条足支撑中心核心,建筑物的大部分支撑由中心核心完成。每条足都会挤压另外两足,哈里发塔的稳固与其说是依靠超强钢结构和混凝土,不如说是采用了这种新式设计。

不过在某种意义上来说,即便采用了这种设计优势,太高的建筑所需要的钢材势必会更重,因此越高的地方,建筑物势必越瘦窄。这样做也是出于防风的考虑。哈利法塔的楼层高度错落不一,各个顶端部分也不在一个水平面,正是这样的设计减轻了阵风的威胁,同时也避免了高楼旋风的形成。

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保护超高建筑的另一大难题是抗震。为研究建筑物在地震中的运动模式,建筑师们通过将微缩建筑模型置于风洞和震动平台,来观察混凝土在震动中是如何变形。超高建筑必须能挺过特定震级下的地面晃动,这取决于建筑物的抗震需求。今年早些时候,中国的研究人员在《建筑钢材研究杂志》发表了他们的研究结果。这些中国研究者用计算机模拟了超强地震中超高建筑的晃动,结果是大楼就像煎饼做的一样晃动,最后倒塌。然而,研究者也指出,这种剧烈的强震几乎不可能发生。

2012年秋天,CTBUH委员会询问了一部分精英建筑设计师目前建造1公里甚至1英里高的建筑最大的难关,Sauerbruch Hutton 事务所的Matthias Sauerbruch表示:“人们的创意和想象力是最大的难题,无论是工程师、设计师还是客户都会想方设法造更高的大楼。”排开这种对超高大楼的热衷,目前超高建筑的主要难题还是取决于人们能爬多高。

电梯能修多高

把人运到高出可能是超高建筑遇到的最大难题。目前最强悍的哈里发塔电梯可以爬升到504米高度,要想登顶的话就要再做另一部电梯。速度也是个麻烦事,目前世界最快的电梯位于台北101大厦,从5楼直达89楼的室内观景台只需37秒,最高时速每分钟1010米。下降速度还只能保持在这个速度的2/3。如果不考虑乘客对压力变化的承受能力,技术上我们还能升降地更快。也就是说,要想造一栋1英里高的建筑不是什么难事,只不过你得坐很久很久很久的电梯然后换很多很多很多次电梯。

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理论上,建筑越高底层需要的面积就越大。想像一下,从家坐地铁到上班的大楼,下地铁后还要换车或建筑内部地铁。超大型建筑的规划类似于全封闭垂直建造的城市——工作区、生活区、购物区、娱乐区还有其他的功能区域。如果真是这样,交通反而变成了超高超大建筑面临的最大问题。

当然建筑师们也可以采取埃菲尔铁塔所采用的镂空底座。也可以把超高建筑建造在其他小型建筑之上。否则无论是占地面积还是浇灌难度,都会让建造超高建筑看起来那么奇幻。

什么是高度

与世贸一号楼一样,绝大多超高建筑实际上没有看起来那么高,大多数建筑的最高登顶高度和塔尖顶部都差一定的高度(通常这个数字都还不小)。CTBUH将这一现象称为“消弭高度”,与20实际70年代中叶修建的大楼相比,消弭高度增长了400%左右。

如果排除消弭高度,72栋世界超高建筑中的44栋(61%)其实都没有达到300米高,从而退出超高建筑排名。

未来的建筑要达到1英里这个高度,很可能采取类似的构造,这也包括规划中的吉达王国塔。某些设计师也指出,要建造一英里以上的高楼,甚至比山还高的大楼也不是不可能。如果这些大楼真的建造出来,那么就要保证建筑里人们的健康、安全和舒适,同时弥补高层建筑气压低和缺氧的问题。

Sauerbruch说:“建筑的高度没有理论极限,是否需要建造超高建筑就是另一个问题了。”

本文译自 DVICE,由译者 王大发财 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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