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

而要想造一幢超高層摩天大樓，又需要解決什么問題？

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筑，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。

在哈利法塔建成之前，世界第一高樓的稱號經(jīng)常被打破，而且破紀(jì)錄的只能高出前者一點點。在這座迪拜塔建成后，卻比當(dāng)時世界第一高樓的臺北 101 要高出 60%，而這個記錄保持到現(xiàn)在還沒被打破。

所以，哈利法塔是人類的建筑高度的極限嗎？人類能不能造出超過 1 千米高度以上的建筑呢？

而要想造一幢超高層摩天大樓，又需要解決什么問題？

今天跟大家聊聊萬丈高樓如何平地而起。

摩天大樓的結(jié)構(gòu)  懸臂結(jié)構(gòu)的狂想   

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

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

“ 伊利諾伊 ” 據(jù)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。

所以賴特在發(fā)布會上端出這幅 7.6 米的設(shè)計圖時，就把現(xiàn)場的人嚇壞了。

在他的設(shè)計里，“ 伊利諾伊 ” 就像一棵有著四根樹杈的大樹。

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(jié)構(gòu)懸臂，樓板就架設(shè)在這些懸臂之上。

這樣的結(jié)構(gòu)在當(dāng)年看來無疑是一種狂想，所以當(dāng)時有不少人覺得賴特是老糊涂了，當(dāng)然 “ 伊利諾伊 ” 最后也并沒有建造。

但在 “ 伊利諾伊 ” 的結(jié)構(gòu)里，有一個十分重要的東西，它幾乎承載了 20 世紀(jì)六十年代之后，所有超高層建筑的設(shè)計核心，就是那個深深嵌入地下的核心筒。

摩天大樓的鋼結(jié)構(gòu)時期

十九世紀(jì)末，工業(yè)用鋼已經(jīng)非常普及，所以建筑也開始大量使用鋼材來減負(fù)，在省下石料的同時，還能減輕建筑的負(fù)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，雖然這棟大樓只有 10 層，42 米高，但卻是當(dāng)年最高的建筑之一，也是第一個用鋼結(jié)構(gòu)建造的大樓，它只有同體積石質(zhì)建筑的三分之一重量。

但鋼結(jié)構(gòu)建筑需要三個維度的鋼架，所以鋼材會占用很多內(nèi)部空間，樓體的空間利用率很低。

而且在大樓越蓋越高的時候，人們發(fā)現(xiàn)，鋼架建筑因為表面積大，密度低的原因，更容易受到風(fēng)力的影響。

簡體結(jié)構(gòu)時代

這時候，SOM 建筑設(shè)計事務(wù)所的建筑師法茲勒 · 汗想到，如果把鋼架建筑內(nèi)部的鋼梁網(wǎng)格替換成鋼筋和混凝土組成的外部承重，是不是就能提高建筑的抗風(fēng)能力呢？

而且外部的剪力墻和密集框架柱承擔(dān)了大部分負(fù)重，就可以移除空間內(nèi)部的支撐柱，節(jié)省出更多可利用的空間。

法茲勒把這種結(jié)構(gòu)命名為筒體結(jié)構(gòu)，它的最大特點就是在建筑內(nèi)部有一個核心筒，一般設(shè)計成電梯井、樓梯、通風(fēng)井等等，而周圍是封閉空間。

這種結(jié)構(gòu)在對抗側(cè)向風(fēng)荷載時非常有效，用人話說就是非?？癸L(fēng)。

在筒體結(jié)構(gòu)發(fā)明之后，幾乎所有的超高層建筑都采用了這種結(jié)構(gòu)，比如著名的紐約世界貿(mào)易中心雙子塔，上海環(huán)球金融中心等等，也包括同樣是 SOM 事務(wù)所設(shè)計的哈利法塔。

建筑師們也圍繞筒體結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出了束筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等等一系列新型結(jié)構(gòu)體系。

可以說是筒體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上解決了水平荷載以外，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。

隨著樓層越來越高，每一層的結(jié)構(gòu)都要能承受它之上的所有樓層，所以一個堅實的地基非常重要。

許多摩天大樓會選擇建在基巖之上，也就是以基巖為地基，把鋼筋混凝土的基礎(chǔ)打在基巖上，這樣可以保障整個大樓的穩(wěn)固。

但是基巖也不是隨處可見，從地下數(shù)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。所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(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)都是脆弱的砂巖，所以不可能直接錨固在上面。

于是建筑師用 192 根鋼筋混凝土制造的柱子，打入地下五十米，利用砂巖和地樁之間的摩擦力來穩(wěn)固哈利法塔。

另外，高強度混凝土也是超高層建筑承重的重要工具?；炷烈话銖?C15-C80 分成 14 個強度等級，數(shù)字越大，抗壓強度就越高，普通住宅樓的混凝土標(biāo)號在 C30-C50 之間。

哈利法塔這樣的建筑，在 127 層以下全部使用了 C80 標(biāo)號的混凝土，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。

摩天大樓克服風(fēng)荷載

還有個問題不知道大家注意到?jīng)]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。其實這些大樓的標(biāo)志性外觀，第一要素都是抗風(fēng)。

我們前面說過，樓層越高，側(cè)向風(fēng)荷載越大，而在超高層建筑上，風(fēng)會引發(fā)一種特殊現(xiàn)象叫 “ 渦旋脫落 ”。

高層建筑并不是完全剛性的，它本身也有一個固定頻率的振動。

當(dāng)風(fēng)吹過建筑物后，會在樓體后方產(chǎn)生渦流并且脫落，同時產(chǎn)生壓力差，渦流會交替產(chǎn)生低壓區(qū)，將建筑吸過來，如此循環(huán)往復(fù)就讓高樓來回?fù)u晃起來。

當(dāng)建筑自身的固定頻率和渦流脫落的頻率相匹配時，會產(chǎn)生一個劇烈的搖擺強度。

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

要想解決這個問題，就不能只靠結(jié)構(gòu)硬抗了，還需要一些造型設(shè)計上的巧思。

比如把摩天大樓設(shè)計成圓角，大家應(yīng)該經(jīng)常能看到一些造型圓潤的大樓，比如這樣，這樣，還有這樣的。

或者用邊緣小切口來達(dá)到類似的效果，比如臺北 101，建筑師把最初設(shè)計的方角改成了鋸齒角，于是在風(fēng)洞測試中就減少了 25% 的晃動。

還有一種方式是直接在建筑頂端開個洞，讓風(fēng)直接從最強的地方過去。最典型的是上海環(huán)球金融中心，還有沙特阿拉伯的王國中心，它們都是這么干的。

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(fēng)的方向，讓風(fēng)向上吹走。原理就和以前的汽車天線差不多。

除了這些造型上的設(shè)計，還有一個給樓體增加外設(shè)的方式，那就是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，也叫 TMD 系統(tǒng)（ Tuned Mass Damper ），一般會安裝在超過 300 米以上的建筑上。

當(dāng)大樓晃動時，這個懸掛在樓體內(nèi)部的重物會通過擺動把能量傳遞給下方的阻尼桿，進(jìn)而抵消風(fēng)的影響，

有的大樓會用數(shù)噸重的防濺水箱，用水來回晃動來抵消大樓搖晃，廣州塔就是這么干的，建筑師在 “ 小蠻腰 ” 里裝了兩個各 540 噸容量的鐵質(zhì)消防水箱，水箱平時當(dāng)阻尼器用，一旦發(fā)生火災(zāi)還能噴淋滅火。

另外就是鐘擺造型，臺北 101 的熱門景點就是它的風(fēng)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。。。 ）

上海中心大廈的 125 層有一個世界上最重的阻尼器，重達(dá) 1000 噸，這個風(fēng)阻尼的單邊擺幅極限是 1 米，2019 年臺風(fēng) “ 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(dá)到 70 厘米，創(chuàng)下了上海中心大廈啟用以來的最大紀(jì)錄。

為什么現(xiàn)在大家不熱衷建高樓了？

所以我們現(xiàn)在可以回答開頭的那個問題了，如果從現(xiàn)有的技術(shù)和材料層面來看，已經(jīng)完全可以設(shè)計并建造出一千米以上的超高層建筑了。

那為什么還沒一個千米高樓出現(xiàn)呢？

原因很簡單，買地蓋樓太燒錢了，大家已經(jīng)不熱衷蓋高樓了。

在一線城市里，摩天大樓的空置率都不低。

根據(jù)戴德梁行的數(shù)據(jù)，2023 年上半年，北上廣深的甲級寫字樓空置率分別為 16.9%、18.6%、18%、24.5%。一些二線城市的寫字樓空置率甚至達(dá)到了 40% 的高位。

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%。

另外超高層建筑的維護(hù)費也相當(dāng)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(hù)費就要 100 萬以上。光這個維護(hù)成本就已超過節(jié)約土地帶來的經(jīng)濟價值。

除此以外，關(guān)于摩天大樓，還有一個非常著名的經(jīng)濟概念 —— 摩天大樓指數(shù)（ 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(rèn)為，經(jīng)濟衰退或股市蕭條通常都會發(fā)生在全球最高摩天大樓建造前后。

因為這些超大型工程項目啟動時，就意味著當(dāng)時有寬松的政策和對經(jīng)濟過度樂觀的市場心態(tài)。而大樓接近竣工時，過度投資和投機的心態(tài)而引起的泡沫即將危及經(jīng)濟，政府也會轉(zhuǎn)為緊縮政策應(yīng)對。

所以在某種程度上，摩天大樓反映了社會的經(jīng)濟周期。

在十九世紀(jì)摩天大樓興起后，“ 勞倫斯魔咒 ” 起碼生效了十次。在近二十年里，就發(fā)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筑，同年亞洲金融危機爆發(fā)。

臺北 101 大樓始建于 1999 年，竣工于 2004 年，正好橫跨了整個互聯(lián)網(wǎng)泡沫期。

2009 年底哈利法塔落成，又正好趕上次貸危機觸發(fā)的全球金融風(fēng)暴。

當(dāng)然，現(xiàn)在看來大部分摩天大樓指數(shù)的應(yīng)驗都是事后諸葛亮，有點對號入座的意思，肯定擋不住大家對超高建筑的熱捧。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(shè)高樓來展現(xiàn)自己的經(jīng)濟實力。

所以在 2022 年 7 月，國家發(fā)改委頒布了《 “ 十四五 ” 新型城鎮(zhèn)化實施方案 》，明確提出，不得新建 500 米以上的建筑，對新建 250 米以上的建筑，也要進(jìn)行嚴(yán)格限制。

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

最后說點：

有人說，摩天大樓是現(xiàn)代人的生殖崇拜圖騰，確實有一定的道理，當(dāng)摩天大樓成為權(quán)利和財富的象征，一味的攀比高度時，除了炫耀，大樓本身再無更大意義。

在如今這個后工業(yè)化社會，建設(shè)摩天大樓很難直接作用于提高生活質(zhì)量，甚至可能會有反作用。在遇到意外情況時，建筑規(guī)模越大，安全性就越低，而控制建筑規(guī)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(rèn)識了摩天大樓的安全性。

而對于人類社會健康發(fā)展而言，建筑也并非越高越好，它存在的意義是讓人類生活的更好，人性化的設(shè)計才是建筑需要考慮的首要標(biāo)準(zhǔn)。

那在今天的城市里，還有多少大樓是真正為人而建的呢？