超高层建筑的物理极限

fengzhi2008

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。

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。

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。”