为什么高层建筑能越造越高

一百多年前,美国芝加哥出现了一座10层楼高的住宅保险公司大楼。谁能想到,这座今天看来是微不足道的楼房,竟是当今城市高层建筑的第一标志。一个世纪以后的今天,全世界50层以上的摩天楼已经超过200座。目前世界第一高楼的桂冠落在美国芝加哥443米高、110层的西尔斯塔楼身上,亚军是美国纽约的世界贸易中心,楼高417米,110层。这两座高度均超过400米的摩天大楼的建成,充分显示了当今世界高层建筑技术的新水平。但是,世界—些有名的高层建筑专家,根据最新发展的建筑结构力学、建筑材料科学以及机电设备的已有水平,认为摩天大楼的高度还可以提高,楼层还能增加。据报道,目前已经至少有6座被称为超级摩天大楼的设计方案正在进行,其中由著名建筑师维斯和桑顿设计的467米高、135层的纽约市哥伦布圆形大楼和914米高、210层的芝加哥国际贸易中心大楼等两项超级工程,已经破土动工,从而拉开了兴建世界超级摩天大楼比赛的序幕。


建造高层建筑,最重要的一条是楼体的稳定性。很难设想高楼一旦坍塌,将会造成什么样的严重后果。而楼体的稳定性与楼底基础的大小和深浅有密切关系。从理论上讲,不要担心楼层能造多高,只要有足够的时间、足够坚韧的材料,把基础做得足够大、足够深,一层一层造上去,再高的高层建筑也造得起来。据测算,楼体高度和它的基底宽度的比率越小,大楼的稳定性越大。在建筑学上,这个比率称为“高宽比”。一般高层建筑的高宽比都是6:1到8:1。而现在建造超级摩天大楼就不得不突破这个高宽比的限制。因为大城市的地价昂贵,房屋密集,为了充分发挥土地单位面积利用率,只能占天不占地,采取多加楼层的办法,这就是人们设计建造高层建筑摩天楼的由来。然而在这种远离安全系数的超高宽比的条件下,要保证超级摩天楼绝对的稳定性,不采用新技术,仍然墨守陈规的话,超级摩天楼是造不起来的。

建筑师敢于设计一二百层的超级摩天大楼,土木工程师敢于承担建造这样的摩天大楼,在于他们手中掌握的两大绝招:超高强度钢骨架结构系统和超高强度复合墙体材料。

高层建筑传统的结构是在基础上一层层竖起钢质框架,再用钢筋混凝土预制板、钢板或者钢化玻璃幕墙系连在框架上作为墙体。这种结构用在高宽比特大的超级摩天楼上,不论强度或硬度都显得不够。比较理想的结构是管状构架,就是将一根根钢管像柱子一样,紧凑地围成楼体的外墙框架。整体看起来,好像是一个中心的竖井。这种管状构架的优异之处是可以把建筑物的重量和应力移到四周外墙管柱上,能够承受楼体的垂直重力和由大风、地震产生的水平推力。另外还有一种称为外部桁梁骨架的结构系统。

楼越高,风对楼体的横向推力也越大。摩天楼高层部分受的风力比低层部分要高几倍,风的冲击力是根据建筑物的高度呈几何级数增加,譬如,高100层的高楼顶部受风的冲击力是高50层大楼的4倍。所以必须考虑增加大楼墙体材料的硬度,使它有较强的抗弯曲性能。如果用增加墙体厚度的办法来提高硬度,那是得不偿失的。新的办法是将一种弹性极大的轻质塑性材料夹在两块薄钢板中间,加压成为整体复合板材。采用这种既轻又硬又具韧性的新材料作为墙体,摩天大楼就具备了非常良好的抗弯曲和减震能力,减少顶部的晃动幅度,使建筑物坚如磐石。


美国一位天才建筑师弗·罗·赖特在设计超级摩天楼方面,具有比别人更大胆的想象力和勇敢的挑战性。他甚至认为芝加哥国际贸易中心只设计210层、914米高是保守的表现,没有充分发挥建筑科学的全部潜力。他提出的一项设计是要在芝加哥建一幢528层、1609米高的摩天楼。这座巨厦落成后,有效居住面积有170万平方米,可以容纳13万人居住。像这样高的“庞然巨楼”还不是摩天楼的绝对高度,英国工程师威廉斯•弗里施曼又提出一座3200米高的,叫做“塔城”的设计方案,它有850层,可住50万人,这样一座房屋,就相当于一个中等城市。人们认为,只要这些超级摩天楼能完善解决居住方便的问题,那么,它们一定会屹立在人们的眼前,因为,建筑科学的发展也像其他一切科学技术一样是永无止境的。