高楼，你的高度极限在哪里？
2016/7/15 17:00:00 中国科普博览

     古诗云：“西北有高楼，上与浮云齐。”在古人的想象中，与白云并肩，可以算是高楼的高度极限了。但从实际技术来看，从42米到381米再到828米，建筑的高度记录不断被刷新。建筑到底能建多高，极限在哪里？

     直到19世纪后半叶，人类才开始兴建能用作办公楼、酒店或住宅的现代化高层楼房。这是因为在18世纪之前，还不具备建造高层楼房所需的关键性要素：用钢制成的钢结构与电梯。

     1884年，世界第一座钢结构建筑完工

     在建造高层楼房时，高强度的建筑材料不可或缺，它不仅要承载建筑物自身的重量，还必须能抵抗风及地震所导致的摇晃。不过，在高韧度和高强度的钢结构发明之前，建筑物的柱和梁却只能用易脆的铸铁或易弯的木材来建造，因此无法建造高层楼房。

     1856年，钢的批量生产技术开发成功，开始广泛应用于桥梁、铁道及船舶等的建设。1884年，世界第一座使用了钢结构建筑的家庭保险大楼(Home Insurance Building)在美国芝加哥拔地而起，它高42米，最初为10层，后来进行过增建。

    

     ▲ 家庭保险大楼(Home Insurance Building)

     此外，还有一项因素制约着高层楼房的建造，这就是在建筑物内能够非常方便地上下移动的手段。1853年，世界上第一台设有防坠落装置的载货电梯问世。1857年，美国纽约的一家百货商场(Haughwout Building，高24米，5层)安装了世界首部客运电梯。

     就这样，钢结构与电梯的诞生引发了建造高层楼房的世界热潮。此外，另一个重要的建筑材料钢筋混凝土于1867年问世。

     帝国大厦1931年建成，在此后的41年时间里一直保持着世界第一高楼的称号

     钢结构问世后，用钢结构建造高层楼房的柱与梁开始成为主流。1894年，世界上第一座超过100米的超高层建筑曼哈顿人寿保险大楼(Manhattan Life Insurance Building，高106.1米，共计18层)在美国纽约完工。

    

     ▲ 曼哈顿人寿保险大楼(Manhattan Life Insurance Building)

     建筑学上把只由柱与梁构成的结构称为框架结构(rahmen)。rahmen一词来自德语，意思是“框架”。进入20世纪后，在钢骨的框架结构上，又加入了钢筋混凝土墙以进一步加固建筑物的“骨架”，所以，超高层大楼才得以迅速“长高”。

     1931年，著名的超高层建筑帝国大厦(Empire State Building)在美国纽约落成，它高381米，共有102层。帝国大厦采用了核心筒结构，即在钢骨的框架结构上加入了由钢筋混凝土墙构成的核心筒。自完工之日起，一直到1972年，帝国大厦都占据着世界第一高楼的桂冠。

    

     ▲ 帝国大厦(Empire State Building)

     筒体结构(tube structure)是一种新发明的结构，可以构建适合办公的更广阔的空间。筒体结构通过增加建筑物外围柱子的数量或者加粗柱子来撤除建筑物内部的柱子。1972年在美国纽约落成的世界贸易中心就采用了筒体结构。世界贸易中心高417米，共计110层，其建筑设计为山崎实(Minoru Yamazaki)，结构设计为Leslie E. Robertson Associates(LERA)，并一时取代帝国大厦成为世界第一高楼。

     由若干个筒体并列连接为整体的结构称为“束筒结构”(bundle tube)。1974落成的芝加哥西尔斯大厦(Sears Tower；后来更名为威尔斯大厦，Willis Tower)就采用了束筒结构，它高442.1米，共有108层，由SOM建筑设计事务所设计。直到1998年，西尔斯大厦都享有世界第一高楼的美誉。

     从技术上来说，建筑物的高度可以无限高

     2020年，超高层建筑的高度将突破1000米。我们不禁会问，超高层建筑最高能建多高？从理论上来说，如果把建筑物的地基建得山那么大，而且宽度不受限制的话，在技术上，建筑物的高度可以无限高。不过，大家或许会问，这究竟是怎么一回事呢？

     在建筑物的“骨架”中，越下面的楼层，其柱子与墙壁的荷载越大。为什么这么说呢？例如，有一座100层的超高层建筑，其1层的柱子和墙壁要承载2～100层的所有重量。因此，在超高层建筑的“骨架”中，越下面的楼层，其柱子与墙壁就必须越厚。所以，如果想把楼房建得更高，只要把下面楼层的柱子与墙壁建得又大又粗，足以承载增高部分的重量就行。

     不过，在实际建造中，柱子的粗细和墙壁的厚度并不能无限膨大，而是有极限的。这是因为建筑物的房间都是由柱子和墙壁搭建而成的。那么，如果想建造更高的超高层建筑的话，那该怎么办呢？只有一个办法，就是把建筑物的地基建得像山那么大那么广阔。总之，把建筑物的地基建得无限宽广，不断增大下面楼层柱子与墙壁的厚度，建筑物的高度就可以达到无限高。

     不过，最现实的问题是，到哪里去找如此宽广的土地呢？就算找到了足够宽广的土地，我们也很难无限加大建筑物的宽度，因为建筑物越庞大，建设费就越昂贵。

     一般来说，超高层建筑的投资人会在大楼完工后将房间出租，通过收取租金来收回投资。租金价格通常按照落成后30～40年收回投资的前提来设定。不过，如果大楼没有人气，无法招集到租客的话，将无法收回建设投资。所以，建设费昂贵的话，将来亏损的风险很大。

     1600～1700米是一个高度界限

     众所周知，建筑物的高度越高，每平方米的建设费就越大。建筑物变高后，电梯、供水管、排水管等所需的空间(四周明柱无墙的房屋)也会随之增多，这样一来，楼面面积将会变小。哈利法塔大约为3800美元/平方米，吉达塔大约为4200美元/平方米。由于那里人工费比较便宜，所以哈利法塔与吉达塔的建设费相对较低。总之，超高层建筑越高，经济性越差。

    

     ▲ 哈利法塔

    

     ▲ 吉达塔3D模型

     一般来说，建筑物的高度不大于其宽度的4倍的话，经济性则比较优良(哈利法塔大约为5.2倍，吉达塔约为7倍)。另外，如果建筑物的截面面积上下完全一样的话，从柱子与墙壁的强度来说，最大只能承受大约400米高的重量。基于上述因素，可以说，高400米、宽100米的超高层建筑的性价比最高。研究还认为，在无法扩大建筑物地基的前提下，1英里(大约1600米)是超高层建筑的一个高度界限。

     那么，为什么人们要拼命争夺世界第一高楼的称号呢？大概是因为高耸雄伟的巨大建筑可以成为权力、财富或宗教等的象征吧。老实说，超高层建筑并不是单纯追求实用性和经济性的建筑物。

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     来源：科学世界(ID：newtonkxsj)

    

    

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