
沙特王國高樓效果圖
人類建造超高樓的歷史,可以追溯到1909年,美國紐約大都會人壽保險大樓主體50層,樓高213.4米,成為人類歷史上第一座200米以上的大樓。之后,這個紀錄一次又一次被打破。數字也從200米攀升至千米。
2月27日,英國《每日郵報》報道,沙特阿拉伯將建造一棟高達3000英尺(914米)的未來摩天大樓。這棟名為王國高樓的建筑將在吉達建造,但目前仍存在很多需要克服的巨大挑戰,包括如何建造高聳入云的電梯和減少整體的重量。
報道稱,研發者已經證實高級建造科技服務公司(ACTS)已經開始調查建造這棟摩天大樓所需要的材料。據稱需要100萬立方米的混凝土和8萬噸的鋼鐵。這棟建筑將成為王國城市的中心裝飾品,它將有200層樓,其中160層可用于居住,預計花費12.3億美元,它將比迪拜的哈利法塔高173米。
但是,對于超高建筑,總有人抱著質疑的態度。就在2012年,我國湖南省長沙市還計劃建造一座名叫“天空之城”的超高建筑,計劃高度為838米。可惜的是,就在宣布建造一個月之后,這座超高樓就因為沒有完成相關法定的報建手續,被有關部門叫停。曾有媒體稱,被叫停并不僅是因為這個原因,事實上,“天空之城”自醞釀階段就爭議不斷。安全性與否、資金是否充裕、周邊配套等都讓“天空之城”陷入輿論的漩渦。
為何各地爭先恐后地建造世界第一高?如此超高的建筑,又有哪些建筑難點?
超高層建筑設計有要求
要了解超高建筑,首先要明確超高建筑的概念。1972年8月,在美國賓夕法尼亞州的伯利恒市召開的國際高層建筑會議上,專門討論并提出高層建筑的分類和定義,規定40層以上(高度100米以上)的為超高層建筑。
當樓層高度超過一定極限時,要解決的問題就比普通住宅多,首當其沖的就是建筑材料。中國工程院院士、東方明珠塔總負責人江歡成在接受《中國科學報》記者采訪時表示:“隨著建筑材料的不斷進化,建筑的高度已經不是技術難題。不用說沙特正在建的接近1000米高度的建筑,就算是3000米高的建筑也不是沒有實現的可能。”
現代超高建筑往往選擇鋼材作為主材料,這是因為鋼材本身強度高、自重輕、剛度大,而且材料勻質性和各向同性好,屬理想彈性體,最符合一般工程力學的基本假定。再加上其材料塑性、韌性好,可有較大變形,能很好地承受動力荷載。因此,鋼材成為超高建筑的首選。
若想建高樓,地基也是重中之重,因此超高建筑的地基比普通建筑要求更高。江歡成進一步解釋說,超高層建筑的高度和地基的寬度有恰當的比例要求,只有達到一定面積,其單位面積的負荷才能被分散,不至于承載過重的壓力。
而外部結構卻只是對超高建筑考驗的第一步。清華大學土木工程系教授錢稼茹在接受《中國科學報》記者采訪時表示,超高建筑,抗風的難度極大,難點在于獲得符合實際的風荷載,結構如何滿足規范規定的舒適度要求,以及保證設備(如電梯)的正常運行。一般來說,在正常風壓狀態下,如果距地面高度為10米處風速是5米/秒,那么在90米的高空,風速就可達到15米/秒,不難看出,風速與高度成正比。因此當超高建筑遭遇強風,那么其如何化解?
對此,江歡成告訴《中國科學報》記者,高層側風對于超高建筑確實是個難題,但是因為現在鋼材質量越來越好,而且具有一定的延展性,因此超高層建筑可以通過隨風輕微擺動化解風力。“住在超高層建筑中的住戶,并不會因為大樓的輕微擺動感到不舒服。因為讓人感覺眩暈的不是擺動幅度,而是擺動速度的加速度。”江歡成說,“至于擺動角度,這些都會在設計之初就被考慮進去。”至于現代建筑中應用最廣的玻璃外墻結構,江歡成則表示不會對超高建筑產生威脅,因為墻體與玻璃之間可以留出縫隙,為層間結構變形留出余地。