什么定义摩天大楼？建筑师T.J.戈特斯迪纳的洞见

背景

关于多少层、多高算摩天大楼，没有精确定义。“我不认为取决于楼层数，而在于态度，”建筑师T.J.戈特斯迪纳对《基督教科学箴言报》表示。作为SOM合伙人、芝加哥西尔斯大厦设计团队核心，他继续说：“什么是摩天大楼？任何让你驻足、仰头、伸长脖子仰望的建筑。”

有人以≥20层为界，有人坚持≥50层。但广泛共识是≥100层算摩天大楼。帝国大厦102层，占用高度1224英尺（373米），尖顶再增230英尺（70米）。全球仅25座建筑含尖顶超1000英尺（300米），不含天线。最高独立结构为多伦多CN塔，1815英尺（553米），为电视天线建造，除1100英尺（335米）餐厅观景台外非人居设计。最高有人居住建筑为吉隆坡双子塔，含尖顶1483英尺（452米）。芝加哥西尔斯大厦拥有最高有人楼层：110层屋顶1453英尺（443米）。

超高层某种程度上不经济：建两栋半高楼比一栋超高楼便宜。开发商须在单一地块招租巨量空间，如西尔斯大厦可租面积450万平方英尺（41.5万平方米）。但寸土寸金城市须极致利用土地。建设超高层决策通常非经济考量，而是追逐关注与声望。

历史

19世纪末多项技术突破汇聚使摩天大楼成为可能：批量生产钢材、安全高效电梯发明、结构荷载应力测算技术改进。1920-30年代电弧焊与荧光灯发明进一步推动——明亮冷光让人远离窗口作业成为可能。

传统建筑靠墙体承重，越高墙体越厚。1891年芝加哥16层楼底部墙厚6英尺（1.8米）。钢框架结构发明打破此限：刚性钢骨架承重，外墙如帷幕悬挂于框架。首座采用此设计的建筑为1885年芝加哥10层住宅保险大楼。

792英尺（242米）伍尔沃斯大楼1913年纽约落成，首次集齐真正摩天大楼要素：钢骨架立于延伸基岩（支撑建筑的坚硬岩层）的混凝土桩基础上，框架抗风加劲，高速电梯提供直达/区间双模服务60层。

1931年帝国大厦如1250英尺（381米）惊叹号拔地而起，蝉联世界最高办公楼41年。至2000年全球仅六楼超越其高。

原材料

钢筋混凝土是摩天大楼重要材料。由混凝土（水、水泥、砂石骨料）浇筑钢筋网（钢筋）制成，增强抗风弯曲抗力。混凝土抗压本强，但双子塔巨大投影重量倒逼设计师指定新型混凝土——强度超常规两倍以上。通过掺入超细颗粒实现：微粒巨大比表面积产生更强结合力。

另一核心原料为钢——铁碳合金。周边建筑限制施工空间与物料堆场，钢梁按规格按需即时送达。出厂前涂抹石膏与蛭石（热膨胀云母成海绵状颗粒）混合涂层防腐防火。焊接后焊缝喷涂同款涂层。外包玻璃纤维裹铝箔等额外隔热层可选。

为发挥混凝土与钢各自优势，常组合应用。如支撑柱以混凝土包裹钢梁。

包裹框架的外墙材料称“幕墙”：玻璃、铝/不锈钢等金属、花岗岩/大理石/石灰岩等石材均可。

设计

设计工程师将建筑师愿景转化为结构合理、可施工的详细方案。

低层建筑设计核心为自重（恒载）与人员家具荷载（活载）。摩天大楼则风侧向力影响远超自重与内容物重量。设计师须保证：不被强风推倒，且摆动幅度不造成人员身心不适。

每座摩天大楼设计独一无二。主要结构体系可单用或组合：隐藏于非承重幕墙后的钢骨架、灌注幕墙板的钢筋混凝土骨架、容纳电梯井与机电设备的巨型中央混凝土核心筒（开敞柱）、周边阵列支撑柱经水平梁互联并连核心筒。

因创新性，超高层方案须风洞实验：测高风对建筑本体及周边建筑风场的影响。若测试显示强风下摆动过大， 摩天大楼底层设计与框架示例. 设计师可增设机械阻尼装置抑制/限制摆动。

除超结构，还须规划电梯快速舒适输送、空气循环、给排水等机电系统。

施工流程

每座摩天大楼为独特结构，顺应地质气候物理约束，满足租户需求，实现业主与建筑师美学目标。施工流程亦各异。下述步骤勾勒通用技术脉络。

地下结构

• 1 通常从挖基坑开始。深度取决于基岩埋深与地下室层数。为防周边土体位移、隔绝地下水，可先筑地下连续墙（地下连续墙）。开挖深窄槽环绕基坑周边，随挖注浆（水泥浆）护壁防坍。槽段达设计深度，降入钢筋笼，泵送混凝土置换浆液。浆液回收循环利用。
• 2 基岩浅埋时，清理基岩表面风化层形成平整台地。基岩钻/爆锚固孔（基座），植入钢筋混凝土柱或钢柱。
• 3 基岩极深时，打桩（竖向桩）穿透土层锚入基岩。一法：重锤反复打击打入钢管桩。另一法：钻孔灌注桩——钻穿土层入基岩，放钢筋笼灌注混凝土。

  A. 地下连续墙. B. 基座. C. 钢管桩锚固基础. D. 滑模法浇筑混凝土.

• 4 支撑柱顶浇筑钢筋混凝土基础平台。

上部结构与核心筒

施工启动后多工序并行。如支撑柱达数层高，低区楼板同步开工。柱向上生长，楼板班组跟进上移，装修班组介入低区。重叠施工不仅效率最高，亦保障建造期结构稳定。

• 5 钢柱与十字支撑用钢结构时，吊车就位吊装钢梁。初期吊车地面作业，后可移至钢骨架最高层作业。熟练工螺栓/焊接固定梁端（铆钉1950年代后弃用）。梁体裹保温外套防火弱化。替代防火措施：钢梁用空心管，竣工后注水循环贯穿建筑全寿命周期。
• 6 核心筒常用混凝土，支撑柱亦可用混凝土。“滑模法”常用：设计形状木模挂钢架，钢架接攀爬千斤顶咬合竖向钢筋。工人预制超模高钢筋段，开始浇筑。随浇筑千斤顶缓慢连续提升模架。配合比与爬升速率协调，使模下部混凝土凝固后模架再升出。过程持续中，工人延伸模架上方钢筋网、延长千斤顶咬合钢筋。由此整根混凝土柱作为连续竖向构件无施工缝建成。
• 7 钢骨架建筑楼板建于水平支撑层。其他体系楼板由连接核心筒/支撑柱的水平钢梁承载。薄波纹钢压型板铺设焊接，浇筑2-4英寸（5-10厘米）混凝土面层成楼板。

帝国大厦.

帝国大厦旨终结最高楼竞赛。102层，1250英尺（381米）凌驾曼哈顿街巷。开发商约翰·J·拉斯科布、皮埃尔·杜邦、前纽约州长阿尔弗雷德·E·史密斯1929年8月宣布建世界最高楼。选施工方斯塔雷特兄弟埃肯，建筑事务所施里夫、兰姆、哈蒙，威廉·F·兰姆任总设计师。5层以上退台，随后不间断冲刺超1000英尺（305米）至86层。外立面石灰岩花岗岩，六层至顶垂直铬镍钢合金柱。67部电梯、6500扇玻璃窗，顶部200英尺（61米）系留桅杆供飞艇停泊。

1931年4月11日提前12天完工，5月1日正式开放。史上最高建筑纪录保持40余年。1972年世贸双塔（1348英尺/411米）完工超越。1974年芝加哥西尔斯大厦（1453英尺/443米）再夺桂冠。

外立面

• 8 大多数高楼结构自重与内容荷载由支撑柱与核心筒承担。外墙仅围护。将玻璃、金属、石材板块连接框架构建。常用做法：螺栓固定于楼板或支撑柱预埋角码。

精装修

• 9 单层被外墙围合后进入内装：强弱电管线、给排水管、内隔墙、吊顶、卫浴洁具、灯具、消防喷淋。机电设备：电梯、空调通风、供暖系统安装。
• 10 全上部结构封顶后安装屋面。类似楼板施工后铺设橡胶/塑料防水层，再覆装饰性耐候瓦/金属面层。

质量控制

质控考量多维因素。摩天大楼规模巨大，基础微小定位误差放大至屋顶显著。除常规测量仪器，GPS传感器、飞机照准瞄准具等非常规手段用于验证结构件定位与对齐。

场地土体传感器监测施工引起的非预期地基位移。

副产品/废料

基坑与地下室开挖产生海量弃方。1970年代初纽约建世贸双塔（110层），挖出超100万立方码（76.5万立方米）土石倾倒哈德逊河，造陆23.5英亩（9.51万平方米），后建另一摩天大楼。

未来展望

多项打破高度纪录的新摩天大楼规划已就绪。如芝加哥南迪尔伯恩街7号108层、1550英尺（473米）项目，预计2004年完工，仅200英尺（61米）见方地块容纳43英亩（17.4万平方米）建筑面积。

1956年弗兰克·劳埃德·莱特构想1英里（1.6公里）高楼容纳10万人办公。1991年尤金·崔博士设计2英里（3220米）超高层，承载100万人居住工作娱乐。理论可建但当前不切实际。如电梯舒适度限速≤3000英尺/分（915米/分），莱特方案10万人所需电梯井面积过大。

电梯技术突破将是未来摩天大楼关键。无绳自驱电梯横向+纵向移动仍在研发。模糊逻辑智能调度系统可按目的地聚类乘客提升效率。