摩天大楼

背景

对于多少层或多少高度使建筑物成为摩天大楼，没有准确的定义。 “我不认为你有多少楼层。我认为这是态度，”建筑师 T. J. Gottesdiener 告诉 基督教科学箴言报。 Gottesdiener 是 Skidmore, Owings &Merrill 公司的合伙人，他设计了包括伊利诺伊州芝加哥西尔斯大厦在内的众多高层建筑，他继续说道：“什么是摩天大楼？它是任何让你停下来、站起来、把脖子向后仰的东西，抬头看。”

一些观察家将“摩天大楼”一词应用于至少 20 层的建筑物。其他人保留至少 50 层结构的术语。但人们普遍认为，摩天大楼适合 100 层或更多层的建筑物。在 102 层楼，纽约帝国大厦的占用高度达到 1,224 英尺（373 米），其尖顶（建筑物屋顶顶部的锥形部分）又上升了 230 英尺（70 米）。世界上只有 25 座建筑物的高度超过 1,000 英尺（300 米），计算它们的尖顶，但不包括上升到它们上方的天线。

世界上最高的独立式建筑是加拿大多伦多的加拿大国家电视塔，它高达 1,815 英尺（553 米）；该塔用于支撑电视天线，但并非为人类居住而设计，除了位于 1,100 英尺（335 m）的餐厅和观景台。世界上最高的有人居住的建筑物是马来西亚吉隆坡的双子塔，包括尖顶在内，高达 1,483 英尺（452 米）。芝加哥的西尔斯大厦拥有最高的入住率；其第 110 层楼的屋顶高 1,453 英尺（443 米）。

在某些方面，超高层建筑并不实用。建造两座半高的建筑物比建造一座非常高的建筑物便宜。开发商必须在一处寻找大量空间的租户；例如，西尔斯大厦占地 450 万平方英尺（415,000 平方米）。另一方面，拥挤城市的开发商必须尽可能充分利用有限的可用土地。尽管如此，建造一座非常高的建筑的决定通常不是基于经济，而是基于吸引注意力和获得声望的愿望。

历史

19 世纪后期发生的几项技术进步使摩天大楼的设计和建造成为可能。其中包括批量生产钢材的能力、安全高效的电梯的发明以及用于测量和分析结构载荷和应力的改进技术的开发。在 1920 年代和 1930 年代，电弧焊和荧光灯泡的发明进一步推动了摩天大楼的发展（它们的明亮光线使人们可以在离窗户更远的地方工作，并且产生的热量比白炽灯泡少）。

传统上，建筑物的墙壁支撑结构；结构越高，墙就必须越厚。 1891 年在芝加哥建造的 16 层建筑的底部有 6 英尺（1.8 m）厚的墙壁。钢框架结构的发明消除了对非常厚的墙壁的需求，其中刚性钢骨架支撑建筑物的重量，外墙几乎像窗帘一样悬挂在框架上。第一个使用这种设计的建筑是 1885 年在芝加哥建造的 10 层家庭保险公司大楼。

1913 年在纽约市建造的 792 英尺（242 米）高的伍尔沃斯大厦首先结合了真正摩天大楼的所有组成部分。它的钢骨架从一个由混凝土柱支撑的地基升起，柱子一直延伸到基岩（一层坚固的岩石足以支撑建筑物），它的框架被支撑以抵抗预期的风力，它的高速电梯提供了本地和快递服务到其 60 层楼。

1931 年，帝国大厦在纽约市拔地而起，就像一个 1,250 英尺（381 米）的感叹号。它将保持世界上最高的办公楼 41 年。到 2000 年，世界上只有 6 座建筑物超过了它的高度。

原材料

钢筋混凝土是摩天大楼的重要组成部分之一。它由浇筑在钢筋（称为钢筋）网格周围的混凝土（水、水泥粉和由砾石或沙子组成的骨料的混合物）组成，钢筋将加强干燥的混凝土，防止风引起的弯曲运动。混凝土在压缩力下具有固有的强度；然而，双子塔的巨大预计重量促使设计师指定一种新型混凝土，其强度是平时的两倍多。这种高强度材料是通过在通常的混凝土成分中添加非常细的颗粒来实现的；这些微小颗粒增加的表面积产生了更强的结合。

摩天大楼建设的另一种主要原材料是钢，它是铁和碳的合金。附近的建筑物通常会限制可用于建筑活动和供应存储的空间量，因此指定尺寸和形状的钢梁会在需要放置时交付到现场。交付前，梁上涂有石膏和蛭石的混合物 （已热膨胀形成海绵状颗粒的云母）以保护它们免受腐蚀和高温。每根梁焊接到位后，新的接头都喷上相同的涂层材料。然后可以在横梁周围包裹一层额外的绝缘材料，例如覆盖有铝箔的玻璃纤维棉。

为了最大限度地发挥混凝土和钢材的最佳品质，它们经常在摩天大楼建设中一起使用。例如，可以通过在钢梁周围浇筑混凝土来形成支撑柱。

多种材料用于覆盖摩天大楼的框架。被称为“包层”的外墙板可能由玻璃、金属（如铝或不锈钢）或砖石材料（如花岗岩、大理石或石灰石）组成。

设计

设计工程师将建筑师对建筑物的愿景转化为结构合理且可建造的详细计划。

设计一个低层建筑涉及创建一个结构来支撑其自身重量（称为恒载）以及它将包含的人员和家具的重量（活载）。对于摩天大楼，风的侧向力比建筑物及其内容物的重量对结构的影响更大。设计师必须确保建筑物不会被强风吹倒，也不会摇晃到足以引起居住者身体或情绪不适的程度。

每座摩天大楼的设计都是独一无二的。可单独使用或组合使用的主要结构元素包括隐藏在非承重幕墙后面的钢骨架、填充有覆面板以形成外墙的钢筋混凝土骨架、中央混凝土核心（开柱） ) 大到足以容纳电梯井和其他机械部件，以及围绕建筑物周边的一系列支撑柱，这些支撑柱通过水平梁相互连接并连接到核心。

由于每一种设计都是创新的，拟建超高层建筑的模型在风洞中进行测试，以确定大风对其的影响，以及新建筑引起的风模式对周围建筑的影响。如果测试表明建筑物会在强风中过度摇晃， 摩天大楼底层设计和 6uilding 框架的示例。设计师可能会添加抵消或限制运动的机械装置。

除了上部结构，设计师还必须规划合适的机械系统，例如快速舒适地移动人员的电梯、空气循环系统和管道。

施工过程

每座摩天大楼都是独特的结构，旨在符合地质和气候等因素施加的物理约束，满足租户的需求，并满足业主和建筑师的审美目标。每栋建筑的建造过程也是独一无二的。以下步骤给出了最常见的构建技术的一般概念。

子结构

• 1 施工通常从挖一个用来支撑地基的坑开始。坑的深度取决于基岩下的深度以及建筑物的地下室层数。为防止周围土壤移动并防止基址周围的水进入，可在开挖坑之前建造连续墙。这是通过在计划坑的周边挖一条又深又窄的沟渠来完成的；挖沟时，它会填充泥浆（含水粘土）以防止其墙壁倒塌。当一段沟渠达到所需深度时，钢筋笼子就会降入其中。然后将混凝土泵入沟槽，取代较轻的泥浆。浆液被回收并再次用于沟槽的其他部分。
• 2 在某些情况下，基岩靠近地表。去除基岩顶部的土壤，去除足够多的基岩表面，形成一个光滑、水平的平台，在其上建造建筑物的地基。在基岩中爆破或钻孔基础（建筑物的支撑柱可以锚定到其中的孔）。钢或钢筋混凝土柱放置在基础上。
• 3 如果基岩很深，桩（垂直梁）会穿过土壤下沉，直到它们嵌入基岩中。一种技术是通过反复将重物压在钢桩顶部，将钢桩打入位。另一种技术包括在土壤中钻孔并进入基岩，插入钢筋，然后用混凝土填充竖井。

  A. 隔膜墙。 B. 立足点。 C. 摩天大楼的一种地基使用钢桩将地基固定在地面上。 D.浇筑混凝土的滑模法。

• 4 在支撑柱顶部浇筑钢筋混凝土基础平台。

上层建筑和核心

一旦摩天大楼的建设正在进行中，结构的几个阶段的工作就会同时进行。例如，当支撑柱有几层楼高时，工人开始为较低的楼层建造楼层。随着柱子越来越高，地板工人也会搬到更高的楼层，而装修工人则开始在最低层工作。重叠这些阶段不仅可以最有效地利用时间，还可以确保结构在施工期间保持稳定。

• 5 如果建筑物中使用钢柱和交叉支撑，则每根梁都由起重机吊装到位。最初，起重机坐在地上；稍后它可能会被定位在钢骨架本身的最高现有水平上。熟练的工人将梁的末端用螺栓固定或焊接到位（自 1950 年代以来就没有使用过铆钉）。然后用绝缘护套包裹横梁，以防止其过热并在发生火灾时减弱。作为一些建筑物的替代热保护措施，钢梁由空心管组成；上层建筑完工后，管道中充满了水，水在建筑物的整个生命周期中不断循环。
• 6 混凝土通常用于构建建筑物的核心，也可用于构建支撑柱。通常使用一种称为“滑移成型”的技术。所需形状的木制模型连接到钢框架上，该框架连接到抓握垂直杆的攀爬千斤顶。工人们准备一段比木模高的钢筋。然后他们开始将混凝土倒入模板中。随着混凝土浇筑，爬升千斤顶缓慢而连续地升高模板。混凝土混合物的成分和爬升速度相协调，以便在模板上升到其上方之前，模板较低范围的混凝土已经凝固。随着过程的继续，工人们将延伸到模板上方的钢筋网架延伸，并为攀爬千斤顶抓握的垂直杆添加延伸部分。通过这种方式，整个混凝土柱被建造为一个连续的垂直元素，没有接缝。
• 7 在钢骨架建筑中，楼板构建在水平支撑层上。在其他建筑设计中，地板由连接到建筑核心和/或支撑柱的水平钢梁支撑。钢甲板（薄的波纹钢板）铺设在横梁上并焊接到位。将一层约 2-4 英寸（5-10 厘米）厚的混凝土浇在地板上以完成地板。

帝国大厦。

帝国大厦旨在结束最高建筑的竞争。它将高 102 层，高出曼哈顿街道 1,250 英尺（381 米）。其开发商 John J. Raskob 和 Pierre Samuel Du Pont 以及前纽约州州长 Alfred E. Smith 于 1929 年 8 月宣布他们打算建造世界上最高的建筑。他们选择了建筑公司 Starrett Brothers 和 Eken，以及建筑公司 Shreve、Lamb 和 Harmon 来负责该项目，William F. Lamb 是首席设计师。如果从五楼以上的街道向后退，然后不间断地飙升超过 1,000 英尺（305 米）到 86 楼。外部为石灰石和花岗岩，垂直的铬镍钢合金柱从六楼一直延伸到顶部。该建筑包含 67 部电梯和 6,500 个玻璃窗，顶部有一个 200 英尺（61 米）长的用于飞船的系泊桅杆。

帝国大厦于 1931 年 4 月 11 日竣工，比原计划提前 12 天完工，并于 1931 年 5 月 1 日正式开放。这座建筑成为历史上最高的建筑，并保持了 40 多年的这一称号。直到 1972 年，当世贸中心 1,348 英尺（411 米）高的双子塔落成时，帝国大厦的高度才被超越。 1974 年，芝加哥的西尔斯大厦又超过了世贸中心，该大厦高达 1,453 英尺（443 兆焦耳），成为世界上最高的建筑。

外观

• 8 在大多数高层建筑中，结构及其内容物的重量由支撑柱和建筑物的核心承担。外墙本身仅包围结构。它们是通过将玻璃、金属和石头等材料制成的面板连接到建筑物的框架上来建造的。一种常见的技术是将它们用螺栓固定在固定在楼板或支撑柱上的角支架上。

整理

• 9 当建筑物的一层被外墙包围时，就可以进行内部装修了。这包括安装电线、电话线、管道、内墙、天花板、浴室装置、照明装置和消防喷淋系统等元件。它还包括安装机械部件，如电梯和空气循环、冷却和加热系统。
• 10 整个上层建筑完成后，通过安装屋顶来完成建筑物的顶部。这可以像地板一样建造，然后用一层橡胶或塑料防水，然后再覆盖上一层有吸引力的、耐候的瓷砖或金属层。

质量控制

在确保质量控制时考虑了各种因素。由于摩天大楼的巨大规模，当延伸到屋顶时，底部的微小定位误差会被放大。除了正常的测量仪器外，还可以使用全球定位系统 (GPS) 传感器和飞机炸弹瞄准器等不寻常的设备来验证结构构件的放置和对齐。

建筑工地周围的土壤传感器用于检测由建筑活动引起的任何意外的地球运动。

副产品/废物

基坑和地下室水平面的挖掘需要清除大量污垢。 1970 年代初期在纽约建造了 110 层的世贸中心大楼时，超过 100 万立方码（765,000 立方米）的土壤和岩石被移走并倾倒在哈德逊河中，从而创造了 23.5 英亩（95,100 平方米） ) 的新土地，后来在其上建造了另一座摩天大楼。

未来

已经为几座新的摩天大楼制定了计划，这些摩天大楼将打破现有的高度记录。例如，芝加哥南迪尔伯恩街 7 号的 108 层建筑预计将于 2004 年完工，其高度为 1,550 英尺（473 米）。它将在仅 200 英尺（61 m）平方的地块上提供 43 英亩（174,000 平方米）的封闭空间。

1956 年，美国建筑师弗兰克·劳埃德·赖特 (Frank Lloyd Wright) 宣布计划建造一座可容纳 100,000 人工作的一英里高（1.6 公里高）的摩天大楼。 1991 年，另一位美国建筑师 Eugene Tsui 博士设计了一座 2 英里（3,220 米）高的建筑，可为 1,000,000 人提供生活、工作和娱乐空间。尽管此类建筑物在理论上可以建造，但它们目前是不切实际的。例如，人类舒适度将电梯速度限制为不超过 3,000 英尺/分钟（915 米/分钟）。为了容纳 100,000 人在赖特提议的结构中工作，电梯井的数量将占据建筑物面积的很大一部分。

电梯技术的改进对于未来的摩天大楼设计非常重要。已经提出了水平和垂直移动的自走式无缆电梯轿厢，但仍在开发中。使用模糊逻辑的计算机化汽车调度系统可以通过将目的地彼此靠近的乘客分组来更有效地运送人员。