为什么高层建筑可以越造越高？

100多年前，美国芝加哥出现了一栋10层的住宅保险公司大楼。谁会想到今天这座看似不起眼的建筑是现代城市高层建筑的第一个标志。从那以后，世界各地的高层建筑如雨后春笋般涌现，也出现了100层楼高超过400米的超级摩天大楼。

为什么高层建筑可以建得越来越高？这与建筑结构力学、建筑材料科学和机电设备的快速发展密不可分。

这个纵横比限制。由于大城市地价昂贵，房屋密集，为了充分发挥土地单位面积的利用率，人们只能少占土地，多加楼层。这就是人们设计和建造超高层建筑的起源。然而，在超高宽比远离安全系数的情况下，不采用新技术显然不可能保证超高层建筑的绝对稳定性。

建筑师敢于设计1200层的超级摩天大楼。土木工程师敢于承担这种摩天大楼的建设，因为他们掌握了两种独特的技能:超高强度钢骨架结构体系和超高强度复合墙体材料。

高层建筑的传统结构是在此基础上逐层搭建钢框架，然后用钢筋混凝土预制板、钢板或钢化玻璃幕墙将框架连接成墙体。这种结构用于超大高宽比的超高层建筑，其强度和硬度都不够。理想的结构是一个管状框架，它将钢管像柱子一样紧密地包围在建筑的外墙框架中，使整个结构看起来像一个高层建筑。最重要的是建筑主体的稳定性，这与建筑底部基础的尺寸和深度密切相关。据估计，建筑物的高度与其基底宽度之比越小，建筑物的稳定性就越好。在建筑上，这个比率被称为“长宽比”一般来说，高层建筑的高宽比是6: 1到8:1，要建造超级摩天大楼，必须穿过一个中心竖井。这种管状框架的优点是能将建筑物的重量和应力转移到周围的外墙柱上，并能承受建筑物的垂直重力和强风及地震产生的水平推力。此外，还有一种结构体系叫做外梁分析框架，它也适用于超高层建筑。

建筑物越高，风对建筑物的侧向推力就越大。摩天大楼的高层部分受到的风力是低层部分的几倍，风力的冲击力根据建筑物的高度成几何级数增加。例如，风对100层建筑顶部的冲击力是50层建筑顶部的4倍。因此，必须考虑增加建筑墙体材料的硬度，使其具有很强的抗弯能力。然而，通过增加墙的厚度来增加建筑物的强度并不是可行的方法，因为加厚墙将大大增加建筑物的总重量并影响其高度构造。新方法是在两块薄钢板之间夹入一种弹性大的轻质塑料，并将其压制成一个整体复合板。使用这种轻质、坚硬、坚韧的新材料作为墙体，摩天大楼具有很好的抗弯和抗震能力，减少了顶部的震动范围，使建筑坚如磐石。

建造高层建筑的基础当然是来自各种科学领域的知识和信息，而建筑设计师往往有超乎常人的想象力和挑战新高度的勇气。美国天才建筑师克里斯托弗·罗·赖特提出的设计之一是在芝加哥建造一座528层、1609米高的摩天大楼。建成后，这座巨大的建筑将有170万平方米的有效居住面积，可容纳13万人。然而，这座“巨大的建筑”还不是摩天大楼的绝对高度。英国工程师威廉姆斯·弗里斯和施曼提出了另一个建筑设计方案，叫做“塔城”。它有850层，高3200米，可容纳50万人。这样的房子相当于一个中等城市。显然，建筑科学的发展，像所有其他科学技术一样，是无止境的。