摩天大楼能否像金字塔一样屹立不倒?

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Image caption (图片来源:Getty Images)

从4月首次出现裂缝,到1995年6月29日,韩国首尔最繁华百货公司三丰百货五层的天花板上已经遍布网状裂缝。数小时后,从屋顶传来巨大的碎裂声。裂缝在变大。

百货公司召开了紧急董事会,但是董事长断然拒绝撤出大楼的方案,反对原因是会带来商业损失。然后,他自己逃离了大楼。

下午五点时,五楼的天花板开始下沉。商场照常运转,直到近一小时后警报响起。但为时已晚。紧接着是屋顶下沉,然后大楼的主梁垮塌,整个南楼从楼顶一直崩塌到地下室。1500人被困——包括董事长的继女——502人因此罹难。

三丰百货公司的倒塌只是脆弱的现代工程技术的一个例子。在具备材料、设备和对物理学的深度掌握的前提下,这座大楼未能挺过五年,更不用说5000年了。

与此同时,埃及的金字塔数千年来一直吸引大批参观人潮。地震、风蚀、涂鸦都没能撼动它。建立起金字塔的文明消失了,但金字塔仍留在那里。它也见证了撒哈拉从丰饶的草地变成今日的广漠。

金字塔中无可匹敌的要数古夫金字塔(Giza),它于公元前2540年完工,不论是材料、工程还是设计的水平都前无古人,后无来者。古希腊的游客穿越千里来到高耸的石灰石台阶下。他们惊呆了,台阶光滑到闪闪发亮。这些希腊人把名字刻在墙上,时至今日还清晰可见。

著名的克娄巴特拉七世(BurjKhalifa)所生活的地方靠近现在的世界第一高楼——哈利法塔,远离这座里程碑一般的墓穴。当猛犸象灭绝时,这座金字塔已经有1000年的历史。

它是那个时代的哈利法塔,是最高的建筑。直到700年前林肯大教堂建成。“我不想这样说,但是古埃及人当时为逝者建造了发射台,这样逝者就可以飞升,与太阳、星星为伴。”唐纳德·雷德福(Donald Redford)说。他研究金字塔已有四十年之久。

转眼到了2016年,我们建起的高楼升入云端。从高耸的钟楼到20层的机器人大楼,直到有可能建造世界第一个一英里高的大楼——不过最后这个大楼能否建起还存疑。随着人们走出乡村,涌向拥挤的城市,人类正在进入摩天大楼的时代。

这些建筑物要保持直立就必须经受巨大的破坏力,包括经常发生的雷电和时速100英里的旋风——更不用说持续的地心引力。在一些地区还要算上大规模地震。那么,金字塔的秘密究竟是什么?如今的摩天大楼有没有机会超越金字塔?

Image caption 古夫金字塔原来是白色的——人们认为有价值的外包石块被人偷走了(图片来源:Getty Images)

事实上,金字塔绵长的寿命并不是偶然的。古埃及人相信死后的人生将持续到永远,所以他们努力确保墓穴也能永远不坏。金字塔的设计发展了数千年,他们试验了很多材料和建筑方法,以实现他们的远大目标。

“他们总是说这个建筑物是‘为永恒’而建;‘永远’常常出现在他们的词汇里。” 在宾夕法尼亚州立大学工作的雷德福说。他们对自己的能力很有信心,很多金字塔的名称带有“百万年”的前缀。

虽然古埃及人费尽心力,也立下豪言壮语,但是他们其实并不了解自己在做的事情——这可能成了他们的一个明显的优势。为了弥补在物理定律知识的不足,早期金字塔的工程设计常常过于安全。比如,他们了解立柱,但是并不知道立柱可以支撑屋顶。所以他们常常增加额外的墙壁,以防万一。

另一个解释是建筑规模。以古夫金字塔为例,与其说它是一个建筑物,不如说是一座人造山,由近600万吨的实心石块建成。五千年其实并不算长,因为石灰石已经在地下呆了5000万年左右了。

与之相比,现代的摩天大楼太脆弱了。哈利法塔只用了11万吨水泥和39000吨钢材,而它的高度是古夫金字塔的六倍。“他们设计这些建筑物是为了永存于世——现今这不是我们优先考虑的事情。我们设计实用的让人生活其中的建筑物。”在伦敦建造碎片大厦的结构工程师罗马·阿格拉沃尔(Roma Agrawal)说。

Image caption 建造哈利法塔花了2200万工时。(图片来源:Getty Images)

正如早期的金字塔那样,第一代摩天大楼可能是最坚固的。1945年,B-25轰炸机撞上了帝国大厦,几天后大厦就又重新开放了。“在20世纪初,一切都手动计算,所以他们总是会增加额外的钢材,以防万一。” 阿格拉沃尔说。虽然帝国大厦的高度还不到哈利法塔的一半,但是它的重量是后者的三分之二。

除了所有通常的风险外,这些耸入云端的建筑物还有其特有的风险。如果摩天大楼要维持到公元7000年——这相当于金字塔到现在为止的寿命——那么它们必须经受数千年的风、雨和暴风雨。

哈利法塔的结构工程师比尔·贝克(Bill Baker)说:“高楼最重要的因素就是风。”当风经过流线型物体时,比如一棵树或一个路灯灯柱,它会变成一股有组织的突风,先向左旋,再向右旋,再向左旋,在行进中不断改变方向,迫使物体摇晃。强风下,哈利法塔朝一个方向的摇晃范围高达五英尺。

问题在于,楼建的越高,风速就越快。为了防止摩天大楼倒塌——也为了不让顶楼的人晕船——设计了不规则形状,以切断风,让它失去组织性。看起来好像是一种花哨的形式,但是哈利法塔和碎片大厦独特的凹凸造型更多的是处于安全的考虑,而非艺术的需要。

就算是飓风也不会刮倒它们。“如果是一栋普通的建筑,你在设计时会预期它能够抵御700年一遇的暴风。”贝克说。像哈利法塔这样重要的建筑物是按照两千年一遇的灾害而设计的。

Image caption 地球上每秒发生大约100次雷电。(图片来源:Getty Images)

其次是雷电。哈利法塔所在地、阿拉伯联合酋长国每年要经历大约10次雷暴雨。每次雷击的电压高达10亿伏。摩天大楼被雷击所承受的能量超过了一座核反应堆。“我曾在雷雨天在迪拜,当时哈利法塔就像是整座城市的避雷针——大约每过一分钟它就被击中一次。”贝克说。

幸运的是有避开雷电的方法。哈利法塔在建造过程中,表面的钢铁都缠绕在一起——每一块钢板,每一个窗框——从楼顶一直到地基。它就像是一个巨大的法拉第笼(Faraday cage),成为大楼的保护性外壳,其功能类似于微波炉的金属网,防止电流漏出去,并确保内部加热物的安全。“在几次较大的风暴后,我曾与维护人员交谈,他们说找不到任何破损的地方。” 贝克说。

即使在地震中,摩天大楼也极其坚固。事实上,振动的速度越快,大楼越安全。归根结底这是一种共鸣现象。如果地面的振动频率与大楼的摇晃频率一致,大楼就会越摇越快,最终可能会倒塌。“纤细的建筑物摇晃周期很长——哈利法塔是11秒左右——所以它会晃动,但是不会倒塌。”

它也不是万无一失:就像反复按压燕尾夹一样,如果钢铁遭遇太多次考验,最终它会断裂。但是最近大片中上演的九级地震——摩天大楼纷纷倒塌——如果在现实中发生,不会有那么壮观的景象。

事实上,真正的危险是再平常不过的一件事。“那就是排水。”贝克说。

Image caption 1945年一架轰炸机撞上帝国大厦的侧面,导致十四人死亡。(图片来源:Getty Images)

回到20世纪30年代,全世界100座高层建筑中有96座是钢铁制成。如今大多数摩天大楼是用钢筋混凝土建造,它结合了金属的抗拉伸力和石块的抗挤压力。

钢筋混凝土在干燥的情况下是一种让人称奇的材料,它可以永远不坏。但是在雨水较多的地方,弱酸性雨水会与水泥中的石灰石发生缓慢的化学反应,并把石灰石逐渐消耗掉——它也会让钢铁生锈,让建筑物布满孔洞。

“金字塔位于干燥的环境中,这一点至关重要,”美国费城的德雷塞尔大学(Drexel University)材料科学与工程系教授米歇尔·巴索姆(Michel Barsoum)说。即使在太阳炙烤的撒哈拉地区,早期的金字塔也会遭遇霜冻的破坏并倒塌。在沙漠中,夜晚十分寒冷,金字塔上会结霜,把石灰石块间的缝隙撑大。

多年来,人们认为古埃及人最后解决了这一问题。他们的方法是提高切割石块的工艺,让石块之间严丝合缝。不过具体做法仍是个谜。到21世纪初,终于有人用高精度显微镜仔细观察这些石块。那个人就是巴索姆,有人提示他这些石块不是天然的石灰石,而是用一种较为原始的水泥工艺制作出来的人造石。

巴索姆是一个陶瓷专家——此前他从未研究过金字塔——他无法抗拒这一挑战。他在古代石块的内部找到了线索:一种名为硅藻的藻类,它们的坚硬外壳的一部分被碱性胶合剂融化了。“金字塔大约90%是切割的石块——但剩下的是浇筑的石块。”巴索姆说。

古埃及人制作石块有四种主要原料:石灰石、石灰、水、泥浆。它们结合在一起就变成一种化学胶水。它的一个好处是随着时间的流逝,胶水会变回其原材料,即从水泥变回石块。“它闻起来、尝起来都是天然石灰石。”巴索姆说。

Image caption 碎片大厦(Shard)是欧洲最高的建筑物。(图片来源:Getty Images)

但是,如果摩天大楼的混凝土外壳具有一定弹性的话,那么窗户的命运就不太明朗了。玻璃的重量相当于花冈岩,坚固程度相当于铝材。一块边长1厘米的玻璃方块需要10吨 的压力才能压碎。即使在海里,要经过50年的冲刷它才会瓦解成沙滩上随处可见的彩色小圆石。不过它也可能破损。“放在那里就会碎掉。没人知道原因。”贝克说。

即使是双层玻璃,如果没有定期维护,大部分窗户都不能维持很长时间。“玻璃不太受环境的影响,但是随着时间的流逝,风带来的振动和暴风等因素会让玻璃破裂。” 利兹大学(University of Leeds)的材料科学家康斯坦丁诺斯·查夫达利迪斯说。

最后,玻璃会不会流向窗框的底部?这个想法源自中世纪的窗户——底部比顶部厚——另外有传说认为玻璃是一种极为浓缩的液体:数百年后,玻璃会流至窗框的底部。

1998年,这个普遍的看法被一个物理学家团队彻底推翻。按照他们的计算,要在室温下让玻璃发生任何肉眼可见的变化需要的时间“远远超过宇宙的年龄”。古代窗户的厚度不均只是偶然现象——毕竟数百年前要制作平滑的玻璃板并不容易。

Image caption 人口稠密的曼哈顿岛是现代摩天大楼的发源地。(图片来源:Getty Images)

那么今日的摩天大楼像金字塔一样屹立不倒吗?

比尔·贝克认为这种可能性很大。“结构性材料基本上永远不会坏。如果有人维护就没问题,不维护就不行”他说。

阿格拉沃尔也同意这一看法。“这要看具体情况。如果有人维护,我认为没问题。”她说。

康斯坦丁诺斯认为,混凝土结构的寿命将超过钢铁,因为早在混凝土破碎之前,铁锈就出现了。雷德福不同意任何一方意见。“我对此深表怀疑。它们当然是功能性结构,但是它们依存于其功能。没用后它们就会被舍弃。”他说。

大多数摩天大楼的结局更有可能是被拆掉,而不是倒塌。事实上,古夫金字塔也不是唯一一座4500年前建造的大型建筑。

其中之一是被成为“迷宫”的古建筑。据说它比古夫金字塔更神奇。“当古希腊历史学家希罗多德发现它时,他一下子停止了呼吸。他无法形容建筑所使用的巨大石块的尺寸和重量。”雷德福说。要是你现在去找这个建筑物,你会发现它早已被夷为平地。这里的石块被人拿走,用来建造其他地方的建筑。“如果你在开罗旧城的街道闲逛,看看旧建筑的地基,有时候你会看到一些石块上刻有象形文字,那些石块正是来自那座古建筑。” 雷德福说。

如果我们不拆掉任何一座摩天大楼,比如纽约的那些摩天大楼——而他们也没有倒塌——那么以现在的建造速度,到公元7000年,纽约将拥有10000座160米以上高度的建筑物。或许其中一些以“迷宫”的方式终结并不是件坏事。

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