摩天大樓能否像金字塔一樣屹立不倒?

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Image caption (圖片來源:Getty Images)

從4月首次出現裂縫,到1995年6月29日,韓國首爾最繁華百貨公司三豐百貨五層的天花板上已經遍布網狀裂縫。數小時後,從屋頂傳來巨大的碎裂聲。裂縫在變大。

百貨公司召開了緊急董事會,但是董事長斷然拒絕撤出大樓的方案,反對原因是會帶來商業損失。然後,他自己逃離了大樓。

下午五點時,五樓的天花板開始下沉。商場照常運轉,直到近一小時後警報響起。但為時已晚。緊接著是屋頂下沉,然後大樓的主梁垮塌,整個南樓從樓頂一直崩塌到地下室。1500人被困——包括董事長的繼女——502人因此罹難。

三豐百貨公司的倒塌只是脆弱的現代工程技術的一個例子。在具備材料、設備和對物理學的深度掌握的前提下,這座大樓未能挺過五年,更不用說5000年了。

與此同時,埃及的金字塔數千年來一直吸引大批參觀人潮。地震、風蝕、塗鴉都沒能撼動它。建立起金字塔的文明消失了,但金字塔仍留在那裏。它也見證了撒哈拉從豐饒的草地變成今日的廣漠。

金字塔中無可匹敵的要數古夫金字塔(Giza),它於公元前2540年完工,不論是材料、工程還是設計的水平都前無古人,後無來者。古希臘的遊客穿越千里來到高聳的石灰石台階下。他們驚呆了,台階光滑到閃閃發亮。這些希臘人把名字刻在牆上,時至今日還清晰可見。

著名的克婁巴特拉七世(BurjKhalifa)所生活的地方靠近現在的世界第一高樓——哈利法塔,遠離這座里程碑一般的墓穴。當猛獁象滅絕時,這座金字塔已經有1000年的歷史。

它是那個時代的哈利法塔,是最高的建築。直到700年前林肯大教堂建成。「我不想這樣說,但是古埃及人當時為逝者建造了發射台,這樣逝者就可以飛升,與太陽、星星為伴。」唐納德·雷德福(Donald Redford)說。他研究金字塔已有四十年之久。

轉眼到了2016年,我們建起的高樓升入雲端。從高聳的鐘樓到20層的機器人大樓,直到有可能建造世界第一個一英里高的大樓——不過最後這個大樓能否建起還存疑。隨著人們走出鄉村,湧向擁擠的城市,人類正在進入摩天大樓的時代。

這些建築物要保持直立就必須經受巨大的破壞力,包括經常發生的雷電和時速100英里的旋風——更不用說持續的地心引力。在一些地區還要算上大規模地震。那麼,金字塔的秘密究竟是什麼?如今的摩天大樓有沒有機會超越金字塔?

Image caption 古夫金字塔原來是白色的——人們認為有價值的外包石塊被人偷走了(圖片來源:Getty Images)

事實上,金字塔綿長的壽命並不是偶然的。古埃及人相信死後的人生將持續到永遠,所以他們努力確保墓穴也能永遠不壞。金字塔的設計發展了數千年,他們試驗了很多材料和建築方法,以實現他們的遠大目標。

「他們總是說這個建築物是『為永恆』而建;『永遠』常常出現在他們的詞匯裏。」 在賓夕法尼亞州立大學工作的雷德福說。他們對自己的能力很有信心,很多金字塔的名稱帶有「百萬年」的前綴。

雖然古埃及人費盡心力,也立下豪言壯語,但是他們其實並不了解自己在做的事情——這可能成了他們的一個明顯的優勢。為了彌補在物理定律知識的不足,早期金字塔的工程設計常常過於安全。比如,他們了解立柱,但是並不知道立柱可以支撐屋頂。所以他們常常增加額外的牆壁,以防萬一。

另一個解釋是建築規模。以古夫金字塔為例,與其說它是一個建築物,不如說是一座人造山,由近600萬噸的實心石塊建成。五千年其實並不算長,因為石灰石已經在地下呆了5000萬年左右了。

與之相比,現代的摩天大樓太脆弱了。哈利法塔只用了11萬噸水泥和39000噸鋼材,而它的高度是古夫金字塔的六倍。「他們設計這些建築物是為了永存於世——現今這不是我們優先考慮的事情。我們設計實用的讓人生活其中的建築物。」在倫敦建造碎片大廈的結構工程師羅馬·阿格拉沃爾(Roma Agrawal)說。

Image caption 建造哈利法塔花了2200萬工時。(圖片來源:Getty Images)

正如早期的金字塔那樣,第一代摩天大樓可能是最堅固的。1945年,B-25轟炸機撞上了帝國大廈,幾天后大廈就又重新開放了。「在20世紀初,一切都手動計算,所以他們總是會增加額外的鋼材,以防萬一。」 阿格拉沃爾說。雖然帝國大廈的高度還不到哈利法塔的一半,但是它的重量是後者的三分之二。

除了所有通常的風險外,這些聳入雲端的建築物還有其特有的風險。如果摩天大樓要維持到公元7000年——這相當於金字塔到現在為止的壽命——那麼它們必須經受數千年的風、雨和暴風雨。

哈利法塔的結構工程師比爾·貝克(Bill Baker)說:「高樓最重要的因素就是風。」當風經過流線型物體時,比如一棵樹或一個路燈燈柱,它會變成一股有組織的突風,先向左旋,再向右旋,再向左旋,在行進中不斷改變方向,迫使物體搖晃。強風下,哈利法塔朝一個方向的搖晃範圍高達五英尺。

問題在於,樓建的越高,風速就越快。為了防止摩天大樓倒塌——也為了不讓頂樓的人暈船——設計了不規則形狀,以切斷風,讓它失去組織性。看起來好像是一種花哨的形式,但是哈利法塔和碎片大廈獨特的凹凸造型更多的是處於安全的考慮,而非藝術的需要。

就算是颶風也不會刮倒它們。「如果是一棟普通的建築,你在設計時會預期它能夠抵禦700年一遇的暴風。」貝克說。像哈利法塔這樣重要的建築物是按照兩千年一遇的災害而設計的。

Image caption 地球上每秒發生大約100次雷電。(圖片來源:Getty Images)

其次是雷電。哈利法塔所在地、阿拉伯聯合酋長國每年要經歷大約10次雷暴雨。每次雷擊的電壓高達10億伏。摩天大樓被雷擊所承受的能量超過了一座核反應堆。「我曾在雷雨天在迪拜,當時哈利法塔就像是整座城市的避雷針——大約每過一分鐘它就被擊中一次。」貝克說。

幸運的是有避開雷電的方法。哈利法塔在建造過程中,表面的鋼鐵都纏繞在一起——每一塊鋼板,每一個窗框——從樓頂一直到地基。它就像是一個巨大的法拉第籠(Faraday cage),成為大樓的保護性外殼,其功能類似於微波爐的金屬網,防止電流漏出去,並確保內部加熱物的安全。「在幾次較大的風暴後,我曾與維護人員交談,他們說找不到任何破損的地方。」 貝克說。

即使在地震中,摩天大樓也極其堅固。事實上,振動的速度越快,大樓越安全。歸根結底這是一種共鳴現象。如果地面的振動頻率與大樓的搖晃頻率一致,大樓就會越搖越快,最終可能會倒塌。「纖細的建築物搖晃週期很長——哈利法塔是11秒左右——所以它會晃動,但是不會倒塌。」

它也不是萬無一失:就像反覆按壓燕尾夾一樣,如果鋼鐵遭遇太多次考驗,最終它會斷裂。但是最近大片中上演的九級地震——摩天大樓紛紛倒塌——如果在現實中發生,不會有那麼壯觀的景象。

事實上,真正的危險是再平常不過的一件事。「那就是排水。」貝克說。

Image caption 1945年一架轟炸機撞上帝國大廈的側面,導致十四人死亡。(圖片來源:Getty Images)

回到20世紀30年代,全世界100座高層建築中有96座是鋼鐵製成。如今大多數摩天大樓是用鋼筋混凝土建造,它結合了金屬的抗拉伸力和石塊的抗擠壓力。

鋼筋混凝土在乾燥的情況下是一種讓人稱奇的材料,它可以永遠不壞。但是在雨水較多的地方,弱酸性雨水會與水泥中的石灰石發生緩慢的化學反應,並把石灰石逐漸消耗掉——它也會讓鋼鐵生鏽,讓建築物布滿孔洞。

「金字塔位於乾燥的環境中,這一點至關重要,」美國費城的德雷塞爾大學(Drexel University)材料科學與工程系教授米歇爾·巴索姆(Michel Barsoum)說。即使在太陽炙烤的撒哈拉地區,早期的金字塔也會遭遇霜凍的破壞並倒塌。在沙漠中,夜晚十分寒冷,金字塔上會結霜,把石灰石塊間的縫隙撐大。

多年來,人們認為古埃及人最後解決了這一問題。他們的方法是提高切割石塊的工藝,讓石塊之間嚴絲合縫。不過具體做法仍是個謎。到21世紀初,終於有人用高精度顯微鏡仔細觀察這些石塊。那個人就是巴索姆,有人提示他這些石塊不是天然的石灰石,而是用一種較為原始的水泥工藝製作出來的人造石。

巴索姆是一個陶瓷專家——此前他從未研究過金字塔——他無法抗拒這一挑戰。他在古代石塊的內部找到了線索:一種名為硅藻的藻類,它們的堅硬外殼的一部分被鹼性膠合劑融化了。「金字塔大約90%是切割的石塊——但剩下的是澆築的石塊。」巴索姆說。

古埃及人製作石塊有四種主要原料:石灰石、石灰、水、泥漿。它們結合在一起就變成一種化學膠水。它的一個好處是隨著時間的流逝,膠水會變回其原材料,即從水泥變回石塊。「它聞起來、嘗起來都是天然石灰石。」巴索姆說。

Image caption 碎片大廈(Shard)是歐洲最高的建築物。(圖片來源:Getty Images)

但是,如果摩天大樓的混凝土外殼具有一定彈性的話,那麼窗戶的命運就不太明朗了。玻璃的重量相當於花岡岩,堅固程度相當於鋁材。一塊邊長1厘米的玻璃方塊需要10噸 的壓力才能壓碎。即使在海里,要經過50年的衝刷它才會瓦解成沙灘上隨處可見的彩色小圓石。不過它也可能破損。「放在那裏就會碎掉。沒人知道原因。」貝克說。

即使是雙層玻璃,如果沒有定期維護,大部分窗戶都不能維持很長時間。「玻璃不太受環境的影響,但是隨著時間的流逝,風帶來的振動和暴風等因素會讓玻璃破裂。」 利茲大學(University of Leeds)的材料科學家康斯坦丁諾斯·查夫達利迪斯說。

最後,玻璃會不會流向窗框的底部?這個想法源自中世紀的窗戶——底部比頂部厚——另外有傳說認為玻璃是一種極為濃縮的液體:數百年後,玻璃會流至窗框的底部。

1998年,這個普遍的看法被一個物理學家團隊徹底推翻。按照他們的計算,要在室溫下讓玻璃發生任何肉眼可見的變化需要的時間「遠遠超過宇宙的年齡」。古代窗戶的厚度不均只是偶然現象——畢竟數百年前要製作平滑的玻璃板並不容易。

Image caption 人口稠密的曼哈頓島是現代摩天大樓的發源地。(圖片來源:Getty Images)

那麼今日的摩天大樓像金字塔一樣屹立不倒嗎?

比爾·貝克認為這種可能性很大。「結構性材料基本上永遠不會壞。如果有人維護就沒問題,不維護就不行」他說。

阿格拉沃爾也同意這一看法。「這要看具體情況。如果有人維護,我認為沒問題。」她說。

康斯坦丁諾斯認為,混凝土結構的壽命將超過鋼鐵,因為早在混凝土破碎之前,鐵鏽就出現了。雷德福不同意任何一方意見。「我對此深表懷疑。它們當然是功能性結構,但是它們依存於其功能。沒用後它們就會被捨棄。」他說。

大多數摩天大樓的結局更有可能是被拆掉,而不是倒塌。事實上,古夫金字塔也不是唯一一座4500年前建造的大型建築。

其中之一是被成為「迷宮」的古建築。據說它比古夫金字塔更神奇。「當古希臘歷史學家希羅多德發現它時,他一下子停止了呼吸。他無法形容建築所使用的巨大石塊的尺寸和重量。」雷德福說。要是你現在去找這個建築物,你會發現它早已被夷為平地。這裏的石塊被人拿走,用來建造其他地方的建築。「如果你在開羅舊城的街道閒逛,看看舊建築的地基,有時候你會看到一些石塊上刻有象形文字,那些石塊正是來自那座古建築。」 雷德福說。

如果我們不拆掉任何一座摩天大樓,比如紐約的那些摩天大樓——而他們也沒有倒塌——那麼以現在的建造速度,到公元7000年,紐約將擁有10000座160米以上高度的建築物。或許其中一些以「迷宮」的方式終結並不是件壞事。

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