自19世紀末摩天樓在芝加哥興起，超高層建築在過去百年間劇烈地改變瞭各國大城市的面貌。每隔幾十年，新經濟體的崛起都預示著又有一波超高層建築將會刷新城市的天際線。從競相追逐到理性建設，今天就來聊聊這段屬於摩天樓的建築史。
摩天樓的起源
古代世界的高層建築
其實直到19世紀中後期，在建築高度上名列前茅的依舊還是來自古代世界的建築奇跡（比如金字塔和大教堂）。
古代達到百米以上的建築除瞭宮殿陵寢就是宗教建築，就其高層空間而言象征意義遠大於實際使用意義。
工業革命後隨著大量人口向城市聚集，城市化進程大大加快，工商業發展對於建築物密度和高度的要求越來越高。城市土地價值的升高使得向上發展成為瞭更有經濟效率的選擇。
圖源：http://xuyuan.blog.caixin.com/archives/182408
近代建築結構與材料突破
限於結構和建造技術，大部分近代樓房的高度不超過六層。但工業革命帶來的成果已經逐漸顯現。最早的摩天樓除瞭1884年芝加哥建築師威廉·勒巴倫·詹尼設計的傢庭人壽保險大樓，還有1889年更加著名的埃菲爾鐵塔。前者首創瞭由鐵架支撐的整體結構，後者不但把鐵質建築的高度極限提高到300米，還證明瞭金屬框架足夠抵禦風力。
https://en.wikipedia.org/wiki/Eiffel_Tower
混凝土的廣泛應用也給超高層建築提供瞭新的結構性材料：
高層建築的推廣契機
限制高層和超高層建築發展的也不僅僅是金屬框架和混凝土，其中一個很重要的議題是如何讓人更有效地抵達高層空間，電梯就成瞭必不可少的選項。古代的中國及歐洲各國都有以轆轤等工具垂直運送人和貨物。現代的升降機是十九世紀蒸汽機發明之後的產物。1845年，第一部液壓升降機誕生，當時使用的液體為水，但這種電梯能提升的高度隻有15米。1853年，美國人艾利莎·奧的斯發明自動安全裝置，大為提高鋼纜曳引升降機的安全。自此以後，升降機的使用得到瞭廣泛的接受和高速的發展。最初的升降機是由蒸汽機推動的，因此安置的大廈必須裝有鍋爐房。1880年，德國人西門子發明使用電力的升降機，從此名副其實的“升降機”正式出現。
安全電梯，提高瞭高層建築人員流動的效率
與此同時，芝加哥大火之後不僅為高層建築發展騰出瞭空間，也提高瞭設計者對於防火的安全意識。在19世紀的下半葉，火災報警系統和自動噴淋系統陸續登上舞臺，時至今日已經成為大多數建築物的標配。
形式與結構的演進
從裝飾主義到現代主義
從19世紀末到20世紀初，披著舊時代外衣和新時代骨架的裝飾主義（Art Deco）建築仍然大行其道。歐美城市的造城運動在大蕭條之前一直如火如荼。很多那一時期的超高層建築已經永遠成為瞭失落的地標，比如我曾經寫過的城市漫遊系列：紐約市的失落地標中提到的勝傢大樓（Singer Tower ）：
建於1908，於1968年拆除。1908年勝傢大樓還曾以612英尺（187米）短暫成為世界第一高樓。它也曾經是被計劃拆除的最高建築。
當然也有留存至今的，例如同在紐約的熨鬥大廈（Flatiron Building），在1902年完工，當時為紐約市最高的大樓之一，同時也是早期摩天大樓的代表作、鋼架建築的先驅。
在大蕭條和兩次世界大戰的背景下，現代主義風格的摩天樓開始登上舞臺，這一時期湧現的重要建築數不勝數。其中由菲利普·約翰遜與密斯·凡德羅合作設計的西格拉姆大廈(Seagram Building)是現代建築中把功能主義美學發展到極致的最佳典范之一，也為50年代後期國際風格（International Style)的形成奠定瞭基礎。
在20世紀末和本世紀前二十年，傳統外觀的超高層主要有兩種設計方法：一是增加核心筒在樓面中所占的面積使得中央結構足夠穩固（比如下圖最下面一排的世貿雙子樓），二是基於結構柱網縮減上層樓面面積來增加樓體的穩定性（比如下圖第三排位於芝加哥的Willis Tower）。
對比哈利法塔。臺北101，芝加哥威利斯大廈，以及已經毀於911的紐約世貿雙子樓。
紐約世貿雙子樓的核心筒在平面上就足夠顯眼，911事件中這棟樓是因為核心筒受損嚴重才最終轟然倒塌。其實一般來說，不考慮飛機撞擊和航空燃油泄露所產生高溫的特殊情況，有三個防火防煙的逃生樓梯間以及防火逃生電梯內置在堅固的核心筒裡是很穩妥的方案。壞處大傢後來也知道瞭，就是逃生基本隻能依賴核心筒，一榮俱榮一損俱損。這是超高層的通病。
威利斯大廈(Willis Tower)的本質是把好幾個高度不同的細長條捆在一起，類似生活中見到的筷子筒。同時底盤大頭部輕的質量分配與錐形樓體有異曲同工之妙，規矩的平面輪廓能提高頂層樓面的利用率。（可是這貨頭上還是裝瞭兩根天線……）
基於這些相對傳統的超高層例子，最近十幾年紐約的天際線也是有創新的。
我在之前的一個回答裡提到過紐約的“鉛筆樓”——432 Park Ave：
大樓采用中央核心筒+外圍結構柱形成瞭兩層的穩定結構，兩者由拱肩梁連接，上層樓板加厚到18英寸，接近頂層的地方有兩個 660 噸對置擺錘調諧質量阻尼器；
黃色標註為樓板加厚樓層，深灰色是調諧質量阻尼器所在的樓層
開放樓層的結構細節
大樓劃分出瞭五段供氣流穿過的開放樓層，每段開放樓層占據兩層的高度。由於這些樓層被定義為結構/設備層，所以其面積不被包括在容積率計算中，也變相增加瞭樓的高度。
大樓的五段過風樓層
這棟樓還使用瞭高性能的建築材料，按照結構雜志上的說法：[1]
懸臂結構狂想：伊利諾伊一英裡高塔
除瞭增加核心筒比重和削減頂層樓面面積兩種方法，還可以借鑒我以前寫過的一個回答，講的是賴特從未完成的設想：
把時間撥回1956年，89歲的弗蘭克·勞埃德·賴特 (Frank Lloyd Wright)在芝加哥謝爾曼酒店展示瞭他所設計的“世界上最高的摩天大樓”的方案。該樓擁有很多稱號，賴特給其取名為“伊利諾伊”（The Illinois），很多人稱其為“摩天樓之王”（King of Skyscrapers)，或者“伊利諾伊一英裡高塔”（the Illinois Mile-High Tower）。
嘖嘖，瞧這圖幅的高度。
該樓高度達到1609米，地面上有528層，合計76部電梯，計劃容納10萬人入住，包含15000個停車位。主體材料是鋼筋混凝土，地板和懸臂結構使用鋼材。[2]
手稿和模型
下圖最左側是樓的整體剖面，主要展現的就是中央的混凝土核心筒和深深嵌入地下的部分。
剖面和立面
下圖左側是底層平面，可以看出這個樓有一個非常誇張的臺基，內側黑色懸臂指向的四邊形才是樓體的范圍，右邊兩個是320層和528層的平面圖。
平面圖
這個結構設想其實和一棵樹很接近。就是有一個位於塔樓中央的混凝土核心筒作為主幹，然後從核心筒伸出四根鋼結構懸臂，樓板是架在這些懸臂上的（見下圖右側剖面）：
局部立面與剖面
為便於理解，下圖是一個雙立柱橫梁+懸臂結構，賴特設想的“伊利諾伊一英裡高塔”就是其中的一組（當然這個圖是比較簡化的）……
錐形樓體和質量阻尼器
建築越高，就越趨向於采用錐形設計。因為這樣樓體的重心會相對偏下，對結構和穩定性有好處，其次是通過優化樓體的外形可以有效對抗風力。但問題是這樣做錐形塔樓越是往上的樓層可用面積也越小，比如哈利法塔，829米的高度，實際可用最高層大致在585米左右，建築最上部接近30%的高度基本是為瞭爭奪高樓排名才造出來的。
哈利法塔剖面和頂部立柱
有一說一，SOM在超高層的設計上是真的很有兩把刷子。至少在哈裡發塔的輪廓上就下瞭不少功夫，這種樓體表面能把直吹上去的風轉變成湍流，從而幫助塔身保持直立。
塔內部是由剪力墻核心筒通過框架結構延伸出去的三個翼，每兩個翼之間呈120度夾角。
如果不打算采用錐形，那就需要在樓頂安裝質量阻尼器來對抗風力，臺北101大廈高438米，它采用的質量阻尼器是一個重達660噸的球，這樣就可以不采用頂層利用率低的錐形設計，從而提高樓層的商業價值和有效使用率。
高度背後的經濟賬
超高層建築的經濟高度[3]
往上發展的初衷是提高容積率，增加經濟效益。但是超過瞭一定的高度，超高層反而並不經濟。那麼如何確定這個最為經濟的高度呢？
1930 年，經濟學傢和建築師 WC Clark 和 JL Kingston (CK) 分別出版瞭一本名為《摩天大樓：現代辦公樓經濟高度研究》的書。在這項工作中，他們假設自己是曼哈頓摩天大樓的開發商。他們的目標是在給定租金以及土地和建築成本的情況下，確定使回報最大化的結構高度。
這個研究的目的是證明 1920 年代後期在曼哈頓拔地而起的超高層建築並不是“怪胎”建築，而是建立在合理的經濟基礎之上。畢竟，如果超高層真的一無是處誰還願意去建造它呢？
通過對美國40座城市185棟辦公大樓的研究，他們列出瞭毛利和凈利兩條折線。從斜率來簡單判斷，毛利的增長速度超過凈利的增長速率，也就意味著在某個節點上最高的經濟回報到達之後，繼續增加高度隻會使收益下降。（假定土地價值是固定的$200每平方英尺）經過一系列的計算之後，63層被認為是一個理想的高度。在此高度，凈利潤占總投資的10.25%。在高度達到131層時，凈利潤會完全消失。
而在不同的土地價值標準下，這個最為經濟的高度也會產生變化。比如土地價值在$400-$600每平方英尺時，這個最為經濟的高度是75層。
這兩位作者還把想象中的“曼哈頓大樓”真的畫瞭出來。隨著樓層的增加，需要的結構和電梯數量也會增加，相應的每一層的可租賃面積就會減少。
總體而言，真正的經濟高度是許多可變因素的結果。其中最重要的兩個因素是地塊的大小和土地的價值。這種經濟高度必須根據每個特定地點來確定。
充滿爭議的摩天大樓效應
1999年，英國經濟學傢安德魯·勞倫斯提出瞭超高層建築的發展與金融衰退之間存在正相關的理論[4]。其主要觀點是：
- 摩天大樓效應是一個經濟指標，它將世界上最高的摩天大樓的建設與經濟衰退聯系起來。
- 當世界上最高的建築等項目獲得必要的資金時，該國的經濟可以被視為擴張得如此之多，以至於在不久的將來破產的可能性很高。
下圖就是CTBUH 2012年對安德魯·勞倫斯訪談時展示的按照經濟衰退和最高建築之間的聯系。
但是這種基於歷史的總結性規律也飽受批判：
內增高小技巧：虛榮高度
高層建築和城市人居委員會(CTBUH)曾經給過一個叫做虛榮高度（Vanity Height)的定義，指代的是摩天大樓的頂峰與最高可用樓層之間的高度差。[5]
以帆船酒店為例，頂上的39%是客人無法使用的”虛榮高度“
CTBUH要求超高層結構的虛榮高度低於50%才能被定義為“建築物”，否則它將被認為是一個通訊塔，沒有資格進入排名。因此你會發現高樓競賽的常見做法就是雞賊地在樓頂加一根桿子……
世界高樓排名以及“虛榮高度”所占比重
超高層的負面影響
超高層的安全隱患
凡是超過200米高度的超高層建築，它永遠面對三個非常現實的難題：
- 如何對抗風力（貴，但是能解決）
- 核心筒的強度和電梯的設計（也很貴，也不是不能解決）
- 面對災難的逃生方案（不僅貴，而且真出事可能無解）
其中最難的就是面對火災、地震、或者恐怖襲擊的逃生問題。2007年上海在造環球金融中心的時候就曾經發生過火災。
圖源新民網：http://news.sina.com.cn/c/2007-08-14/171113662045.shtml
當時新聞報道是這麼說的[6]：
事後官方給出的解釋是還沒來得及安裝自動噴淋系統，裝瞭以後就安全瞭，並且強調不會影響施工進度……
然後2016年迪拜哈利法塔邊上的一棟超高層起火，撲滅用瞭四個小時。
其中一位逃生者是這麼講述當時的體驗的：
迪拜政府表示，有一人因濃煙和急於離開大樓而心臟病發作。1人中度受傷，16人受輕傷。
盡管對於超高層的防火安全在報批階段就有更加嚴苛的要求（比如防火逃生電梯的數量，避難層的設置，全樓裝備的自動噴淋系統），我國目前最高101米的消防雲梯仍然望樓興嘆……
是正向資產還是財政負擔？
再看去年的這個問題：
國內對500米以上超高層的限制可謂是姍姍來遲，這其中除瞭防火安全的因素還有地方經濟的考量。[7]
二線城市或者一些準一線城市在過去20多年裡城市擴張非常迅速。作為經濟增速快，體量稍欠缺的中等生，擁有幾座超過500米的超高層在未來也許並非好事。一旦經濟風向轉變，城市整體經濟增速下滑，這些高檔商業地產很快就會入不敷出。而與此同時，超過500米的超高層不僅維護費用高昂，其作為城市地標的屬性也使得領導層需要考慮拆除它們帶來的影響。
而且超高層建築爛尾停工的事情也不在少數。早在90年代末，爛尾樓就在房地產市場化的初期出現在瞭我國的城市中，比較早的爛尾樓包括瞭廣州中水廣場和武漢金馬大廈。最著名的可能是國內第二高的天津117大廈，2008年開工，2015年主體結構封頂以後就長期處於爛尾狀態。差點陷入同樣命運的還有武漢綠地中心，2010年開工，期間因為樓高突破限高曾一度被勒令停工，一直磨蹭到2021年底才算是封底完工。蘇州的中南中心也是一路坎坷，2014年開工，一年後完成樁基工程後就陷入停滯，直到2021年才完成瞭底板澆築。上海中環的爛尾樓更是矗立瞭將近20年才被爆破清理……
一句話：沒有足夠的經濟基本盤，不要輕易造超高層建築。開工就要做好爛尾的準備，超高層的建設資金鏈往往比我們想象的還要脆弱。
城市天際線的同質化
城市風貌也許是諸多問題中最不致命的問題。隨著摩天樓的拔地而起，我國一二線城市的天際線受到國際主義風格的影響，確實有日益同質化的趨勢。
如果撇去少量知名度高的地標建築，普通人很難從下圖中分辨出這些都是來自哪些城市的景象。而即便是頗具雕塑感的現代地標建築，他們中的絕大部分還是難以掙脫“國際式”的特征。這種特征也潛移默化地和一個城市的“先進”程度和“國際化”程度掛鉤，而本土性在我們的城市天際線中幾乎難有一席之地。
國內300米以上高樓最多的十二個城市，你能辨認出幾個？
到今天按照每個城市超過300米高樓的數量來排序，全球前20名裡中國的城市占據12個席位。[8]由摩天樓所構築的鋼筋混凝土森林，真的是城市居民所期待的未來嗎？
我國的摩天樓建設在過去的三十年裡是國際化的象征，我們見證瞭浦東崛起，深圳崛起，乃至國內的各大省會相繼在高度競賽上你追我趕。但也許站在2022年回望，那個以建設效率為最高準則，無限渴望速度與高度的時代已經悄悄過去。
參考
- ^Structure Magazine: 432 Park Ave https://www.structuremag.org/?p=13350#:~:text=The%20tallest%20residential%20tower%20in,stands%20at%201%2C396%20feet%20high
- ^https://lynceans.org/all-posts/frank-lloyd-wrights-1956-mile-high-skyscraper-the-illinois/
- ^摩天大樓高度的經濟學 https://buildingtheskyline.org/economics-of-skyscraper-height-series/
- ^摩天大樓效應 https://www.investopedia.com/terms/s/skyscraper-effect.asp
- ^維基百科 – 虛榮高度 https://en.wikipedia.org/wiki/Vanity_height
- ^東方早報：上海環球金融中心發生火災 據稱不影響竣工時間 http://news.sina.com.cn/c/2007-08-15/040113664542.shtml
- ^李松林 劉修巖 周霄雪. 摩天大樓與中國城市經濟增長[J]. 中國經濟問題, 2021,(05): 107-. https://ces.xmu.edu.cn/CN/Y2021/V0/I05/107
- ^"Number of 150m+ Completed Buildings – The Skyscraper Center". Skyscrapercenter.com https://www.skyscrapercenter.com/cities?list=buildings-300