大科技
埃及金字塔已經(jīng)佇立了5000多年,它們經(jīng)歷了地震、風(fēng)沙侵蝕以及人為破壞,見證了撒哈拉從郁郁蔥蔥的草原轉(zhuǎn)變成今天的廣袤沙漠。雖然周圍的自然環(huán)境在變化,文明也在不斷地變遷,但金字塔依然非?!伴L壽”。
現(xiàn)在,隨著城市化加劇,我們也正在進入摩天大樓時代。根據(jù)世界超高層建筑學(xué)的新標(biāo)準(zhǔn),超過300米的大樓才能叫做摩天樓。如果按照這個規(guī)定,那么世界上第一座摩天大樓應(yīng)該是竣工于1931年的美國443.7米高的帝國大廈。同樣是人類建造的高大建筑,現(xiàn)在的摩天大樓能像金字塔一樣,佇立幾千年嗎?
◆金字塔有先天的理念優(yōu)勢◆
埃及金字塔能屹立不倒跟埃及人的設(shè)計理念有很重要的關(guān)系。埃及人認為人死后靈魂會永生,所以他們會制作木乃伊保存人的軀體,以方便靈魂辨認。他們也會設(shè)計一個能永久存在的墳?zāi)埂榱擞谰么嬖谶@個目標(biāo),埃及人只會挑選那些能夠滿足目標(biāo)的材料和建筑結(jié)構(gòu)。他們建造的金字塔,面與面之間的角度是51度50分9秒,正好接近自然界中最穩(wěn)定的角——52度角。
很明顯,埃及人對自己的建造能力很自信,所以他們會在許多金字塔的名字前加上“億億年”的前綴。不過,埃及人雖說自信滿滿,但實際上可能并不知道自己在干什么。
從現(xiàn)代設(shè)計學(xué)家們的角度看,古老的埃及人對物理規(guī)律和建筑結(jié)構(gòu)的認識非常欠缺,早期的金字塔嚴(yán)重過度設(shè)計。比如,他們會在金字塔中建造柱子,但可能并不知道柱子足以支撐屋頂,為以防萬一,他們還會增加額外的墻。奇妙的是,這種知識上的不足,反而成了一種明顯的優(yōu)勢,使得金字塔被建造得極為堅固。
埃及金字塔能屹立不倒的另一個原因是工程量龐大。就拿建造于公元前2600年至公元前2500年的胡夫金字塔來說,其建筑地基面積幾乎相當(dāng)于一座人造山,由近600萬噸的固體巖石構(gòu)成。石灰?guī)r已經(jīng)在地球上存在了5000萬年,用石灰?guī)r堆起來的建筑存在5000年不是什么難事。
◆匆匆竣工的摩天大樓◆
相比較而言,因為城市發(fā)展的速度太快,建造的用途是居住,現(xiàn)代摩天大樓的設(shè)計目標(biāo)顯然不可能是永久存在。普通建筑的設(shè)計使用年限是50年,在英國,像隧道、橋梁這樣一些交通要道的設(shè)計使用年限是150年。在這個理念的影響下,摩天大樓的建造就粗糙很多?,F(xiàn)在世界上最高的摩天大樓是迪拜塔,高828米,只用了11萬噸混凝土,3.9萬噸鋼材,高度是胡夫金字塔的六倍以上,耗時卻只是它的十分之三。
就像早期的金字塔一樣,最早建成的摩天大樓可能是最好的。1945年,一架B-25飛機不幸撞上了帝國大廈,但這座建筑并沒有什么損壞,經(jīng)過簡單修整后,幾天之內(nèi)又重新開放。因為早在20世紀(jì)初,科學(xué)家們還在手動計算,所以,為了以防萬一,他們會額外增加鋼鐵的使用量。帝國大廈雖然高度不到迪拜塔的一半,但重量比迪拜塔多出了三分之二,所以它格外結(jié)實。
◆建筑越高,越危險◆
正所謂爬得越高,跌得越慘。當(dāng)今天的摩天大樓被建得越來越瘦、越來越高時,它們除了要面臨所有高建筑會遇到的像腐蝕、地震等常規(guī)風(fēng)險外,還要面臨其他風(fēng)險。
其中一個風(fēng)險是風(fēng)。一般情況下,風(fēng)撞到物體后無處可去,就會往上推,所以建筑物愈高,風(fēng)速愈大。像迪拜塔那樣的超高建筑,在大風(fēng)中晃動幅度可達1.8米。
另一個風(fēng)險是閃電風(fēng)暴。迪拜塔的所在地阿拉伯聯(lián)合酋長國,每年會出現(xiàn)約十次閃電風(fēng)暴。每一次閃電風(fēng)暴都能產(chǎn)生多達十億伏特的電力,這電力比核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電力還大。閃電風(fēng)暴發(fā)生時,迪拜塔就像整個城市的避雷針,每隔一分鐘左右就會被閃電擊中。
再來對比一下金字塔。世界上最高的金字塔是胡夫金字塔,胡夫金字塔高146.59米,在幾千年的時間里,只被風(fēng)雨剝蝕了十多米的頂端。和世界上現(xiàn)在大多數(shù)摩天大樓所處環(huán)境不一樣的是,金字塔處于干旱的沙漠環(huán)境,受到雨水的沖擊力也小。這樣看來,摩天大樓似乎就沒法跟金字塔存在一樣久的時間了。
不過,令人慶幸的是,隨著現(xiàn)代科技的不斷進步,摩天大樓所遭遇的風(fēng)和雷電問題已經(jīng)得到了很好的解決。
高層的摩天大樓頂端常??雌饋硐褚粋€藝術(shù)品,形狀很不規(guī)則。比如,迪拜塔的橫截面為“Y”狀十字形設(shè)計,其實是在利用不規(guī)則的形狀擾亂風(fēng)向,降低塔受到的風(fēng)力沖擊。在對付閃電的問題上,人們也用到了最先進的科技。
迪拜塔的每一根鋼筋,每一個窗框,一直到地基都由電氣連通,形成建筑表面的防雷網(wǎng)。金屬梁柱構(gòu)成的防雷網(wǎng),就像“金鐘罩”一樣保護著建筑本身。這個網(wǎng)與建筑主體結(jié)構(gòu)的防雷系統(tǒng)可相連接,通過主體結(jié)構(gòu)的防雷導(dǎo)線將雷電引入地下,所以即使多次被雷擊,外面的墻也不會受到損壞。
◆地震、火災(zāi)、雨水的影響◆
此外,歷史上著名的建筑大多難逃火災(zāi)和地震這兩種危險,所以,我們不妨在這兩個最致命因素上做一番比較。
在20世紀(jì)30年代,世界上100個最高建筑中大概有96個采用的是純鋼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)雖然很輕,但同時太柔,在大風(fēng)作用下,容易發(fā)生位移。鋼材抗火性能較差,當(dāng)溫度達到Y(jié)LN攝氏度時,鋼結(jié)構(gòu)就立即失效,產(chǎn)生連續(xù)倒塌效應(yīng),紐約世貿(mào)雙子塔就是這樣倒塌的。
今天,大多數(shù)摩天樓采用的是混凝土鋼筋,用混凝土把鋼結(jié)構(gòu)包起來,形成所謂“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”,這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了金屬的抗擴張強度與巖石的抗壓、抗火能力?,F(xiàn)在的摩天樓一般采用分區(qū)建造,十幾層做一個分區(qū),以此來隔斷空間的連續(xù)性,防止垂直空間中,火勢急速向上蔓延。
埃及金字塔的建筑材料則有四個來源:石灰石、石灰、水和泥。這些材料一起反應(yīng)形成化學(xué)膠,黏住了10%的巖石,剩余90%的巖石經(jīng)過人們鑿過之后完美地嵌套在一起。這樣的建筑材料結(jié)構(gòu)單一,防火性能卻更好。
那么,在抗地震方面,金字塔和摩天樓誰的表現(xiàn)更好呢?
結(jié)構(gòu)上,抗震能力從強到弱依次為:鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)。像金字塔這樣的巖石類建筑韌性很差,體積龐大,高度不高,不太能扛得住地震。比如,公元1300年一次強烈的地震,曾震松了胡夫金字塔的大部分表層外包石塊。現(xiàn)代摩天大樓的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),抗震能力明顯技高一籌。現(xiàn)在建筑物都會避免建在地震頻發(fā)地帶,在建設(shè)時還會裝上減震的阻尼器,這使得摩天大樓抗震能力更強。
那么,今天的摩天大樓會和金字塔存在一樣久的時間嗎?
很可能會。因為現(xiàn)在的建筑材料比過去都先進。當(dāng)保持干燥時,鋼筋混凝土的建筑也許可以永遠存在下去。但是,如果在降雨頻繁的地區(qū),水會慢慢與石灰石、水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng),沖走水泥,讓鋼筋生銹。不過,金字塔要是也處于多雨水、多地震帶的地區(qū),情形也好不到哪去。干燥的沙漠環(huán)境和地震不頻發(fā)也是金字塔存在的一個重要原因,處于沙漠地帶的胡夫金字塔在將近5000年的時間里才經(jīng)歷了三次地震。
所以,如果能被精心維護,再加上科技不斷地發(fā)展,摩天樓將有可能和金字塔存在一樣久的時間。換句話說,如果人類不推倒摩天大樓,它們就可能不會倒。也許,這些堅固的高層建筑,將在未來成為見證我們這個時代文明的奇跡。