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人类能盖出1万米高的摩天大楼吗?建筑技术是否有瓶颈?

2020-01-11心灵

混凝土极限抗压强度实验里面,用的是直径10cm高20cm的圆柱体混凝土试料,上下加压。到达极限强度的时候,试料会沿着一条斜线裂开,这就是结构被破坏。

网上找的图 (www.indianaaci.org)

目前我见过的混凝土试料里面,比较弱的能抗到20~30t,最强的40+t;内部添加了很多细钢丝等材料加固的强化混凝土,极限大约是140t。前者破坏时是咔的一声裂开;后者是巨大的爆炸声,外带少量飞散的碎片。

换算一下,假设有一根上下等粗的均匀圆柱体,由混凝土制作,那么它的极限高度会是2km,超过这个数值,最底下就会被破坏(压碎);如果换成强化混凝土,极限是7km。

那么盖楼的时候需要考虑哪些 内部因素 呢?一栋楼总不可能是实心的柱子吧,极少量的支撑结构要承受全部楼结构、地板和内部装修的重量,因此不可能达到之前提到的极限高度。通常为了稳定性,高楼可以建成下粗上细的结构,底部不用承受那么大的压强;但是高层建筑设计不能按照极限走,一定要留出足够倍数的余量。对于混凝土结构,2~3倍是很正常的——意味着允许的压强只有材料极限压强的1/3左右。另外,钢筋在钢筋混凝土里面的作用主要是抗拉(不是抗压)、抵抗混凝土被破坏时候横向的形变,差不多可以理解成一种强化方式。当然,这段讨论的还只是 静态 载荷,动态载荷(后面会提到)中钢筋的作用更大。

外在因素 就主要包括地震、风和地基稳定性之类。目前大部分建筑高度在10-100m,这个范围需要考虑的是地震,也就是抗震。地震会把楼朝各个方向蹂躏,压力拉力快速交错,材料稍有破坏就会被迅速放大。比如当年汶川地震,房子倒了一片,经济损失极大,很多人死亡,就是因为房屋抗震设计不过关。目前大部分结构已经有很成熟的抗震设计规范和方法。

对于跨度很大的桥梁和100m以上的建筑,风的影响会非常大。如果你站在上海中心大厦顶层,看环球金融中心,在风大的时候甚至会有肉眼可察觉的摇摆。抗风设计我不太了解,目前更多的是结构整体的设计、风洞试验、电脑模拟和细小结构外形的调整。

如果楼太高了,地面就撑不住了。这种撑不住不是你坐沙发上沙发陷进去那一瞬间,而是要把那一瞬间放大到100年级别。想象一下一栋大楼,每年下沉几厘米,持续几十年的样子。当然下沉不可怕,可怕的是土地下面不规则,每处下沉的量不一样。比如万一大楼北边下沉了20cm,中间下沉15cm,南边下沉了25cm,整个楼就会被从中间掰开,严重的就塌了……

目前这几个点只是人类盖出100+m楼以后慢慢遇到的情况。没人知道1000+m以上的高楼还会遇到什么奇葩的问题。很可能远不止一两个。

混凝土大约是目前为止人类制造出来的最强的材料了(其实就是人造石头),如果没有突破性的材料,10000m大楼是不可能的。

当然还没考虑这么高的楼怎么建造(脚手架?吊车?)、供水供电怎么办、电梯怎么搞、消防怎么应对……