截止至2021年,我国共拥有14栋超高层建筑,是世界上拥有超高层建筑最多的国家,除了有我国的经济实力越来越强大,对于高层建筑的需求也在不断地增加外,我国这几年在建筑领域的实力和技术也越来越先进。
然而,我们建筑物能建造到哪个高度,有没有任何理论是需要遵循的,如果不遵循这个理论,多高都是可以建造的。
有这样一种想法就是认为只要是人力能做到的事情,是不是都可以做出来,那么对于建筑物的高度也可以做到随心所欲,那么现实中又是怎样的呢?
地球上建筑物的限制。首先我们先来考虑一下这样一个问题:一个圆的周长是2πr,而一个圆球的表面积则是4πr^2,假设这个圆球是等密度的,那么就能算出这个圆球的质量,而这个质量经过地球引力的运算,可以算出这个圆球的表面受到的压强。
而这个方程的推导就是地球中心引力方程F=G*m1*m2/R^2与圆的表面积F=p*A,算出这个方程,也可以得出建造在圆球表面的建筑物的高度,但是如果要建造比这个高度还要高的建筑物,那么这个建筑物就会因为所受压强的增大而形变甚至垮塌。
一般而言,地球上建筑物的高度是受到重力的影响,重力是有限制的,那么有了重力的限制,人类建造的最高的建筑就是迪拜的哈利法塔,这栋摩天大楼有着世界上最高的楼层和地下层,高达828米,不是最高的建筑物,但是是最高的超高层。
世界上最高的山峰就是珠穆朗玛峰,976大地震之后,珠峰南坡的杰娜绒冰川上的一块岩石雹砸在了冰川中,形成了一个凸起的山丘,成为如今的世界最高峰海拔8848米,然而这个高度也是有限制的,可以从以下两个方面进行说明。
首先就是重力,在地球上重力约为9.8m/s^2,而如果没有考虑到空气的影响,理论上可以建造到的最大高度大概就是3.2万米,而考虑到空气的影响,地球上大气的温度和密度是会随着海拔的增加而变低的,使得风的阻力也会随之减小,这样建造到的最大高度大概是4.6万米。
再往高处建筑的时候,建筑物最底层所受的压力就会越来越大,这样的话就要求建筑物结构的强度越来越大,而人类能做到的最大强度就是要求能承受9.8N/m^2的净压强。
人类能做到的最高的建筑物约为1010米,受限于南非的约翰内斯堡的卡尔登大厦,1010米是有深度和密度的条件下算出来的,首先需要4.4810^6m^2的底面积才能使得重力下建筑物承受的压强达到净重压强,同时需要大约2.0210^9m^3的体积,最后算出密度约为4.51*10^3kg/m^3,这个数值对应的是混凝土的密度。
而除此之外,我国建策的最高的建筑物最高的建筑物是632米,就是北京的观光塔,也是世界上最高的地标建策。
最后一点就是有空气存在的情况下,建筑物所受的压强会受到气压的影响,越往上气压越小,会使建筑物承受的内部压强也会越来越大,越来越增加,这个增加的趋势是随着建筑物高度增加呈现上升的。
而且建筑物越往上宽度会越小,也会逐渐变得不稳定,这个高度的约束主要是受到地球的重力、空气的阻力还有气压的影响。
那么踏上外太空的星球会不会受到高度的限制呢?
没有什么比我们更加直观的了,地球上最高的山峰是珠穆朗玛峰,而其他星球上面的火山有的都会比它高的多,比如说火星上的奥林巴斯火山就是,高度超过21000米左右。
那么为什么奥林巴斯火山能够比珠峰还要高呢?
主要是因为火星的原因,火星的质量比地球轻,火星的重力也就小得多,地球上建筑的高度受限于重力,而火星上受限于重力的高度就不一样了。
火星的质量是地球的十分之一,所以火星的重力约为地球的三分之一。
通过这个地球引力方程,就能算出火星上物体受到的压强,所以火星上的建筑物受压强小,所以看上去好像能够建造的高度更高,其实是因为火星的地质构造比较复杂,光是考虑到火山等地质原因,奥林巴斯火山所受的压强就要比地球高出许多。
超高建筑的困难。其实除了重力等原因对建筑物的高度进行限制外,还有一个人工造物的因素也是对建筑物的高度进行了非常大的限制,那就是建筑物本身的结构稳定性,虽然在地震等自然灾害上,建筑物的稳定性是非常重要的,但是在没有这方面的因素上,超高建筑的稳定性可以不这么复杂。
虽然建筑物是上宽下窄的形状,但是如果这种建筑物只有单层的话,那么就没有所受的重力的问题了,完全可以建筑到任意高度,而所受的重力主要是建筑物面积越大,所受的重力也就越大,所以根据重力的方程,只要建筑物越高,底座面积也要越大,这样就要考虑到经济性,同时考虑到上层建筑会受到不同的风力,所以在这一方面也是要考虑的,所以在现实中要是建造到超高,就有许多的困难要克服。
同时,高层建筑的地基就需要建设在地下深处,这一方面是要保证建筑物的稳定性和结构的坚固性,同时还有一个原因就是人们在生活中要求的地下室的层数。
这样看来,在没有纵向发展的空间上面,高层建筑就会显得地基广大,很有可能会打破地球上建筑物面积受到重力的限制,但是实际中它的高度是受到结构的限制的。
不过随着人工设计水平的提高,现在已经能够设计出很多新型的结构,比如说是电压悬挂,这样看来可以打破以上的约束限制,我们能建筑物的高度就能够达到更高的标准。
再说一说我国,随着经济的发展和人口的增长,城市的规划也逐渐倾向于垂直城市的化,这样能够节约土地资源。
摩天大楼的未来。其实摩天大楼的建设不仅是考虑到其高度,其形状以及周边的环境等各个方面都要考虑到,新型材料和新型的设计结构的出现或许能突破人工造物的的高度限制。
我们都知道碳纳米管具有轻、高强、高导的特点,它的质量单位面积上可以轻到接近于理论的极限重力的影响可以忽略不计,高强能够保证建筑物的结构和稳定性,这样就能够打破建筑的限高,高度可以随意的扩展。
所以在未来,有可能摩天大楼会随着我们的进步而不断的发展,不断的向着前进,但是现在的条件限制,摩天大楼的高度会受到限制,摩天大楼所处的地方还有很多的考虑问题。
结语尽管人们对摩天大楼的建设有很多的考虑和难题,但是对于人们来说,摩天大楼是我们不断向上进步的动力,同时也是我们对未来的一种想象,它所带来的是我们的激动和向往。
但是对于对于人们来说,超高摩天大楼的建设也有它的意义,而我们要做的就是保护它,让它能够更久的陪伴在我们身边。