▲高层建筑的风振效应,图片来自B1M
对于146.5米的胡夫金字塔而言,是不需要担心重力荷载和风力荷载问题的。因为金字塔的结构很简单粗暴:它就是一个实心的三角体,上面小下面大,虽然承受的重力很大,但底部的受力面积也很宽阔,重力除以受力面积,总的来说金字塔面临的压强并不高,不用担心因为重力荷载过高而产生的沉降和坍塌的风险。
同理,因为金字塔是一个实心的三角体,也根本不用担心风力荷载的问题,它就是一个底层牢固的大石墩子,“任尔东西南北风,我自岿然不动。”但金字塔想再提升高度,只能是一层层的穿马甲,146.5米的高度已经是,不计成本举全国之力的时代绝响了。
作为哥特式教堂的典范,157.3米高的科隆大教堂面对重力荷载和风力荷载,给出了较为高明的结构形式。在应对重力荷载上,科隆大教堂采用了拱券作为支撑,极大提高了建筑的抗压能力,另外科隆大教堂用柱子代替墙面作为建筑的骨架,屋顶采用木制等方式,减少自身的重量,缓解压力。
▲拱券与扶壁系统
科隆大教堂在风力荷载上,用尖拱作为顶部构建,降低了风力的受力面积。然后再用飞扶拱支撑在高塔的侧面,抵消左右的晃动,保证高塔不会倾倒。即使是这样,在超过600年的建造时光里,科隆大教堂依旧坍塌损毁数次。
可以说在传统砖石建筑里面,科隆大教堂在技术层面已经做到了极致。对于这个建筑奇迹,只能感叹于信仰的力量。而这对于法国世博会300米高塔而言,并没有多么大的借鉴意义,如何解决重力和风力荷载的问题,也成为建造300米高塔的工程关键。
当钢铁直男遇上浪漫之都
法国政府在公布修建300米高塔的计划后,很快便收到了超过700份建造方案:有人提议造一个巨大的断头台,象征昔日帝国的结束;有人提议建造一座高耸的洒水装置,在干旱的季节喷洒整个巴黎,还有人提议建造一个太阳柱,用塔顶的光源和镜子反射系统来照亮整个巴黎。
其中支持率最高的是著名建筑师朱尔·布尔代的“太阳柱”方案,值得一提的是,世博园原有的老夏悠宫也出自这位建筑师之手。照亮整个巴黎的“太阳柱”预示着法国重回“太阳王”路易十四时代的荣光,整个建筑采用传统的大理石和花岗岩进行建造,将希腊的柱式和浮雕用作装饰,充满古典审美的韵味。
然而这些方案,还是停留在传统的砖石系统当中,并没有从结构层面给出重力荷载和风力荷载的解决办法。