但如今鄰城阿布達比可能一舉凌駕其上

這是「首都大門(Capital Gate)」---地球上最傾斜的摩天大樓

它抗拒重力場

比義大利比薩斜塔斜度超過五倍以上

要使此樓昂然聳立

需要運用非比尋常的工程設計

其可能改寫摩天樓的建築規則

偉大工程巡禮：阿布達比斜塔

位於波斯灣海濱

座落著阿布達比(Abu Dhabi)

其為1971年統合之阿拉伯聯合大公國(United Arab Emirates)

七部落國中最富裕且幅員最大者

阿布達比正在經歷當代最大改貌工程之一

其統治者 Sheikh 哈利法•賓•紮耶德•阿勒•奈揚 (Khalifa bin Zayed Al Nahyan)

想躋身城市超級聯盟(The City Super League)之列

他能砸下兩千多億美元

將首都改造為世界級的商業與觀光中心嗎？

據說他已經花了30億美元

興建史上最昂貴的旅館

大公皇宮(Emirates Palace)飯店擁有114座黃金圓頂

極盡奢華之能事

房價高達每夜一萬兩千美元

不僅如此

他還打造了全球最宏偉、華麗的清真寺

可以容納四萬名朝拜者

大清真寺(Sheikh Zayed Grand Mosque)擁有全球最大的地毯

以及舉世第一的寶石鑲嵌水晶吊燈

但就連這些建築物也澆不息他追求超凡的渴望

現在 Sheikh 想打造一座建築奇景

其將立即成為阿布達比的國際印象

奉命完成這座指標建築的是 Sheikh 的堂弟

蘇丹•賓•塔胡倫•阿勒•奈揚殿下(His Highness Sheikh Sultan bin Tahnoon Al Nahyan)

這將是獨樹一格的建築物

讓阿布達比成為…

全球的文化中樞之一

而建築物也成為

啟發靈感與藝術整體的一部分

這是一項艱巨挑戰

這是塊極端工程設計已司空見慣的區域

鄰近的酋長國杜拜(Dubai)

已修建了全球最高的摩天樓

828公尺高的卡利法塔(Burj Khalifa )

以及指標性的奢華旅館帆船飯店(Burj Al Arab Hotel)

Sheikh 蘇丹僱用了一支建築團隊

清楚提出設計宗旨

勿在體積和高度上爭勝

但向建築學規則挑戰

對其中一位概念建築師尼爾範德芬(Neil Van Der Veen)而言

這是絕無僅有的機會

現在的時代精神

沒有什麼是不可能的

不管什麼都能辦到

我們可以在建築上面

呈現阿布達比站在時代的最尖端

建築師從阿布達比的地理景觀找尋靈感

而他們找到了

---從風吹拂的沙丘和波斯灣的起伏的浪濤之間

我們揉合風和水的概念

兩者都是動感的,是大自然流暢的節奏

而我們要如何捕捉這些？

因此表面就平滑得多

最初看到時我真的非常高興

因為如此建築看上幾秒鐘就會產生第一印象

設計團隊提出一個非比尋常的設計

一座從地面曲折上升160公尺的塔

靈感來自沙漠的旋風

和拍擊沙灘的海浪

這棟抗拒重力的摩天樓

較義大利比薩斜塔傾斜幾近五倍以上

這棟大樓的每個角度沒有重複之處

註定讓人瞠目結舌的樓

我們很希望付諸實現

而我突然看到一個願景

看到代表他們的建築物

然後就沒有什麼可阻擋我們了

Sheikh 蘇丹希望下半部樓層成為阿布達比最高檔的辦公樓區

最高的18個樓層則被指定作為皇家級的五星級飯店

但為了發揮極致效果

這棟地標性摩天樓也需座落一處尊顯的地點

Sheikh 決定斜塔比鄰一處重要國家建築

---大看臺

由他伯父---阿拉伯聯合大公國的創始人

Sheikh Zayed 所興建

至今仍是舉辦國家慶典的重地

這座紀念性建築和這座摩天樓

將把阿布達比的未來與過去銜接起來

50年來這片土地經歷了無人經歷過的極端變化

1958年發現巨大的石油蘊藏

推動了進步的巨輪

阿布達比的統治者 Sheikh Zayed 有個願景

統一七個酋長國

免於曰後財政上受西方的控制

接著他著手利用石油

打造一座從沙漠拔地而起的城市

如今隨處可見 Zayed 留下的留風餘緒

而現在他兒子也想留下一份自己的影響力

再度改變阿布達比的面貌

不過這回要讓它躍上世界舞臺

Sheikh 哈利法規劃一處20億美元的新商業區

稱為首都中心

緊鄰中東最大的商業中樞

阿布達比國家展覽中心

這是打造指標建築的最佳位址

並且從這個地點獲得靈感

就叫新大樓「首都大門」

現在這個構想必須從紙上作業

轉換成施工實地

唯一的問題是

嘗試這樣一棟摩天樓算是前無古人

大家體認到

這棟建築物很誇張

要怎麼樣才蓋得起來

要實現首都大門抗拒重力的設計

需要突破傳統的工程設計

而挑戰始於第一天

頂樓外懸底部33公尺

形成巨大的力矩

可能把大樓從地基土壤中拔出

在建築工地

總工程師東尼阿契伯德(Tony Archibold)

因為眼前的任務卻步

我剛接手這項工程時

閱讀設計圖

我多少當場楞住

我不確定自己弄懂了它,我不瞭解這項工程

我花了好一會兒功夫才明白眼前是什麼樣的任務

要首都大門屹立不搖是工程學上一項艱巨的挑戰

絕非僅靠單一解決之道

要克服地心引力需用上一整套的創新技術

而萬丈高樓始於將地基埋入地底深處

大樓的一側重量壓向大地

大樓另一側則被重量從地面拉出

這是因為我們要對付巨大的頂外懸

解決之道為打下幾近四百根混凝土基樁

以兩種不同的方式發揮功用

在大樓斜倚的一側

半數的基樁承受頂懸所造成的力矩

在相反的一側

剩餘的基樁則錨定在更深層的岩床上

抵抗試圖將大樓從地表拔脫的力矩

最後為了將首都大門的力量平均分配到每根基樁上

在樁頂平鋪一層厚實的鋼筋混凝土板

從大樓的基礎我們得知

大樓每一方面的工程都必須去量身設計

挖土機開挖多達六千立方公尺的砂石

在八週內把數百根基樁打人地底

我們要在非常接近的距離內打入大批基樁

這是非常困難的挑戰

工程進度不容延宕

Sheikh 蘇丹冀望首都大門在異常迫促的期限內完工

在不到兩年內

阿布達比將主辦世界未來能源峰會

來自50國的三千名以上代表和全球媒體

將齊聚於一旁的阿布達比國家展覽中心

那是展示首都大門的絕佳時機

證明阿布達比站在創新的前沿

但這留給施工團隊僅24個月的時間

來設計及興建一棟特殊風貌的摩天樓

基礎竣工之後

地表作業即可開展

但由於傾斜度太大

施工方式必須與傳統摩天樓大相逕庭

打好地基之後我們感觸到

這只是往後眾多難題的第一道

正規的摩天樓需要一根堅固的核心柱使大樓矗立

但首都大門的弧度只會使標準核心柱折斷倒塌

工程師必須揚棄傳統的思維

發明一種抗拒重力的工法

受到鄰近沙漠景觀和其中風積沙丘的啟發

建築師設計出一棟帶曲線的斜塔

但它需要大膽的結構設計來防止首都大門傾覆倒塌

正常的摩天樓中央是隻細長的垂直核心柱

其將大樓所受之力(或力矩)傳導至大地

這棟大樓頂懸的部分很大

因此傳統的核心柱絕對行不通

就是不容你製造一根垂直的核心柱

因為強度就是不夠

首都大門的設計將迫使一支傳統核心柱產生危險的彎曲

頂懸的巨大拉力將核心柱固定一側不斷受牽引

最後導致混凝土被拉裂

我們必須伺候它,雖然……

確實比較纖細……

結構工程師蒙娜瓦希(Mona Vasigh)

知道這個問題棘手但必須要解決

當我看到這案子,我認為根本蓋不起來

是小孩子畫完隨手一丟的玩意兒

我總覺得...對建築師們來講,畫畫圖是輕而易舉

但要我們完成或滿足他們的需求可不容易

結構師研究出兩項破天荒的創舉

第一步是須先打造一支彎曲的核心柱

朝大樓傾斜恰恰相反的方向彎曲

當大樓越蓋越高時

大樓的重量會把核心柱拉直

總共將移位 350 mm

其效果將非常卓著

原本會受頂懸拉裂的混凝土

如今將受到壓縮和強化張力

先把核心柱修築成曲線

然後在較高的樓層加上厚板

把核心柱拉回垂直狀態

基本上,整支垂直核心柱處於部份拉伸與部份壓縮狀態

因而產生莫大的強度

核心柱每週加高四公尺

而工地主任列斯費柴德(Les Fairchild)負責施工

這約莫是我所遇過過一支最複雜的核心柱

須要蓋出一個斜角

而實際上由核心柱支撐整棟大廈

打造核心柱用的是滑升模板施工法

首先需編織一個稠密的鋼筋網

再用模板環繞鋼筋塑造出核心柱的外形

再向鋼筋網內澆灌混凝土

然後把模板或升模順著核心柱之壁上移

接著重複整個過程

滑升模板是一種液壓式平臺

一但通過四米的層高

我們輕鬆地把平臺扣在滑道上

用液壓千斤頂將之提升到下一個高度

核心柱會變得更加堅固當其被拉直時

但為使核心柱能承受極大彎矩

混凝土中必須埋進鋼棒(steel rod)強化

通稱鋼筋(rebar)

鋼筋在白天安裝

但因氣溫高達50ºC導致混凝土成份無法均勻

其乾得太快可能導致裂痕

為了以適當的速度乾凝

混凝土必須在涼爽的夜間澆灌

當核心柱越建越高

混凝土漿泵送的距離則越來越長

所以每一批混凝土的稠度

需要先做坍度(slump)試驗

確保不會堵塞輸送管路

當目視預拌車排放的混凝土漿時

通常可以分辨得出拌合料的稠或稀

坍度試驗要測的就這一點

我們只需把拌料模成一個圓錐,再掀起坍度筒

看圓錐高度會坍塌多少就得知其坍度

我們剛才看到坍塌高度 215 mm

在規範以內

因此可行澆灌

當預拌車開往泵浦那裏時, Fairchild 必需前往大樓的核心柱處

他可以選走樓梯

但90公尺的高度是段漫長旅途

他知道一條終南捷徑

由起重機起吊

澆灌作業毫無挂礙因為混凝土供應順暢

當拌料正往高層泵送時

弟兄們不停地幹活兒

從一邊灌到另一邊

一米接一米地層層澆灌

按部就班毫不馬虎

澆灌混凝土總令我們感到興奮

意味著又完工了一段,又要更上一層樓

但建造一支彎曲的核心柱

在其中填充鋼筋

抵抗重力仍嫌不足

我們想出後張(post tension)的施工方案

在核心柱壁內植入更多的強化件

然後再應用拉應力程序

基本上是把高抗張力鋼絞線插入核心柱中央

到了某個樓層我們只須施加張應力

其實就是上緊貫穿核心柱的鋼腱

實際上是把鋼腱拉緊

這是由一檯拉力機負責

事實上一旦鋼腱完全緊繃

當荷重施加在核心柱上時

核心柱也紋風不動

額外的強化物可防止核心柱崩潰

為對核心柱施加後張應力

共計 146 條鋼腱垂直穿過混凝土

每條長20公尺

貫穿五個樓層

鋼腱頭尾上下互相重疊以達最大強度

當鋼腱被拉伸後

其內部應力可抵抗巨大頂懸造成的撓矩

避免鋼腱附近混凝土被拉裂

工地上工人們正對核心柱施加後張應力

未嘗有人試將後張應力法垂直應用在摩天樓

長長的鋼腱被吊昇到核心柱的頂端

工人們則利用鋼腱本身重量

使其沿核心柱內部已預鑄好的水泥管道下墜

一旦鋼腱頭伸出管底

工人們即將管道兩端閉鎖

準備好對一束束鋼絞線施加張應力

氣壓千斤頂每次夾住一束鋼絞線

施力使之伸張

相當於五輛小自客拉住鋼索的一端

鋼腱現在已拉緊到適當的應力等級

灌漿作業可繼續往上進行了

目前使用的鋼索總量大約是 120 噸

而長度達 12 萬公尺

大約是金門(Golden Gate)大橋的 44 倍

這個過程周而復始

意味著大樓核心柱應該承受得住

首都大門頂懸產生的異常巨大力矩

但現在還得解決更大的難題

大樓傾斜扭曲的樓身設計必須從紙上轉為實體

而又一次地,這意味打破建築學的常規

為了彰顯阿布達比的建築水準

首都大門需要一身傾斜又有曲線的外框架

但大樓的極度傾斜再度造成棘手難題

大樓在外觀上有非常明顯的頂懸

表示傳統摩天樓的建築工法

不可能行得通

絕無可能

依照設計,外架須薄

以創造最大的樓層面積

並容許安裝大片全景視野窗

阿爾凡‧阿默德(Irfan Ahmed)是必須解決問題的工程師之一

對結構工程師而言,接受建築師的要求

總是件苦差事

他們總希望外架越薄越好

沒想到卑微的小雞竟能幫忙解決這個工程難題

基本上,大樓的外架

和雞蛋大同小異

雞蛋能承受巨大荷載

因為它把力道透過蛋殼往下平均分配

這表示外殼可以纖薄

形成更大的內部空間

因此蛋殼非常纖薄

卻又非常堅固

如果我想壓碎這枚雞蛋

看得出它的韌性其實好得不得了

讓我們瞧瞧它到底多有韌性

這裏排列了170顆雞蛋

我們用焦渣石在雞蛋頂上加上負載

真相就要揭曉了

目前為止一切安好

每塊焦渣石重15公斤

這裡幾乎有半輛汽車的重量

壓著我們的170顆雞蛋

看看還能多壓幾塊焦渣石

總共30塊

我想馬上要撐不住了

精彩畫面來了

這是真的,馬上就完蛋了

這些雞蛋終於被壓碎

這些雞蛋終於被壓碎

但其撐得住四百五十幾公斤

相當於半輛小自客的重量

首都大門不能使用蛋殼傳送力量

但可以運用蛋殼的原理

採用斜交格結構(diagrid)外框架

斜交格是一巨大的鋼樑網格

包裹著大樓核心柱

鋼樑之間以一個節點(node)/接合點(joint)銜接

形成一個十字形元件

把720個形狀獨特的元件組合起來

形成一個纖薄但又無比堅固的斜交格結構

這些十字形元件把大樓外表所受之力均勻分佈到地面

實現方法是製造一個均勻的網格

讓受力可以非常平均地分佈

這樣便可採用較纖細的桿件

工地上有420名鋼架工正組裝斜交格結構

首都大門底部比較簡單的直立部分已經組裝好

但現在外架開始傾斜

安放作業變得更為艱巨

每個十字形元件重達16噸有獨特幾何形狀

必須用起重機以精確角度放置

如果斜交格的組裝誤差不在 1 mm 內

網格鋼架便無法傳遞荷載

而外框結構體強度就會因此減弱

工程師必須和鋼鐵包商密切溝通

後者設計和製作斜交格

地點位在 150 公里外的鄰近酋長國薛哈(Sharjah)

此處尖端施工作業是家常便飯

他們蓋過馬來西亞雙子星塔的一座塔樓

和杜拜的指標性摩天樓帆船酒店與哈利法塔

但首都大門革命性的結構差點讓這些專家也沒轍

在規劃部門

專案工程師巴斯克蘭(P. Baskeran)和他的團隊

需要特殊的3D軟體才能對付大樓極其複雜的斜交格結構

模型做好了

任何料想不到的重大問題

從3D模型都能一目了然

720 件十字形元件都經過精準的工程計算

不但能傳送巨大的受力

還能以不到 1 mm 的誤差

銜接相鄰十字形元件與玻璃帷幕

實施精準放樣時

工人們採取老式技術

粉筆

看起來或許簡陋

但極為精確

保證各支桿件都能被銜接

為了保持施工進度

工廠必須每週生產 18 個十字形元件

要在這麼短的時間興建如此重要的高樓

除非一天24小時作業,否則根本休想完工

當這棟摩天樓日漸增高

長時間的辛勞總算值得了

這個設計把斜交格結構的技術發揮淋漓盡致

實際上突破現有的水準甚多

連做夢都在想著這件工程

只要看到大樓越蓋越高

就忘記了長時間的工作和徹夜不眠的辛苦

一座雄偉建築物從阿布達比的荒漠快速拔升

現在到了用玻璃帷幕包裹斜塔的時候

依照這棟建築物違抗重力的慣例

帷幕也需要革命性的工程設計

鑲嵌玻璃至首都大門曲線傾斜的外框是個大問題

若用弧形玻璃覆蓋大樓不尋常的輪廓

勢必將超出預算

因此要覆蓋摩天樓的曲線

必須採用合乎成本效益的平玻璃

幸好,古希臘的幾何學派得上用場

這是個複雜的形狀

一個有機形狀,是彎曲的弧形

要用直線仿真弧形唯一的辦法是用三角形

三角形玻璃板容許繞三邊軸線旋轉