为什么摩天大楼不够高?

作者: 发布时间:2022-04-26 来源:复旦发展研究院+收藏本文


「选题人」

除了扩张外,城市的垂直增长也是经济学家们很关注的议题。越大的城市越愿意建更高的楼,但摩天大楼高度如何决定呢?ConstructionPhysics 专栏作家Brian Potter 从技术、经济和规制等角度解析了摩天大楼为什么无法太高的原因。


在一项新技术的发展中,我们经常能够看到一种特征:最初,其实体功能受到技术本身的限制——即所构建和使用的功能接近技术的实体能力的极限。但随着技术的发展和能力的提高,一项技术的实体功能和它的经济功能之间会出现分歧,你会开始见到性能较低但价格更实惠的商业化版本。然后,当人们开始在这个经济可能性的范围内继续发展时,能力往往会受到法律限制的进一步制约——尤其是当这项新技术有任何(实际的或可感知到的)负外部性时。


汽车和速度限制就是一个例证。第一辆量产车是奔驰的Velo,也是最快的汽车,最高时速约为每小时12英里。这项技术很快得到了改进,到20世纪40年代,最快的量产车时速可以超过100英里,而专门制造的测试车时速可以达到近375英里。


而“经济”速度落后于此——1952年最流行的汽车(别克Roadmaster)的最高速度是每小时91英里。由于高速行驶具有负外部性(过量的车祸、行人安全问题等),随着汽车速度的增加,各州开始制定速度限制措施,进一步限制汽车的行驶速度。1901年,美国的第一次限速令出现在康涅狄格州,这将城市中的车速限制在每小时12英里(当年最受欢迎的汽车是Oldsmobile Curved Dash,最高时速约为每小时20英里)。


建筑技术也显示了这种动态,工程、经济和法律上的最大限度的分歧。建筑的经济高度低于建筑技术的实体能力,一旦经济高度上升到一定值,我们就会看到进一步限制建筑高度的法律。


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建筑高度简史

文明社会建造建筑物的时间已经足够长了,我们会发现建筑甚至在古代历史上就已经达到了经济和法律的极限。罗马能够建造超过150英尺(48米)高的建筑,也就是大约13层的现代建筑——罗马圆形大剧场高159英尺(48.4米),万神殿高141英尺(43米)。而经济高度落后于此——文字证据表明,罗马的住宅建筑(古罗马公寓)最高约为7或8层,5或6层更为常见。法律上的限制有时甚至更低:为了减少倒塌的风险(这显然并不罕见),各个皇帝颁布了限制建筑的最高高度的法令。奥古斯都把建筑物的高度限制在70罗马英尺(略高于皇家英尺),后来图拉真(Trajan,古罗马皇帝)进一步把高度限制在60英尺。


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旧世界主要高层建筑图(1884年)。

来源:Cram’s Unrivaled Family Atlas of the World, Chicago IL. CC-PD-Mark


虽然法律限制会因时间和地点而有所不同,但这些基本的实体及经济限制直到19世纪末才发生变化。建筑技术允许逐渐增加建筑高度(尽管仍然没有超过吉萨大金字塔的高度),但实际的建筑仍然被限制在5或6层。例如,观察一下佛罗伦萨的建筑列表,你会发现除了教堂圆顶或钟塔之类的建筑外,没有超过6层的建筑。


有两种技术可以超越这些限制。首先是金属骨架(最初是铁,后来是钢),极大地提高了结构的实体建造高度。埃菲尔铁塔由锻铁制成,高达981英尺,接近之前世界最高建筑华盛顿纪念碑的两倍。其次是电梯,它使人们能够到达建筑的高层。


这些发展极大地提高了建筑物在经济上所能达到的高度,使得第一批摩天大楼得以建造。在金属骨架出现之前,最高的建筑和结构是用承重砖石建造的。建筑物越高,底部的墙体就越厚,以支撑上面的荷载,这意味着每增加一层楼,就会减少下面楼层的可用空间。下图这座16层的蒙纳德诺克大厦(Monadnock building)是最后一批使用承重砖石结构的摩天大楼之一,其底部的墙体厚6英尺(1.8米),而华盛顿纪念碑的墙体底部厚15英尺(4.7米)。


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1910年蒙纳德诺克大厦的复古明信片。

公共来源


但对经济建筑高度的更根本的限制是到达高层。在电梯出现之前,高层建筑的高层租金往往较低,因为到达高层建筑比较困难(这在没有电梯的建筑中仍然如此,比如纽约的步行楼),即使你有体力爬楼,建造更高的建筑的收益也在递减。电梯扭转了这一趋势,使视野更好、能隔绝噪音和街道气味的高层更有价值。


到19世纪80年代末,这些技术已经得到充分发展。19世纪50年代发明的贝塞麦炼钢法,可以在几分钟内(而非几天内)生产出大量钢铁。19世纪70年代,托马斯基本工艺的加入,去除了会使钢铁变脆的磷杂质,放松了对矿石质量的限制。这使得钢铁得以经济地大规模生产——钢铁价格从1867年的每吨170美元下降到1884年的每吨32美元。


虽然电梯的想法并不新鲜(斗兽场有送饲养动物进入竞技场的电梯),但蒸汽机(以及后来的电力)的发展为电梯提供了有效的动力,第一批蒸汽动力电梯在19世纪初开始出现。但是,1853年奥的斯的安全制动器(如果电缆断裂,可以防止轿厢坠落)的发明,使电梯能够安全地供乘客使用,而在19世纪70年代初,装有电梯的商业建筑开始出现。


这些技术变化的影响在纽约和芝加哥最为明显,这两个城市在20世纪初经历了巨大的人口增长,而且之前没有建筑高度法规的历史。纽约最高的建筑从1890年的279英尺(85米)增加到1930年的1250英尺(381米)。这不仅仅是一些高建筑物的面子工程的问题——到1913年,仅曼哈顿就有近1000座11到20层的建筑,51座21到60层的建筑。


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随着纽约高层建筑数量的增加,居民们越来越担心它们的负面影响。高层建筑挡住视线,投下阴影,这在一个几乎所有建筑都使用自然光照明的时代很重要。人们担心交通拥堵加剧、新鲜空气不足以及消防安全问题。


1916年,纽约通过了第一个分区法规,对建筑物的体量进行了限制。在此之前,开发商在一块土地上的建筑高度或规模没有任何限制,允许建造完全占用其土地的大型建筑,比如40层的公平大厦(Equitable Building)。


在1916年的分区法之后,建筑的高度仍然不受限制,但只允许在地块的四分之一范围内建造。随着建筑的增高,地块其余部分的任何建筑都被要求有一系列的后退,从而形成了一种独特的“分层蛋糕”风格。帝国大厦(Empire State Building)就是这种建筑的一个例子,尽管它较大的占地面积意味着它需要的后退式建筑相对较少。


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克莱斯勒大厦(Chrysler Building)1932年,纽约市曼哈顿中城。

Samuel Gottscho,公共来源


芝加哥是20世纪初美国另一个建造了大量高层建筑的城市,我们在那里看到了类似的轨迹。芝加哥在1893年通过了130英尺(39.6米))的建筑最高高度限制,在接下来的几十年里,该限制被多次调整(1902年达到260英尺,1911年回落到200英尺,然后在1920年回升到264英尺)。1923年,芝加哥通过了一项新的分区法令,允许建造更高的塔楼,只要它们不超过下面建筑质量的六分之一。这导致了另一种独特的建筑风格,即大型的、板状的建筑顶部有不成比例的小塔。


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碳化物和碳建筑-硬石酒店(Hard Rock Hotel),芝加哥。

来源:Loco Steve on Flickr


在这里,我们看到了相同的基本模式在重复:改进的技术创造了新的实体和经济可能性,使人们能够在以前只能以巨大代价实现的高度上进行建设,并从中获利。随着经济领域的不断扩大,这种新的高度所带来的负面影响被法规所限制。


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现代的实体限制

自20世纪初以来,建筑高度的基本实体限制并没有实质性的改变。在1930年出版的《摩天大楼:一项关于现代化的办公大楼经济高度的研究》一书中,作者推测,在没有其他限制的情况下,钢架建筑的工程限制将允许塔高达1英里的塔楼,弗兰克·劳埃德·赖特(Frank Lloyd Wright)在1956年提出了一个名为“伊利诺斯州”的1英里高的塔楼。虽然还不清楚这些是否真的可以建造,但目前的建筑技术也有这些基本的限制。在《高层建筑参考书》中,作者指出,在纯重力负荷下,钢结构建筑的高度可能达到10000英尺(3000米),如果考虑到侧向要求,高度可能会下降一半。


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通过《高层建筑参考书》估算出建筑的最大实体高度。


侧向设计控制建筑高度有几个原因。首先,重力荷载随建筑高度线性增加,而风和地震引起的弯矩则随建筑高度的平方而增加——建筑高度增加1倍,弯矩就会增加4倍。挠度和侧向摇摆更糟糕——它与高度的4次幂成比例上升。高度增加1倍(同时保持其他一切不变),侧向挠度增加16倍。


这就产生了一个具有挑战性的设计问题。高层建筑需要足够的刚性,以避免过度的摇摆,但刚度是建筑质量和几何形状的函数,而不是材料强度。你可以简单地通过使用更强的混凝土混合物来增加混凝土建筑的垂直承重能力,但这对建筑刚度的影响相对较小。在超高层建筑中避免这种运动通常需要调谐质量阻尼器之类的东西,而将混凝土作为超高层建筑使用的材料的部分原因是它具有阻尼侧向运动的能力。


建筑物高度的进步常常与抗侧向力的进步有关。设计埃菲尔铁塔的主要障碍是确保它有足够的强度来抵抗风力,而铁塔的设计(其锥形结构和敞开的铁格子)是这些限制因素的一个函数。高层建筑技术的主要进步之一是“管”概念,通过将建筑设计成一个单独的管,而非离散的梁和柱的集合,大大增加了建筑的刚度。一些最著名的高层建筑,如威利斯(以前的西尔斯(Sears))大厦(Willis Tower)和前世界贸易中心(World Trade Center),利用这种管的概念来实现它们的高度。


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现代的经济限制

由于经济高度边界是实体高度边界的函数,所以我们也没有看到经济最大高度有什么变化。


电梯的发明改变了建筑高度和价值之间的关系,使得较高的楼层与较低的楼层一样有价值(或更有价值)。虽然用钢筋代替砖石结构解决了底层面积逐渐减少的问题,但它并没有改变基本的限制,即每增加一层楼就相应地增加更多基础设施。


一个主要的限制是电梯。高层建筑需要快速的电梯服务,使高层楼层可用,因为长时间的电梯等待会降低可收取的租金。与其他运输技术一样,电梯系统的规模受高峰期的交通量制约——对于办公楼来说,高峰期一般在中午。随着建筑物楼层越来越高,需要越来越多的电梯为高层服务,这就对下面的楼层造成了干扰。其结果是,较高的建筑必须按比例将越来越多的空间用于电梯。有一些方法可以从数量较少的电梯井中挤出更多的容量(比如使用双层电梯,或者在更高的楼层设置转移电梯),但这些方法不会改变基本的动态。这对于单位面积的居住者更少、高峰交通流量更低住宅建筑而言更容易实现。


高层建筑中的一切都面临着类似的动态。更高的建筑需要更复杂的机械和管道系统,因为更高的水压和处理室外空气具有复杂性(例如,室外空气可能在高速移动)。它需要更大、更昂贵的抗侧力系统和地基。在建筑施工过程中,工人和材料转移到上层需要更多的时间,导致更高的建筑成本。这一切结合起来,使建筑的成本随着建筑物高度的增加而越来越高。


其结果是,你可以看到高层建筑的投资回报呈明显的抛物线形状。最大回报点因城市、建筑类型和建筑位置而异,房地产专业人士为确定特定情况下的经济建筑高度付出了很大的努力。对于一处价值不菲的城市地产上的办公楼而言,传统意义上被认为应该有60到70层楼高。在规划帝国大厦时,经过计算,75层是最优高度,而在规划世贸中心一号时,开发商建议70层为最大高度。但曼哈顿超高住宅楼数量的增加表明,这一限制可能正在增加,至少对豪华住宅房地产而言是这样。


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超过这个“理论最佳”的建筑高度通常是为了高度而高度,一个特别高的建筑将有“声望价值”,这将弥补低效的设计。(真实的或可感知到的)声望的好处,加上服务高层的成本上升,往往导致建筑通过在顶部增加大量的闲置空间来达到其高度。目前最高的建筑哈利法塔(Burj Khalifa)可能是这方面的终极例子,该建筑顶部29%的空间都是空置的。



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现代的法律限制

现代法律对建筑尺寸的限制是复杂的,而且差别很大。这取决于建筑类型、建筑地点、使用的材料、可以获得的空间权以及司法管辖区(和公众)的批准等因素。


法令限制旨在解决各种各样的问题。一些城市,如巴黎和华盛顿特区,长期以来一直有极其严格的建筑高度限制,以试图保持城市的特色不变。其他城市,比如伦敦,也有基于“观景走廊”的限制,旨在确保从城市的不同位置都能看到城市的各种地标建筑。这有时会导致有趣的建筑形状,如Leadenhall大楼,它有一个陡峭的锥度,以确保能不受限制地看到圣保罗大教堂。最常见的限制形式是最大建筑面积比(FAR),它将建筑的大小限制为其所在地块的大小的一定比例(FAR为2意味着你的建筑总面积不能超过地块大小的两倍)。例如,纽约有各种各样的最大FARs,这取决于你的建筑地点和内容。


由于法律限令对本来可以经济生产的东西进行了限制,它们有办法成为优化目标。没有比5+2裙楼更能说明问题了,这是一种几乎完全根据建筑规范规定存在的建筑类型。美国的建筑法规允许在多户型公寓建筑中使用轻型木结构,只要木结构部分的高度不超过5层(有时是6层)。超过7层的建筑被认为是“高层”建筑,这一定义带来了许多繁琐和昂贵的法规规定。结果是,多户型建筑通常由1到2层的混凝土“裙楼”(包括停车场、零售空间或便利设施)组成,然后在其上放置4到5层的木制公寓。因为建造起来非常经济,美国城市地区的大部分住宅建筑都是裙房建筑。


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高度之外

建筑高度可以被认为是一种更密集地使用给定土地的技术,从中挤出更多可用的空间。虽然这一直是默认的方法,但其他技术也在以意想不到的方式增加可用空间的数量。


荧光灯就是一个例子。在白炽灯发明之前,建筑物需要自然光照明,因为白炽灯本身不能提供足够的照明。这限制了建筑的形式——办公室需要在30英尺的窗户范围内才能使用,这就导致了像长条形的建筑,或中间有大型垂直中庭的方形建筑物。荧光灯的引进意味着办公室可以远离窗户,使得建筑的造型更加高效——摩天大楼的可用空间从每层65%增加到80%。更高效的外形减少了昂贵外墙的数量,降低了建筑成本。


居家工作和爱彼迎(Airbnb)提供了另一个例子——很明显,它们没有创造更多的建筑面积,但它们都允许利用现有的建筑物,使其更密集地使用,否则白天就会无人居住。而像“幽灵厨房”这样的服务,通过消除顾客座位的需要,将多个餐厅的厨房放在一个屋檐下,可以将多个餐厅挤在一个相对较小的建筑区域里。


但这类技术的潜在收益往往是有限的——每层的可用面积不能超过100%,或者每天的可用时间不能超过24小时。另一方面,增加建筑高度的潜在收益是更高的——荧光灯使建筑物的可用空间增加了1.23倍,而帝国大厦使其地块上的可用空间增加了32倍。


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过于严格的法律限制

理想情况下,对建筑高度的法律限制应该足够严格,以适当考虑到过度建筑高度的负面影响。但有证据表明,目前的法律限制往往远远超出这一范围。


由于法律限制通常是复杂和模糊的,我们可以通过比较租金成本和增加额外一层楼的边际成本来估计建筑高度限制的规模。当格莱泽(Glaeser)等人在2005年对曼哈顿进行这一研究时,他们发现,租金成本大约是增加一层楼的边际成本的两倍,他们得出结论说:“对(开发商)为什么不利用这一机会的最好解释是他们自己告诉我们的原因:纽约迷宫般的建筑法规有效地限制了它们的建筑高度。”柴郡(Cheshire)等人在2007年发现,欧洲各主要城市的租金与成本比率相似。当格莱泽等人试图估算纽约建筑高度外部效应的规模时,他们得出的结论是,其规模远不及租金/建筑成本的差异,这表明目前的高度限制远比必要的严格。


这些建筑高度限制使我们所有人都变得更糟——它们不仅人为地限制了最需要的可用建筑空间的供应,造成了无谓的损失,而且还屏蔽了增加密度所产生的潜在集聚效益。这使得工人和企业的生产率和创新力低于本可以达到的水平,这不仅损害了他们,也伤害了其他将从更便宜、更好的商品和服务中受益的所有人。


其结果是,在建造更高的建筑时,有很多容易实现的目标。我们不需要发明任何新的技术来推动建筑的可能边界,我们只需要停止阻碍我们自己的一些措施。