未來城(BE0031)
A Scientist in the City

類別： 人文‧思潮‧趨勢>NEXT
叢書系列：NEXT
作者：詹姆斯．特非爾
       James Trefil
譯者：賴慈芸
出版社：時報文化
出版日期：1997年06月17日
定價：280 元
售價：221 元(約79折)
開本：25開／平裝／288頁
ISBN：9571323012

【夏鑄九序｜導言｜書摘 1｜書摘 2】

▼  書摘 1

第五章　眼見它起高樓，眼見它樓塌了

你放上最後一塊磚頭的那一刻，也正是它開始塌陷的時刻。

－－特利菲爾（Thomas Trefil），《石匠》（Stonemason）

我們從高速公路轉到進入舊金山市區的交流道，開始爬坡。坐在我旁邊的是一個頂尖工程師，持有特殊執照，可以在地震帶設計建築物。從車窗望出去，她嘆了一口氣：「你要知道，如果地震的話，這裡會是最慘的地方。」

「真的？」我開始在心裡計算可以抵達安全地面的時間：「為什麼？」

於是她簡單地描述了地面搖動時，地上的建築物會有什麼反應。她指出高架公路尤其脆弱，就是用一列柱子來撐住沈重路面的那一種。

她的機會教育深藏我心，特別是在1989年的大地震之後；在那場地震中，主要的傷亡就是發生在塌陷的高架公路上。但她的話還指出所有人為建築物的一個原則：一旦我們立起任何東西，自然的力量就開始把它往下拉。這個原理不是像地震或颶風等偶爾發生，而是像風和重力一樣無所不在。每一座人為建築都是對抗自然力的戰場，而每一個建築師都深切體會到自己作品的脆弱。建築者對抗毀滅者，人類對抗大自然的戰爭景象，在每個建築師腦海中縈繞不去。

我們大多數人觀看一座建築物時，看到的是外表的石塊、磚塊、玻璃等等。而一個建築師所看到的，卻是建材為了因應下拉的力量而變形、移動、發揮相抗衡的力量。它們全力抵禦大自然的破壞力，而獲得暫時的勝利。

到頭來，大自然當然定必勝無疑。我們最雄偉的紀念碑、都市，甚至埃及人的金字塔，終有一天都會成為一堆殘垣。但在大自然將其毀滅之前，人類文明的光芒在此閃耀生輝。

大詩人佛洛斯特有云：「有一點什麼，似乎不喜歡牆。」我們也不妨問問：「有一點什麼，似乎不喜歡建築。」我將會提到三種建築物的大殺手－－重力、風力以及地震，還有其他常見、沒有那麼戲劇性，但破壞力往往更為強大的力量。我們可以用一個簡單的類比來設想前面三種殺手：假設用一柄普通菜刀切進砧板。重力就好像菜刀的重量一樣，往砧板方向推下去；風力則推動菜刀上緣，使其來回搖動：地震的力量則是抓住砧板猛力往上垃。對建築師來說，每一種殺手都帶來不同的問題，需要用不同的策略來解決。

重力

一座建築最明顯的大敵就是重力。重力作用是我們生活的一部分，所以我們很容易視而不見，忘記重力一直在作用著，一直在往下拉。我們習慣看到成功對抗重力的建築，因此如果有一棟建築竟然被自己的重量壓垮了，就會成為大新聞。其實這種安全的氣氛只是假象，就好像我們以為只有三、四年代才拍得出好電影似的，卻忘記要好幾百部粗製濫造的劣等片，才看得到一部《北非諜影》，只因我們根本不會去看那幾百部爛片。同樣的道理，今天還看得到的建築，就是還沒倒塌的。在漫長的嘗試與修正過程中，千千萬萬已經倒塌了的建築物，是不會出現在我們眼前的。斷壁殘垣都已收拾乾淨，而每一次倒塌的教訓也已經牢牢儲存在我們的集體記憶之中。但是，每一張建築設計圖的首要要求，還是要能經得起重力的考驗。

重力的作用，就好像從上往下流的小瀑布。大部分的建築都石屋頂，而屋頂的重量就成了這個瀑布的頭幾滴水。一路往下流，牆壁和樓板的重量也都加進來，瀑布越來越大，遇到往外的通路時，像是門窗之類，就轉向到側面去。建築很高的話，這小瀑布到地面時可能就是湍急的洪流了。一座七、八十層樓建築的重量，在建築剛完成時，就足以把地基的巨大鋼柱壓下整整一吋之多。

這瀑布流到地面以後，還是得有地方去。所以，我們第一個問題很簡單：建築之下的地層能撐得住嗎？看看都市下面的地質歷史，通常可以告訴我們許多都市的知識。

舉例來說，在曼哈頓島上，高聳的建築物底下是五億年之久的地質，係遠古海洋的沈積物質，再經山脈深處的重壓和高溫（這山脈也久已被侵蝕殆盡），成為中央公園裡露出地表的黑色堅硬岩石。

這種特殊地質結構的型態，可以用來解釋紐約摩天大樓的一些特色。曼哈頓的高層建築都集中在兩個地方，圍繞著華爾街的南端，以及靠近中央公園的城中區。在這兩區之間則有一區比較矮的建築，像是摩天大樓群中的地塹似的。我以前總以為這種安排是出於經濟考慮，認為這個地塹帶或許不是辦公大樓的良好地點。其實，真正的原因卻是地質因素。島嶼南端的堅硬岩石帶靠近地表，越北卻越深入地層，然後再次靠近地表。在這種堅硬岩石靠近地表或露出地表的地段，就有高層建築。而如果堅硬岩石深入地層，地表都是冰河沈積的鬆散石礫，上面的建築自然就比較矮。換句話說，曼哈頓的摩天建築，正描繪出曼哈頓地質的輪廓。

但有時情非得已，也可以在沒有岩石地層的地方建立都市。芝加哥漢考克中心（John Hancock Center）底下的鋼筋水泥沈箱，就是沈在密西根湖岸的軟泥裡。其他都市也不乏類似的情形，義大利威尼斯的歷史建築，地基多半只是沈在沼澤泥地中的樹幹罷了。以結構工程師寇拉科（Joe Colaco）的話來說：「休斯頓的地基只不過是厚厚的一層泥，而紐奧爾良－－他們不喜歡我說－－情況也差不多。」怎麼解決？在休斯頤，建築物浮在淤泥上，就像海上的浮標一樣，紐奧爾良則用打樁的方式來固定。事實上，如果你非常想在某處蓋房子的話，地球表面上的每一個地方，幾乎都有辦法平安地把重力導引到地面上。

重力通過建築物，就必然有轉向的時候。舉例來說，如果想在牆上開個門或開個窗，就得處理原本流經該處的重力。即使只是穿過一個小平房的門也該想到，屋頂的部分重量正從我們頭頂上的區域轉移到別的地方去了，所以才不會落在頭上。

轉移垂直重力最簡單的方法，請看圖二的左圖。這種建築師稱為過樑，而工人稱為門楣的結構，就像溪流上的水壩一樣橫過重力流，使重力流繞到旁邊去。下次你如果經過正在起建的木造房屋，不妨觀察一下牆壁。你會看到在直立的柱子間架有水平的橫樑，以便使重量轉向。

另一種源遠流長的分流技術，就是圖二的右圖：拱形結構。重力的分流會把楔形石塊緊緊地壓在一起，而使結構保持完美。羅馬人就已經懂得用拱形結構來築石橋，而現在歐洲各地還留存的中世紀建築，也都可以看到拱形結構。此種利用重力作用來楔牢結構的原理，廣泛運用在大型的石材圓頂建築，如羅馬聖彼得大教堂，以及伊斯坦堡的聖智教堂（Hagia Sophia）等。

拱形結構最頂上的一塊石頭，即「拱心石」（keystone），通常比其他石頭大一些。這本是出於美學的考慮，卻使大家誤以為這塊石頭有特殊的重要性。其實，整個拱形結構的每一塊石頭，重要性完全相同，就像一條鏈子不會有哪一環特別重要。

有些老舊的建築物，偶爾還會出現一種有趣的現象。以雅典供奉雅典娜的帕特農神廟（Parthenon）為例，當初建造這座神廟的時候，工人把一塊石板架在柱子上作為橫樑（如圖三的左圖所示），把重力轉移到側邊。然而多年以後，這塊石板開始龜裂，變成圖三的右圖。但是，這塊裂開的石板卻成了一個拱形結構。大部分的情況下，這個拱形結構會比原先的石板結構還要堅固，因此這個建築物在門楣裂開以後，反而更能屹立不搖。

但拱門和門楣所能轉移的重力是有限的。建築物越高，往下流的重力就會開始限制門戶的大小。越下層的牆壁必須造得越厚，以承擔重量，因此也就越難在上面開窗戶。中世紀早期陰暗的羅馬式教堂，窗戶都非常小，就是很好的例子。芝加哥的蒙拿諾克大樓（Monadnock Building），是 19 世紀的石材摩天大樓，有十層樓高，最底下一層的牆壁為了承擔上層的重量，厚達十二呎。

因此，要蓋真正的摩天大樓，必須要發展出全新的策略來處理重力流。人們不再讓重力像瀑布似地順著建築側邊往下流，而把重力導往特定的管道，像是鋼筋之類。就這樣，建築物的各部分開始分工。鋼筋（或混凝土）骨架負責承擔建築物的重量，而「表皮」則負責對抗天氣的侵蝕與美觀。中世紀的大教堂已經有這種分工的想法，把重力導引到建築外部的拱浮壁（flying buttress），而得以在牆上開大型的窗戶。沙特爾大教堂（Chartres）和巴黎聖母院的巨大彩色玻璃圓花窗都藉助了此種分工技術。我在第四章中提過的水晶宮、今天街上成列的玻璃帷幕大廈和未來類似的巨大建築物，也都得靠分工的原理。

我們可以說，一棟現代建築和過去建築物的關係，就像人類與甲蟲或龍蝦的關係一樣。老式的建築物、昆蟲、甲殼類動物，都依賴外骨骼來支撐重量，活動空間或器官則隱藏在這個外牆之內。但人體結構和摩天大樓則正好相反，由內骨骼來支撐重量。內骨骼不但比外牆輕便，從外皮也看不出重力如何流動。

順便提一件歷史上有趣的事件。 19 世紀初，第一棟鋼筋建築在芝加哥起建，承購人和租賃者都過於保守，不敢一下子接受全新的建築風格。因此，他們在鋼筋骨架外面包上石塊，讓這棟建築看起來不過是拉長了的義大利宮殿或是歌德式大教堂。人們此種眷戀傳統的傾向，到今天還可以看到，有一些車輛的車廂側邊被漆上木紋，看起來正宛如遠祖的木頭馬車。

風力

再怎麼龐大的建築物，其驚人的重量終於也找到法子安全導回地面了。但經風一吹，建築物卻無可依憑，沒有外力可資支撐，因此必得想出方法，讓它自己產生力量，以對抗風的橫向推力。就像樹一樣，建築物也必須靠自己站穩腳跟。

風力對高層建築的威脅是很容易想像的。所站的位置越高，風速也就成幾何級數增加：50層樓是25層樓的 4 倍，75層則變成 9 倍之多。在十一章將會提到的超高層建築，承受的風力無與倫比。舉例來說，當颱風來襲，一棟200層建築的側面可能要承受4000噸的力量。我們可以想像一下這個力量有多大：假設把這個龐大的兩百層建築橫過來綁在大峽谷上，這個力量就相當於把數百輛滿載的砂石車停泊在上面。

風力最明顯的威脅，就是會使摩天大樓傾倒。事實上，衡諸現代鋼筋的強度，這種可能性是很小的，但風力還是有其他的威脅，像是把玻璃窗或裝飾性建材吹落到底下的人行道上。

在紐約，建築師必須保證他們的建築物能承受時速100哩的風速（這種風速發生的機率，平均是一百年一次）。就一棟典型的摩天大樓來說，時速100哩的風速可以換算成大樓表面每平方呎50磅的力量。當然，建築師不會讓建築物正好只能承擔這個規定的限度。他們知道，總有某個環節可能出問題：某個螺絲可能裂開，某個焊接點可能沒焊好之類的。因此，他們總會自行加上「安全係數」。摩天大樓可接受的安全係數是50%，也就是說，設計上所能承擔的力量，應該比頁實世界中所可能遇到的最大力量多50%。所以，紐約大樓的外牆應該設計成能夠承擔每平方呎75磅的風力，其中25磅是安全係數。外牆表面的建材、固定方式和窗戶的形式等等，都要根據這個數字來決定。

對付這種迎面而來的直接風力，雖然所費不貲，通常還是比較簡單的。然而，超高層建築的頭號威脅，是另一種叫做「渦流剝離」（vortex shedding）的現象。

你是否曾經在秋季，駕車經過兩旁有林蔭的道路？你有沒有注意過，車後方的葉子並不是往兩旁吹開的，而是自成漩渦狀，就像圖四的上圖所示。這是因為車子穿過靜止的空氣，會在尾部留下自成的空氣漩渦，稱為渦流；葉子就追逐著這種渦流起舞。<