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商品簡介

作者簡介

目次

書摘/試閱

得獎作品

2019 美國科學促進會/速霸陸優良青少年科普書籍獎(AAAS/Subaru SB&F Prizes for Excellence in Science Books: Young Adult Science Book)

如果工程師建造的東西一瞬間消失了,世界會變得怎樣?沒有樓房、沒有橋梁、沒有隧道和下水道。
沒錯,地表將空無一物!幾乎什麼也沒有!

連專家都不知道怎麼建造聖母百花大教堂的穹頂,卻被一個「瘋子」用簡單方法解決了。
近千公尺的杜拜哈里發塔,結構原理竟和成束的吸管異曲同工?
一趟與結構技師同遊的結構物深度導覽,見證古今中外的建築工程如何逐漸形塑文明城市的樣貌。

呂良正 台灣大學土木工程學系教授──專業審定

陳惠玉 台灣物理學會 「物理雙月刊」總編輯/國立中興大學物理系教授
張燕玲 台灣科技大學營建工程系教授
謝紹松 永峻工程顧問公司董事長/台大土木系兼任教授
簡麗賢 北一女中物理教師
──盛情推薦

以建築物探索土木工程學,由內部建材到外部結構,從地下水宮殿到現代摩天大樓,
用深入淺出的物理概念、材料科學與歷史,帶你逐一揭露那些隱藏在柱裡梁間鮮為人知,卻又精采絕倫的故事。
 
如果有一天工程消失了,世界將很有可能變得什麼也沒有。因為即使平常不容易察覺,工程卻大大影響我們的日常生活。參與英國夏德塔的頂尖結構技師羅瑪.艾葛拉瓦將用自己的親身經歷,穿插一系列手繪插圖,向你道來在建築工程裡的趣聞祕辛。
 
●為什麼混凝土柱都是長方體,天花板桁架卻是三角形?──建物的結構奧秘
看似安穩矗立在地面的結構物其實受到許多隱形的外力,怎麼讓超高大樓可以在強風吹襲下依然不倒?大樓表面三角形的構架只是為了美觀嗎?為什麼鋼樑都是I字形,混凝土梁卻是長方體?台北一○一的巨大金色阻尼器如何在地震時確保建築物安然無恙?

●傳統製磚就像烤蛋糕,加水果汁液還要送進烤爐?──結構的材料科學
如果結構是建築的內外骨骼,建材就像建築物的血肉,它大大影響結構物的形狀和特性。怎麼利用金屬的彈性讓纜線斷掉時不讓電梯下墜?你是否曾經好奇為什麼磚頭總是長方體,而且總是那個長寬高比例?如今廣泛使用的鋼竟是「意外」的發明?第一個懂得用神奇混凝土製造房屋的究竟又是誰?
 
●建造好工程還得有點怪咖傾向──工程學的奇聞軼事
本書也會帶你回到早期發展的城市,跟著作者羅瑪・艾葛拉瓦到墨西哥去看一棟「蓋在果凍上」的華美教堂,告訴你結構技師怎麼想盡辦法讓教堂「浮」在土地上?英國的工程師怎麼從一條吃木頭的生物,獲得興建全球第一條河底隧道的靈感?還有(你最好捏緊鼻子),回到十九世紀臭烘烘的倫敦市,看工程師如何建造下水道系統來排解惱人的「黃金」災難。
 
我們可能對自家住屋與附近的建築所知甚少,對馬路邊的下水道施工也毫無概念,但如今人類能享受舒適的生活,工程功不可沒。閱讀本書之後,你將感受到一位結構技師對工程的熱愛之情,你也將用工程師的眼光重新看待自己的生活周遭。

羅瑪・艾葛拉瓦Roma Agrawal

結構工程師,作品從天橋到雕塑品,從火車站到摩天大樓──包括倫敦摘星塔,做為一位不知疲倦的推動者,她積極鼓勵年輕學子們往工程與技術相關事業發展,並提議政治決策者與政府推動科學教育,已經在全球各地的大學、學校與機構發表數千場公開演說,其中包含兩次的TEDx 演說。身兼電視節目主持人、工程與教育相關文章作者與領導人。
曾獲得多項國際獎項,以肯定她的專業實力及成功,其中包括皇家工程學院所頒發之Rooke Award 。


譯者:王翎

臺灣大學外國語文學所畢業,現專事筆譯,新近出版譯作為《裝幀事典》和《STEAM科學好好玩》。期盼繼續深入書中世界徜徉探索,享受揀字選詞和推敲琢磨的樂趣。 

第一章 砌疊
第二章 力
第三章 火
第四章 泥土
第五章 金屬
第六章 岩石
第七章 天空
第八章 土地
第九章 鑿空
第十章 純淨
第十一章 衛生
第十二章 偶像
第十三章 橋梁
第十四章 夢想
謝詞

黏土(節錄)
  我喜歡烘焙,說起來或許不是很令人驚訝,畢竟烘焙和工程有很多相似之處。我喜歡照著設定好的步驟,按部就班烤出一個蛋糕。我喜歡耐心精準、有條不紊地操作,否則烤出來的成品形狀或質地都會不對。我喜歡忙碌一陣後,滿懷希望安靜等待烤箱裡的蛋糕慢慢成形的時光。通常一切都令人無比心滿意足,但也有困惑挫折的時候──像是有一次我打開烤箱準備端出一個可口的反烤鳳梨蛋糕,但眼前只有沒熟的鳳梨塊無精打采地在油膩膩的奶油汪洋中漂蕩。至於底層的濕潤蛋糕就別提了,變成軟爛黏糊一團糟。我一邊咒罵烤箱和食譜(畢竟再怎麼樣也不可能是我的錯),一邊將整盤爛攤子直接甩進垃圾桶。不過,那次倒是給了我寶貴的教訓,烘焙和工程一樣,正確的材料選擇,以及正確的組合方式,對結果都至關緊要。
  在設計建築物或橋梁時,材料是最重要的考量之一。事實上,如果使用不同的材料,將會影響結構骨架的設計方式、是否感覺突兀,以及重量大小和價格高低。材料必須適合建築物或橋梁的用途,我的工作就是讓材料融入結構骨架之中,但又不會顯得格格不入。材料也必須能夠抵抗建築物的載重造成的壓力和應變,並在晃動和溫度波動的情況下也能表現良好,最後還必須確保選用的材料能夠讓結構物在環境中盡可能耐久不壞。值得慶幸的是,我的工程作品比我的烘焙作品成功多了。
  人類長久以來就對材料的科學著迷不已,從古時就有許多關於「物」是由什麼構成的理論。希臘哲學家泰利斯(Thales;活躍於西元前六○○年生)主張水是構成所有物體的原始物質,以弗索的赫拉克利特(Heraclitus of Ephesus;約西元前五三五年生)則認為是火。德謨克里特(Democritus;約西元前四六○年生)及其追隨者伊比鳩魯(Epicurus)提出「不可再分割的原子」,成為現代所稱原子的先驅。印度教信仰中以地、火、水、空氣四大元素來描述物質,而四大元素之外的第五個元素「阿卡夏」(akasha)或稱精神元素,則含括物質世界以外的一切。羅馬建築師維特魯威在《建築十書》中也認為物質是由同樣的四個元素組成,並認為材料的特質和表現取決於各種元素所占的比例。
  由於不同材料的成分比例不同,因此具備不同的顏色、質地、強度等性質──維特魯威的這個想法極具革命性。古羅馬人推測有些材料比較軟,是因為含有較高比例的空氣,而比較硬韌的則含有較高比例的土。他們也推測若是含有較高比例的水,則材料防水性能較佳,若是含有較高比例的火,則材料較硬脆。
  羅馬人富有好奇心和發明精神,利用各種材料進行試驗以改良其性質,也因此研發出
著名的混凝土。他們或許還沒有研究出元素週期表〔距離門德列夫(Dmitri Mendeleev)於一八六九年發表原始版週期表還有很長一段時間〕,但是他們知道材料的性質取決於所含元素的比例,且可以藉由與其他元素反應而改變。
  然而,從前有很長一段時間,人類僅使用自然界中的原始材料做為建材,並未將材料加工改變其基本性質。人類老祖宗的房屋所用建材各異,端看在居住環境中能夠找到什麼素材,即方便就近取得,且易於組構出不同形狀的材料。例如只要用簡單的工具砍伐樹木就能得到木材,將木材相接就能搭築牆面,或是將獸皮相繫後撐開就成為帳篷。
  如果居住地沒有樹,古人就用濕泥建造房屋。隨著人類愈來愈大膽無畏,勇於創新並發展出更進步的工具,古人的建屋技術再次進步,開始改良原始的建材。人類用木頭模具將濕泥塑形成大小不同的長方體,並發現將濕泥塊置於日光下晒乾(根據羅馬人的理論,就是利用火讓水散逸,使土成為主要成分),就成了比較堅固的泥塊,於是發明了磚塊。
  早在大約西元前九千年,中東地區某片沙漠中的居民就開始使用磚塊。在約旦河河谷深處,新石器時代的先民在低於海平面數百公尺的地帶創建了耶利哥城(Jericho)。古城的居民用手塑出扁平黏土塊後置於日光下晾晒,再用晒乾的黏土塊打造出形如蜂巢的房屋。早在西元前二九○○年,印度河流域文明的先民就會用窯爐燒製砌築建築物用的磚塊。燒製磚塊的過程需要具備相當的技術和精準度,如果窯爐的熱度不足,就無法適度將塑好形狀的泥塊烤乾,但溫度過高或加熱速度太快,又會造成泥塊龜裂。只有烘烤的溫度和時間皆適當,才能燒製出強度足以耐受風吹日晒雨淋的泥磚。
  印度河流域文明遺留的考古文物,是在現今巴基斯坦境內的摩亨佐達羅(Mohenjodaro)和哈拉帕(Harappa)遺址出土。在遺址發現的磚塊不分尺寸大小,長寬高的比例皆為完美的四比二比一,是現今工程師或多或少依然持續沿用的比例,因為這個比例讓磚塊能夠均勻乾燥,大小適中方便做為建材,而且表面積的比例良好,不需使用任何黏膠或砂漿就能與其他磚塊相互黏接。與印度河流域文明大約同一時期,中國古文明的先民也能大規模製造磚塊。但必須等到下一個偉大帝國崛起的時代,磚塊才一躍成為西方文明使用極廣的建材。

  古羅馬人在工程上的熱忱和創造力令我驚奇不已,也帶給我源源不絕的靈感。所以當我從那不勒斯坐上火車,沿著海岸一路向南駛往世界首屈一指的著名考古遺跡時,心中自是無比雀躍。我和先生趿著情侶涼鞋,在目的地下了火車,各自戴上情侶漁夫帽遮擋炙熱的夏日陽光。夫妻倆滿心期待,邁步踏入古代龐貝城遺址。
  鋪石街道兩旁的店面櫃檯上布滿孔洞,曾用來儲放略呈圓錐形的雙耳瓶(amphora)。馬賽克地板鑲嵌畫圖案精采生動,魚類和其他海洋生物搖頭擺尾栩栩如生。另一面鑲嵌畫拼出凶猛犬隻的圖案,刻有著稱於世的警句「內有惡犬」(Cave canem)。街道上還林立著格局設計優良的屋宅,例如希臘作家米南德(Menander)故居中寬敞的中庭、浴池和花園周圍環繞著比例優美的列柱圍廊(peristyle),在在令人印象深刻,忍不住遙想全盛時期的龐貝城必然極其輝煌繁榮。
  但在吸引我注意的種種事物中,最令我目不轉睛的,是殷紅如血的磚塊。它們無所不在:有的磚塊在上頭裝飾已經碎裂崩毀的柱子上,偷偷摸摸地向外窺探;有的在牆頭砌築成薄薄三層紅白交錯的砌層形成鮮明對比,自信滿滿地向下俯瞰。但我最愛的無疑是磚砌的拱。
  拱是重要的建築構件,它具有弧度,是圓、橢圓甚至拋物線的一部分,是強壯穩固的構造。以蛋為例:如果將蛋夾在手掌之間,手掌平均施力壓握,你會發現幾乎不可能將蛋壓破,因為蛋殼的弧度會將手掌施加的壓力傳遞至整個蛋殼,而蛋殼的強度足以抵抗手的力道。但一般只要用刀刃之類的尖銳邊緣,在蛋的一側形成不平均的載重,就能弄破蛋殼。當拱承受載重時,會將力傳遞至整個結構,讓拱的所有部分一起分攤壓力。古代常用石塊或磚塊做為建材,這類材料能夠承受極大的壓力載重,卻無法承受太大的張力載重。羅馬人了解這類材料的性質和拱的特色,也知道如何將兩者完美結合。當時無論建造橋梁或建築物,多仍利用扁平的梁來加大跨距。如先前所述,梁承受載重是在頂部承受壓力和在底部承受張力︱由於石塊和磚塊都沒辦法承受太大的張力,古代建築物中的梁通常體積龐大而且笨重不易搬運。如此一來,梁的跨距長度也就受限。但羅馬人利用能夠抵抗高壓力的石塊砌成石拱,就能建造出更強固且龐大的結構。
  在我四周的磚拱已經屹立兩千多年之久,我不禁憶起那句優美的阿拉伯古諺:「拱不眠不休。」拱不眠不休,是因為拱的所有部位持續承受壓力,拱不眠不休,是因為拱的所有部位持續承受壓力,並以無止盡的耐心抵抗承受的重量。即使維蘇威火山噴出的熔岩覆蓋龐貝,悶窒了城內所有居民和建築物,拱始終矗立為城市守望。它們可能遭到掩埋,但從未有一時片刻偷閒怠工。
  從龐貝城遺址可知,羅馬人在統治的土地上廣泛使用磚塊砌造幾乎所有形式的建築物。
羅馬軍團在義大利及其他地區利用可拆遷的窯爐燒磚,並將這種作法帶入現今的不列顛群
島和敘利亞。說來一點也不令人驚訝,維特魯威就曾對製造完美磚塊所需的材料發表看法,
並在其巨著《建築十書》中扼要記述。燒製磚塊和烘焙蛋糕頗有雷同之處,以下是我依據
多位古代工程師前輩的作法整理出的古磚配方和製法──就連我也能夠做出自製磚塊。

古磚配方
成分
1. 黏土
  「製作磚塊不應使用含砂或含卵石的黏土,也不應使用含有細小礫石者,因為此種原
料製成的磚塊一來沉重,二來砌成磚牆後若遭雨水沖刷會破碎分崩,摻入磚塊的稻草也會
因原料粗糙而無法緊密黏結。
  因此應使用白堊質白黏土,或是紅黏土,甚至是含有粗粒礫石的黏土。這幾種原料質
地滑順故較耐久,重量較輕故運用上較省力,也易於鋪平。」
2. 水果汁液
3. 熱源,置於太陽下晾晒或窯爐中烘烤

製法
1. 將一大團黏土投入高度及膝的水中,用雙腳攪拌踩踏四十遍。
2. 用松樹、芒果樹和樹皮的汁液以及三種水果的汁液將黏土浸濕,持續踩踏一個月。
3. 在黏土裡和一點水,用木頭模具塑製成扁平的大長方塊。〔根據維特魯威所述,羅馬人常用的磚塊在希臘文稱「呂底亞磚」( Lydian brick),長一呎半、寬一呎。〕塑製成形後,將黏土塊移出模具。
4. 以溫和漸進的方式加熱黏土塊。夏季製作的磚塊品質較差,因為陽光的熱度會讓黏土塊外部快速變硬,但內部仍濕軟且強度不足。較乾燥的外層收縮程度大於濕潤的外部,導致黏土塊產生龜裂。而春秋兩季由於氣候較溫和,磚塊就會乾燥得比較均勻。
5. 經過二到四個月之後,將黏土塊投入水中後再取出,靜置待乾透。
製磚的關鍵在於耐心,因為等待磚塊乾透所需的時間長達兩年。新磚如果在製作過程中並未乾透,可能隨著時間過去而收縮。若用這種磚塊砌成牆面並塗覆灰泥,經年累月下來,牆面就會出現裂痕。維特魯威就曾提醒我們注意這點:「此點千真萬確,以致於猶提卡(Utica)人民在砌牆時僅使用完全乾燥且於五年前製成的磚塊,且所有磚塊需經具權威的法官核可。」
一般而言,羅馬磚塊比現今使用的磚塊更大且扁平,看起來可能類似地磚或屋瓦。羅馬人偏愛這個形狀,因為他們知道以既有的工具和技法而言,較扁平的磚塊會乾燥得較均勻──而這正是一塊好磚在配方和製法的重點。從古羅馬廣場上一座座神廟、羅馬競技場(Colosseum),到橫跨法國南部加爾東河(River Gardon)嘉德水道橋(Pont du Gard)獨特的三層式橋身,這些最令人印象深刻的結構都是以磚塊構成基礎。
  羅馬帝國於西元四七六年覆滅,製磚技藝也隨之在西方失傳達數百年,直到中世紀初期(六世紀至十世紀之間)各地開始用磚塊建造城堡才復興。在文藝復興和巴洛克時期(十四世紀至十八世紀早期),讓建築物磚塊外露的作法不再普遍,而是流行用精細的灰泥層和繪畫將磚塊掩藏於後。我個人比較喜歡看到露出的磚塊,就如同我也喜歡看到暴露在龐畢度中心外側的通風導管和電扶梯。我偏好坦誠直接的結構,就像我烘焙時最喜歡做任何材料都能一覽無遺的裸蛋糕(與我塗抹糖霜的技巧亟待加強一事完全無關)。
  維多利亞時期(一八三七至一九一○年)和戰間期的英國,磚塊的運用達到近代歷史上的高峰。全倫敦的建築物中我最鍾愛聖潘克拉斯萬麗飯店(Renaissance Hotel),這座由喬治.吉爾伯特 史考特(George Gilbert Scott)設計,宏偉富麗的哥德式建築,是磚塊外露結構的絕佳典範。全英國每年的磚塊產量高達百億塊。無論工廠、房屋、下水道或橋梁,幾乎所有結構都用磚塊砌成,而且磚塊全都暴露於外。


天空(節錄)
  記得二○一二年五月去夏德塔工地看現場那次,我搭乘升降機吊籠拔地飛升,先直衝三十四樓再衝上六十九樓,兩眼從頭到尾緊緊盯著建築物,眼神完全不敢向外或向下飄。回想起來我忍不住思忖,要是沒有電梯,我們不僅不會建造夏德塔,也根本不會建造任何一棟摩天大樓。古羅馬公寓最高只建到十層樓,部分原因是爬上爬下超過十層樓就太不切實際了,而今天我們已經很習慣按下按鈕召來一個會動的方形隔間,呼咻一下將我們飛快向上或向下送到高樓中的某一層,習以為常到不曾細想。但在一八五年代之前,還沒有這種形式的電梯。雖然人類在發明電梯之後沒多久就開始興建摩天大樓,但最初設計電梯並不是為了裝設在高樓裡,而是為了改善在工廠裡運輸材料的安全性。
  艾勒沙.奧的斯(Elisha Otis)與阿基米德一樣,都具有無窮無盡的創意和想像力。奧的斯從事過很多不同的工作,當過木匠、技工和床架製匠,也開過工廠,他發明了自動車削加工機將製造床架的速度加快四倍,發明了新型的鐵路制動裝置,甚至發明了自動烘麵包烤箱。他在一八五二年受僱前往紐約揚克斯(Yonkers)清空一間工廠,由於必須在樓層之間以人工搬運材料而大受挫折,於是奧的斯集中心力思Yonkers索如何利用機械完成清運工作。
  早在千百年前,古人就研發出在不同樓層間運輸人和物資的方法,例如羅馬人利用移動式平臺將格鬥士從羅馬競技場的地下坑洞中運送到比武場地。然而問題在於這些搬運工具並不安全,如果拉動平臺升降的繩索忽然斷掉,平臺會直接摔落地面,上面的乘客很可能跟著送命。奧的斯思考是否能夠設計某種裝置來防止這類意外發生。
  他想到可以利用「載貨馬車彈簧」:這種呈C形的彈簧是將細長鋼條精心繞疊而成,常用於改良載客或載貨馬車懸吊系統的性能。載貨馬車彈簧受力時幾乎呈扁平,但一不受力就捲起呈弧形。奧的斯決定要善用這種彈簧受力產生形變的特性。首先,他換掉原本的平滑導軌(升降過程中可讓平臺保持在正確位置),改裝有齒輪或棘輪的導軌。接著他在電梯天花板處製作出一個ㄇ字型的裝置,中間裝設鉸鏈,基部則有兩根外伸的柱腳。他在電梯車廂頂部的吊索上,依序裝設彈簧和ㄇ字形裝置。如果吊索狀態完好,彈簧維持扁平狀,ㄇ字形裝置呈現方形。如果吊索斷裂,彈簧會彈開呈C形,並向下推壓讓ㄇ字形裝置變形,於是ㄇ形裝置的「兩腳」卡入棘輪導軌,電梯就會停住。
  奧的斯心知,要吸引大眾注意他的新發明,並向大眾展示新發明確實有用,他還需要一個大舞臺──而一八五三年的紐約世界博覽會正合他意。這場博覽會以「萬國工業博覽會」為名,旨在炫示美國強大的科技實力,和展現世界各國創新的工業技術。在偌大的展覽廳中,奧的斯用滑軌、棘輪、彈簧、平臺和起重機械搭建出電梯,並在平臺上裝滿貨品。等到人群聚攏,奧的斯爬到平臺最上面,指示將平臺升到最高。眾目睽睽之下,他要助手將吊升平臺的繩索砍斷,助手便將手中的斧頭一揮。
  平臺忽然向下晃落,圍觀群眾倒抽了一口氣。落下時猝不及防,平臺忽又煞停,只向下掉了幾吋。平臺上方傳來奧的斯的喊聲:「沒事,各位先生。一切安好。」
  四年後在紐約百老匯大道(Broadway)與布隆街(Broome Street)交叉口共五層樓的霍沃特百貨公司(E. V. Haughwout & Co.)裡,奧的斯裝設了自己發明的第一臺蒸汽動力安全電梯。由奧的斯以自家姓氏為名創立的公司,至今仍為世界各地的建築物架設電梯和電扶梯,其中包括艾菲爾鐵塔、帝國大廈(Empire State Building)和馬來西亞的雙子星塔(Petronas Towers)。要是沒有奧的斯的電梯,幾乎不可能興建這些宏偉建築物。在奧的斯發明安全可靠的電梯之前,住戶爬得動的樓梯階數有限,建築物高度也因而受限,但電梯的出現打破這樣的困境,工程師得以開始構思真正的摩天大樓。
  自此之後,拔地而起的大樓一棟比一棟高,但工程師又面臨另一個問題:我們不能設計運行距離超過五百公尺的電梯,因為吊升電梯的鋼索會過重,導致機械裝置無法有效運作。這就是超高大樓的電梯多半不會從一樓一路直上最高樓層的原因之一。目前的狀況是,我們得搭電梯上到某層樓之後,換搭另一部電梯才能再上去更高的樓層。工程師已經利用不同材料進行試驗,希望找出解決方法。將鋼材替換成更輕但強度更高的碳纖維似乎可行,但問題在於碳纖維的耐火性能是否優良。隨著人類建造的摩天大樓高度不斷增長,對於工程技術的革新需求也將愈來愈急迫。
  另一項超高摩天大樓會碰到的挑戰是晃動。第一章曾談到必須控制建築物的搖晃幅度,以免讓建築物裡的人感到不適,但控制大樓搖晃還有另一個考量。電梯車廂是在筆直的導軌上運行,大樓晃動時,電梯井道和固定於井道的導軌會跟著彎曲。電梯車廂與導軌相接的齒輪和軌夾都有一點彈性,井道和導軌如果只是小幅度彎曲不會有問題,但是彎曲幅度如果過大,車廂就會煞住不動。大樓愈高,晃動幅度就愈大,電梯井道的彎曲幅度也隨之加大。針對這個問題有很多解決方法,包括改良電梯本身增加彈性緩衝,或在強烈風暴來襲時強制暫停電梯運行。我相信終有一天,會有一位現代奧的斯提出聰明的解決方法。未來的他或她一定得想出辦法,因為電梯已經成為我們日常生活不可或缺的一部分,如今電梯每七十二小時載運的人數就等同全球的人口數。

  我在前往杜拜(Dubai)造訪一百六十三層樓的哈里發塔(Burj Khalifa;樓高八百二十九點八公尺)時想到艾勒沙.奧的斯,因為奧的斯公司在這棟世界最高大樓裝設的電梯,將帶我到位在第一百二十四層的觀景臺。比起我在西歐最高大樓外側搭乘吊籠爬升的經驗,這趟登高之旅恬靜許多,時速三十六公里上升的過程中,只有液晶面板上變動飛快的樓層數字令人望之目眩。(奧的斯裝設在霍沃特百貨公司的第一部電梯爬升速度只達到時速零點七公里。)一分鐘後,迎面只見無與倫比的景緻。在這一側的建築物群之外,漫漫沙漠綿延直到地平線盡頭;再望向另一側,只見蔚藍的海水,還有左邊很遠處呈棕櫚葉造形,名喚朱美拉棕櫚島(Palm Jumeirah)的人工群島。憑著有落地玻璃窗保護,我硬著頭皮冒險靠近最邊緣向下窺看。下方是好幾棟未來感十足的建築,彷彿科幻電影場景中按比例縮小的模型。等意會到這些建築的高度其實超越歐洲大多數摩天大樓,甚至超越美國許多摩天大樓時,我震驚不已。在哈里發塔睥睨之下,四周高樓頓時變得矮小微渺,讓人的比例感陷入混亂。
  現今得以興建哈里發塔和其他「超高」(megatall)摩天大樓,要歸功於從小就精力充沛、調皮搗蛋的法茲勒汗(Fazlur Khan),他在一九二九年四月出生於孟加拉(Bangladesh)達卡(Dhaka)。法茲勒不喜歡學校的傳統教法,他問東問西想追根究柢,卻只換來老師厲聲訓斥,因此他在學校上課不怎麼認真(即使父親是數學老師)。所幸,法茲勒的父親極具耐心和遠見,他明白兒子需要的是更廣博的教育,決心在鼓勵他滿足求知欲的同時也訓練他培養自律。法茲勒的父親親自出題,題目與學校作業習題類似,但是引導法茲勒進一步思考問題,他也考驗兒子從不同角度切入同樣題目。法茲勒上大學時面臨要主修物理或工程的抉擇,後來聽從父親意見選擇了工程,父親的理由是工程學要求紀律,主修工程的學生必須早起去上課。(我可以證明,其實物理系也有很多課是排在一大早。)法茲勒汗於一九五一年以全班第一名的成績自達卡大學土木工程系畢業,次年就以傅爾布萊特獎學金(Fulbright Scholarship)得主身分赴美留學。接下來三年,他陸續取得兩個碩士和一個博士學位,同時學習法文和德文。
  法茲勒汗首創在建築物外側裝設穩定系統,這個嶄新作法後來應用於世界各地具指標意義的建築上,包括龐畢度中心、「小黃瓜」大樓、赫斯特大樓和位在卡達首都杜哈(Doha) 的龍捲風塔(Tornado Towers)。他利用很長的斜撐構件組成穩固的三角形,為建築打造出高勁度的外骨架,其實就是將傳統的摩天大樓結構內外翻轉。這種設計常稱為「管式結構系統」(tubular system),因為整個結構就像一根中空的管子,由外部「皮層」來支撐, 只是皮層的形狀不一定要是圓柱形。法茲勒汗在建造芝加哥的德威特¬-板栗街(DeWitt-Chestnut)公寓大樓時,首度應用這個嶄新概念,但真正讓他大展身手的是一九六八年在芝加哥落成的約翰.漢考克中心(John Hancock Center),完工後的大樓以一百層樓的高度(三百四十四公尺)成為世界第二高摩天大樓,僅次於帝國大廈。整棟大樓是個四面朝上微微收束的長方體,因此頂部比底部略微狹小。在長方體每一面都可以看到五個巨大的X形從下往上疊起,構成大樓的斜撐。竣工至今已五十年,當年特出搶眼的設計如今看來依舊優雅現代。法茲勒汗也因極富前瞻性的設計,成為赫赫有名的「管式結構摩天大樓之父」。
  除了外骨架設計,法茲勒汗也提出其他創新概念,例如將許多外骨架結合群聚。就像是在手裡抓一把吸管:每根吸管本身都是可以保持一定程度穩定的中空單管,但將很多根吸管集合成一束,就可以製造出更穩定、勁度更高的結構。哈里發塔的結構中就應用了這種系統的變化,單看結構的剖面圖會發現橫斷面的形狀很特殊,類似三葉形或三瓣形(tripartite)。(這個形狀已經成為哈里發塔的某種品牌形象,比如搭乘電梯登上塔頂途中,會看到壁面上正搬演由成排三葉或三瓣形狀以各種排列組合躍動飛舞的燈光秀。)「花瓣」其實是很多各具外骨架且相互支撐的成束「吸管」或管子,由於個別構件彼此之間能夠互相支撐,因此即使大樓已興建至驚人高度也能維持穩定。
  我們能將建築物愈蓋愈高,關鍵在於從外而非由內讓結構保持穩定。我能想到最搖搖晃晃難以站穩腳步的經驗,或許是我唯一的那趟滑雪旅行。一開始教練不讓我們用滑雪杖,所以不想摔個四腳朝天就只能靠雙腳站穩。我很快就數不清自己到底摔了幾次,還有摔倒時到底撞出幾處瘀青,但等我能夠穿著滑雪鞋和雪板站直之後,終於獲准使用雪杖。手中有無雪杖真的有天壤之別:我張開手臂,用雪杖穩住自己,發現可以站直且站更久了。雖然雪杖比我的雙腿苗條許多,也不如我的雙腿強壯,但是如果將雪杖撐得比兩腳能跨開的距離更遠,我就能站得更穩。
  具有外骨架的高樓結構也是基於同樣的原理:將穩固部分從內部的一小區(可類比成我的雙腳或建築物核心)擴展到外部區域(雪杖或外骨架),就能建造出更穩定的建築。以這樣的方式將結構內外翻轉,為工程發展帶來許多可能性:如果是用十九世紀末到二十世紀初工程師的方法,興建五十或六十層的大樓就可以少用很多材料,也能降低成本;或者,如果使用一樣多的材料來建造以前的大樓就可以蓋得更高。所以,自一九七○年代以降,從香港中銀大廈、原本的紐約世貿中心雙塔,到吉隆坡的雙子星塔,採用管式結構系統的摩天大樓如雨後春筍般出現,永遠改變了天際線的輪廓,也創造出現代城市的不朽剪影。

2019 美國科學促進會/速霸陸優良青少年科普書籍獎(AAAS/Subaru SB&F Prizes for Excellence in Science Books: Young Adult Science Book)

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