互动科普

马来西亚的皮特纳斯双塔大厦既是文化标志，又是经济象征。

把建筑物造得尽可能的高，似乎是人类文化的一个共同特征。从埃及法老胡夫的大金字塔到圣经中的通天塔，许多文明社会都试图建造出独立周围景物之上的建筑结构来。美索不达米亚的塔庙(ziggurat)、中国的佛塔和伊斯兰教的尖塔成了宗教信仰的标志，这些塔都高耸入云。 

今天，摩天大楼就是现代的方尖碑。一个多世纪以来，建筑设计师和土建工程师们利用垂直建筑工艺的所有理论与实践知识改造着城市的景观。早期的摩天大楼借鉴了希腊廊柱和文艺复兴时期塔的造型。第二次世界大战以后占主导地位的现代主义运动则避免带标志的特性：这些平坦屋顶的长方形结构甚至称为高层建筑，而不叫作摩天大楼。近年来，建筑设计师们又恢复了那种把高耸的建筑物视为文化标志的情趣。这一趋势的杰出代表就是世界上最高的大楼——皮特纳斯双塔大厦(PetronasTwinTowers)，它耸立在马来西亚的首都吉隆坡。 

这两栋88层高的建筑的塔尖达到了451.9米之高。大厦在第41楼和第42楼由一条空中廊桥把两座塔楼相连接，它们不仅仅是一个办公楼群体。最近竣工的这座大厦是马来西亚经济成长的标志，同时也强调了这个具有1900万人口的东南亚国家鲜明的伊斯兰教传统。 

每一层楼的布局都是一个星形，间隔着一些圆角和方角。这是从伊斯兰教艺术中吸取的特色而设计的。门廊的外墙也重复了同样的图案。这一工程是马来西亚总理马哈蒂尔所提出的2020年远景规划中的一个重头戏。2020年远景规划是该国的发展蓝图，其中还包括其他几项大型的基础设施工程。 

每座塔楼具有213,750平方米的建筑面积，相当于48个足球场那样大。除了办公室之外，这些建筑面积还用于一个石油展览中心、一个美术馆和一些现代化的多媒体会议厅。大厦本身又是一个大得多的建筑群的一部分。这个建筑群就是吉隆坡城市中心一期工程(Kuala Lumpur City Centre PhaseI)。大厦建在原来的一个跑马场(Selangor Turf Club)的一角。吉隆坡城市中心一期工程中还包括一个总面积为140,000平方米的购物和娱乐城：一个面积2600平方米850座的音乐厅：面积为251,000平方米的地下停车场(可停泊5000辆小汽车)；两栋面积大约为186,000平方米的小型办公塔楼。

 建筑群的业主为Sendirian Berhad吉隆坡披市中心物业公司，这是一个包括皮特纳斯(national petroleum company国家石油公司)在内的合伙集团，皮特纳斯也是大厦的主要承租者。工程的开发商为Berhad吉隆坡城市中心。下面将介绍始于1991年设计竞标到塔楼尖顶完工所涉及的建筑和工程决策过程。 

建筑设计

通往马来西亚的门户 

如同现在的大多数大型工程项目那样，皮特纳斯双塔大厦的建筑设计是从国际设计竞标开始的。来自亚洲、欧洲和美国的8家公司对业主和开发商的招标作出了响应。所有建筑师都按照一份描述项目要求(一个购物中心和公用面积)的简短说明和一份较详细描述关于在一个40公顷建筑综合群体东北角上由国家石油公司(Petronas)所占用的双塔大厦的说明书着手准备。 

根据简短说明的内容来看，双塔大厦将构成进入这个新的市中心的门户。它们将创造出“一个场所，人们一眼就能认出它是马来西亚和吉隆坡所特有的。”没有规定过双塔必须成为世界上最高的建筑物，只是要求它们必须优美。 

竞标在1991年夏天只持续了不长的时间。在三个星期中，每家设计公司必须准备好图纸、模型和示意图，送到吉隆坡。开发商的技术班子用两个星期审查这些设计。然后在8月，每家竟标单位必须向包括开发商和马哈蒂尔总理在内的听众介绍他们的设计方案。在这些会议上人们提出了有关技术和经济方面的问题，以及美学和哲学上的问题。

8月末，位于纽黑文市的Cesar Pelli & Associates建筑设计公司接到通知，它已中标来设计包括皮特纳斯双塔大厦．在内的吉隆坡城市中心一期工程。一般都不会确切知道某一设计方案为何会中标。在这个项目上，客户指出，Cesar Pelli & Associates作为建筑设计师回答了所有的实际问题，而且最重要的是，他们的设计方案满足了一个马来西亚独特设计的要求。 

根据这一决定，组建了一个工作组，其中包括Thornton Tomasetti(结构工程师)；Flack & Kurtz (机械工程师)；Adams On ASSOCiates(生产建筑师)；Balmori Associates(自然美化设计师)和其他单位。 

总共有16家公司合作进行设计。由于建筑越高，功能、结构、效率和财务设计需求量越大，因此这样大的一个项目由这样多的公司参与设计监不奇怪。如此庞大的队伍也为了满足这样一个要求，即西方擅长设计和建筑超高楼宇的公司必须与马来西亚的专业人员紧密合作，共享他们的技术专业知识。 

建筑设计

多面之星 

要把皮特纳斯双塔大厦与吉隆坡和马来西亚联系起来，就需要重新考虑传统的摩天大楼的特征，去除它们所具有的美国或欧洲内涵。双塔大厦从几个方面体现吉隆坡和马来西亚特色.塔楼的形状从伊斯兰教传统吸取灵感。在伊斯兰教传统中，几何图形所具有的象征性要比西方文化更重要. 

在设计竞标的过程中，CesarPelli & Associates建筑设计公司提出了一个12角星的大楼周边形状，这样能给大楼一个优美的造形，又有充分的可用楼层面积。马哈蒂尔总理指出，其他图案也许更能代表伊斯兰教的设计。在取得了设计合同后，我们研究了传统的图案花纹后得出结论，最常见的设计应是一种八角星，那是由两个正方形旋转以后再叠加形成的。马哈蒂尔总理提议一种两个联锁的正立形，从而进一步肯定了我们的八角星图案。但是八角星造成了楼层布局不合理；外墙离大厦核心太近，从而影响了楼面使用上的灵活性。

建筑设计师们研究了许多变化形状，提出了在八角星的8个内角迭加8个半圆形，从而形成了一种有16个分枝的形状。大厦的16个内角每一个都分配一个结构柱，这样所产生的楼层空间就没有柱子了。 

几乎与此同时，对核心部分的设计研究也开始进行了。核心是由墙体构成的空心正方形，位于大厦中央，它提供了大厦的大部分结构支撑作用。核心中还包括电梯、楼梯、机械井、通风重和盟洗间，这对一栋功能完善的高层建筑是十分关键的。核心的设计必须预先考虑到用户的需求和楼面布置。我们的目标是高“效率”地满足这些需求，所谓效率就是楼层可用面积与总面积之比。在皮特纳斯双塔大厦的典型办公主楼层中，平均效率在76%到77%之间，对于一栋超高大楼来说，这是一个很佳的比率。 

要让核心非常紧凑需要一系列的仔细决策。先了提供高效的电梯服务，每个电梯井里都要安装多个电梯厢。快捷井(把乘客直接送到高层的电梯)的数量通过一种穿梭式/空中走廊系统来得到减少(穿梭式/空中走廊系统类似于纽约市世界贸易中心所用的那种直通电梯)。到大厦上半部去的乘客在中间高度处换乘另外两个“局部”井里的电梯，局部井是两个合用一个井道，互相重叠。在乘客商峰时刻还可通过双层电梯厢来进一步增大客运能力，就象用于纽约市花旗银行大楼和多伦多市蒙特利尔银行大楼中的那种双层电梯厢。 

外墙和公用空间的详细设计在几个月后开始。图纸和研究模型对双塔大厦的每个部分都进行了测试。例如，窗户玻璃的选择和太阳筛(遮挡热带阳光的钢管)的设计，对大厦的总体外观、办公重果光的类型、机械制冷设备的要求以及最终对年度管理成本都有影响。对这些以及其他一些设计特征的初步解决方案必须与当地的顾问们协同商议，蓝提交给客户进行审批。

工程设计

建在凯尼山土壤上 

吉隆坡周围环绕着一些低矮的山岭，但在市内，平坦的地势上只有一座小山。皮特纳斯双塔大厦的土地原先是一个跑马场，是一片平整的绿茵草地。但是地质技术和结构工程设计公司Ranhill Bersekutu Sendirian Berhad凭经验知道，草地下的基岩可能极不规则。 

经过几百万年的风化，在这一地区中的石灰岩基岩含有许多大洞穴、钟乳石、沟壑和陡峭的山峰，它们如果在地面之上的话，就好象一幅中国山水画的景观。侵蚀下来的沉积物充满了峡谷。这些较低的地层已经变质成强度很低的岩石，它们被风化成一种在马来西亚称为凯尼山(Kenny Hill)的硬质土壤。 

每座塔楼重达30万吨，这一重量可以分散在一块称为基础底板(foundation mat)的混凝土平板上。但每座塔楼要施加1140千帕斯卡的压力，这是凯尼山土壤所能承受重量的2倍以上，足以造成地基的断裂。为了避免这样一种可能性，地基的初始设计采用了大型的混凝土充填柱，即在每根柱子下的两个孔中灌满混凝土。在核心墙体的下面还可以多用一些混凝土充填柱。这些混凝土充填柱在到达基岩之前，先要经过土壤层。

但是随着土壤钻探结果的产生，设计组面临了一个困境：两座塔楼下面的基岩起初很浅，只在土壤之下15米，但随之却很陡峭地下降到超过180米。为了打基础，需要挖掘到21米的深度。这样，基础的一端就深入到基岩中了。在另一端，则要挖掘出更多的土方，以便让混凝土充填柱能穿过土壤层一直到达基岩。在深端设置混凝土充填柱是有风险的。而且又慢，成本又高，超出了一般的建筑施工工艺。此外，混凝土充填柱随着时间进程不可避免的会发生缩短，而对地基的每一点的支撑上发生的缩短程度可能不同，这会造成塔楼不可接受的倾斜。（混凝土充填柱的长度由于高层楼面的逐渐添加以及建成后住户搬进大厦所造成的额外载荷与重量，会发生缩短。）任何缩短都能得到弥补，但弥补工作需要额外的开挖和其他措施，这些都会增加成本。

幸运的是，施工场地非常大，足以让设计组考虑迁移地基。把双塔大厦全部向东南移动60米，就至少能让每座塔楼的地基下面有55米厚的土壤层。地基不再安置在基岩上，而是打柱在土壤层中。新的位置为两座塔楼之间和附近的街道提供了更多的空间，这有助于改善车流，并为车辆停靠下客的车道和停车场人口的斜道留出了地方。 

在新位置上，两座塔楼各自位于一个充填峡谷的对立两岸，下面的基岩深度为80米到超过180米。本设计计划要求一种完全不同的地基系统。一块基础底板将把大厦的重量分散到所钻的直径1.3米的摩擦桩(friction pile)上，这些摩擦桩的结构比混凝土充填柱狭窄。摩擦桩在传递塔楼重量到土壤中去时要比单独采用基础底板更加缓慢渐进。一根摩擦桩的表面与周围土壤之间的摩擦力能防止地基支撑结构下沉，就象一根钉子牢牢地扎根在木材之中。随后，在摩擦桩端部与基岩之间的土壤区会发生沉降。改变摩擦桩的长度就能使所有的支撑结构保持在斜坡岩石之上的大约相同距离上，从而形成一种均匀的沉降，避免了地基的倾斜。

采用这种支撑形式带来了一种新的担忧。凯尼山土壤的硬度取决于沉积颗粒的相互锁定，而沉积的沙和淤泥以前曾经是岩石。随着土方开挖的进展和上层土壤重量的移除，开挖地带的土壤通常会发生膨胀。土壤膨胀以后，互相锁定的土壤颗粒会互相脱离。为了避免土壤硬度的降低，我们决定从接近地面的层面向下沉降摩擦桩。然后，摩擦桩会象“土壤钉子”那样起作用，限制因开挖而造成的膨胀。 

每块最终地基(final foundation)由104根摩擦桩(长方形的现场浇注桩，截面尺寸达1.2×2.8米)组成，最深可挖到125米。在摩擦桩的施工过程中，工人们把增强用的钢筋编成笼形，向下放进每一个孔中，然后再在笼中注满混凝土。为了增加摩擦桩和土壤之间的摩擦力，还注入了灰浆(grout)，这种砂和水泥的混合物用泵通过埋置的管道打下去，它们又被挤出到摩擦桩的外侧。一旦硬化之后这些在摩擦桩外表面上的灰浆突起就增大了土壤的摩擦力。最后，每块地基再在摩擦桩的顶端浇上一块混凝土基础底板，从而完成了地基的施工。每块4．5米厚的基础底板需要13,200立方米的混凝土。浇注每块基础底板的过程只用了十分短暂的一次高强度作业：每90秒钟一辆混凝土卡车卸下它的物料，这样连续奋战两整天。 

工程设计

混凝土独石碑

最早的高层建筑不得不用石块、砖头或普通混凝土来建造，这就使得墙体和柱子厚大笨重，令人难以接受。在摩天大楼时代开始的时候，钢材的使用克服了这一限制。但是，混凝土技术的发展进步再一次使混凝土受人欢迎。在基本混凝土中添加微硅石和其他化合物，能大大增加混凝土的强度。(微硅石是一种超细粉尘，它是电子制造工艺的副产物。)这种高强度混凝土能用来形成更加致密的结构部件。其他一些材料也赋予混凝土优越的特性.超塑化剂使它更易于泵送。当水与水泥颗粒和其他组份发生化学反应而形成混凝土时会释放出热量.过量的热量能使混凝土开裂。用燃煤电厂的飞灰替换部分的水泥就能避免这一毛病。

混凝土用于建造柱子和核心墙体是很理想的，因为当地的承包商对它很熟悉。混凝土可以用桶或泵而不是用大型起重机提升到位。而且混凝土也很容易模塑成复杂的形状.混凝土还有助于阻止任何高大建筑结构在风中微微前后摇晃的自然趋势。混凝土衰减振动的能力是钢材的二倍。这种前后振荡(双塔大厦的振荡是每9秒钟发生一周)因混凝土的整体质量而变得更慢。这两个特征把双塔大厦对风所产生的反应减低到一个合适的程度。

横向强度和刚性对于高层建筑是很关键的。较低矮的结构只用中央核心作为主心骨，但皮特纳斯双塔大厦的紧凑核心只有抵御风力和其他外力挠曲所需的一半强度和刚性。必需的强度来自核心墙体、混凝土梁形成的框架、大楼圆周线上的柱子和悬臂梁(从核心延伸到圆周线上的刚性梁)的综合效果。钢框悬臂梁延伸到圆周线柱子之外，形成了星形的突台，增添了让住户无遮挡地眺望景观的优点。 

门面采用整层楼高的模块，每块高4米，宽1.4米。模块上有可互相锁定的舌-槽连接件，可以进行快速装配。不锈钢和彩色玻璃板加上能自动清除水滴的天棚与热带环境十分相宜，给人一种轻盈间隔的感觉，却又具有强烈的视觉内容。

塔楼的有几个设计特征是用来减少风的作用的。向塔楼顶部的锥度收缩减小了暴露于高空强风的建筑面积。柱子在高层部分向内收缩(更接近于核心)，即向内倾斜。风对肋状圆形塔楼的作用力小于对长方形塔楼的作用力，尽管比一种光滑的圆柱体要大些。大厦外表的肋状结构也能产生小面积的揣流，它们能破坏增加大厦摇晃的较大空气涡流。风洞研究发现，在两栋塔楼之间的空隙中流过的空气确实会增加大厦的晃动，但这种增加盖不太大。

幸运的是，吉隆坡对于高层建筑来说，气候是很温和的。这一地区蓝没有显著的地震活动。而且尽管靠近赤道，该城所经受的周风却不多.热带雷暴雨会带来强降雨过程和雷击闪电，却没有异乎寻常的大风。

对于高层建筑来说，建楼进度由建造一层楼所需的时间决定采用几种方法，承包商加快了进度.在建造核心墙体时。千斤顶装置把施工平台和浇注混凝土柱子的钢箱作为一个整体抬升。建造混凝土框架楼板(定框架、布钢筋、浇注混凝土、修整和养护)所需的时间比建造柱子长久，因此会拖慢施工进度。为了避免这一瓶颈，建筑队把钢梁固定到核心和革子上，再在钢梁上去放一块金周平板，然后浇注一层极薄的混凝土。这种工艺节省了制造一个全混凝土楼面所需的许多步骤。

工程设计

空中飞虹

空中廊桥是皮特纳斯双塔大厦的一个基本功能组件。它连接两座塔楼的空中大厅层，让人很容易进入会议厅、祈祷室、总裁餐厅和其他办公。这条空中廊桥是防火的，因此，它的半高位置为人们从座塔楼进入另一座塔楼提供了一条太平出口通道。这也减少了对大厦各处其他消防道路的需求。 

在研究了各种选择方案后，确定了一种在下面受到支撑的拱桥。所考虑过的其他设计包括一种吊篮式支撑结构，和一种用缆索悬吊的桥，所选择的拱桥构型使得可以采用很薄的走道精架，而不必使用十字构件精架。

直径1.1米的铜管制作的廊桥支撑腿从每座塔楼较低的支撑点成对角线地上升，在桥底下中央汇合。这种支撑位置可以使塔桥晃动时所造成的桥板上升下陷减到最小。廊桥模型的风洞试验表明，由风所引起的这些活动桥腿的振动可能造成某些焊接点的疲劳断裂，因此在桥腿上安装了阻尼装置是来减少它们的移动。 

把空中廊桥安装到位特别困难。这一结构是在韩国制造的，以散件形式运输到马来西亚。装桥的承包商在地面上把丈部分构件组装了起来，然后用千斤顶装置把桥腿和桥端抬升上去。最难的是提升325吨重的桥梁中间段。它占走道的四分之三。拖拉8棍高强度缆索的千斤顶装置本来可以在20个小时内把这一中间段提升上去的，但由于闪电两次把控制设备烧坏，这一任务延长到3天才完成. 

塔尖是另7个难点所在，考虑到塔尖如此之高，又如此难以接近，客户要求对这一结构的维护量降到很低的水平，要求能很容易地从内部和外部对它进行检查，因为在潮湿的热带锈蚀是一个大问题。大厦的顶部由三部分组成：顶层有一个鼓形库房，其中有一台两层擦窗架。从库房的最宽敞处向内形成一个圆锥体。最后是一根尖塔，给人形成一种从塔楼到天空的视觉变换。63.2米高的尖塔有14米的长度是嵌埋在圆锥体框架之中的，其余的长度就突出塔楼之外，直指天空。尖塔的直径从2. 8米逐渐缩尖到0. 6米。在尖塔的中间高度，由14根直径加00毫米的管子弯成的圆环组合成一个球体，它象征着马来西亚的14个州，尖塔顶端又安放了一个直径1. 9米的球形。 

擦窗架库房和圆锥体由普通的钢框骨架组成，表面饰有不锈钢墙面板。细长的尖塔是用不锈钢镶板、平板和螺栓组成的，这样可以避免锈蚀，把维修量降到最低限度。表面和支撑结构都在单独一层中，便于从内部的梯子和外部的索具进行检查。不锈钢镶板的尺寸比较短，便于吊装和组装。尖塔是在塔楼内用小块部件组装后分两个阶段提升的。这样做可以对施工工人进行保护，也使所需的起重机的高度可以减到最低限度。 

建筑设计

映天雄姿

随着每座塔楼的上升，它们在6个层次上向内收缩形成锥度。在高层区域，外墙也缓慢地向中央倾斜，完成了大厦的锥度造型，并且在视觉上增强了摩天大楼的中轴垂直线(axis mundi)。

 在整个建设过程中，双塔大厦都保持了在竞标中所确定的基本形状和外观，但也在许多地方作了修改。16角星的平面布局演变成了16分枝的形式。双塔上添加了小尖塔，高度也增加了，最终达到了451. 9米，成了世界第一高楼。

皮特纳斯双塔大厦在天空背景中所能产生的形象受到了深入的研究。在竞标中，我们提出了一个尖形的但又不带尖塔的设计方案。客户喜欢一种明显的马来西亚楼顶，与摩天大楼或教堂的尖顶迥然不同。我们试验了许多式样，其中一些一开始就被否定了，直到设计出现在选中的那个尖塔。 

从地基到空中廊桥再到尖塔，整个建设工程现在已经完成，住户们也已经搬了进去。至少在一段时间之内，皮特纳斯双塔大厦会作为世界第一高楼耸立在那里。更为重要的是，这一大厦是马来西亚这一东南亚国家的文化和经济实力的充分象征。 

图1伊斯兰花纹影响着皮特纳斯双塔大厦的建筑设计。下面的照片是从附近的一个湖边拍摄的。 

图3星形图案是皮特纳斯双塔大厦楼层布局的特征。这种布局的原始概念包括两个互相叠加的正方形(左边最上图)。这样就形成了一个八角星。在八角星的内角放置了8个半圆。对八角星进行了修饰(左边中图)。这样就增加了更多的楼层可用面积。最终设计具有16个突出部位：8个角和8个圆瓣(左边下图)。核心部位是一个正方形空心墙体。其中容纳电梯、机械井和其他服务设施(上图)。从核心到周边柱连接着支撑梁。上图中八角星的上端附加了一个较小的裙楼。它的高度达到了塔楼的第44层。

图4土壤钉(或叫作摩擦桩)让地基不会下沉。如果打到基岩中的摩擦桩所处的地质条件不一样，大厦就会开始倾斜(a)。相反，在一个新的价臂上(b)。摩擦桩和土壤之间的摩擦力通过把灰浆挤向侧边(c)而得到增强。计算机模型(右)显示出摩攘桩和基岩之间的距离。在摩擦桩上浇筑一层混凝土基础底板(前页右下角照片中可见)后就完成了地基的施工。

图5 88层楼之上再有一座63.2米高的天线蟠(左图)。高层上的柱子向里收缩，使得大厦的顶部具有锥度，从而减少了面对商空大风的面积(左上角照片)。参观者在天线塔的环形球中显得很矮小，由此可感觉到大厦的规模有多宏大(左上角第二张照片)。 

图6在闪电损坏了控制设备后，需要用三天时间把325吨的空中廊桥吊送到位．

图7桥腿披提升到它们的承座并在固定在每座塔楼上。然后用千斤顶装置把廊桥的桥端提升到空中大厅层面。接着，工人们把廊桥的走道抬升(左)。把这些部分焊接在一起后，他们把桥腿摆动到中间，把桥腿固定到廊桥之下(中)；承座允许桥腿在塔楼随风晃动时作一定的转动(右)。