超高層ビル

古代で最も高い建造物は、紀元前26世紀に建造された古代エジプトのギザの大ピラミッド（高さ146メートル）でした。数千年の間、その高さを超える建造物は現れず、1311年から1549年にかけて、中央の尖塔が崩壊する前のリンカーン大聖堂（高さ160メートル）がそれを上回りました。^{[ 13 ]}今度は、1884年にワシントン記念塔（高さ555フィート、169メートル）が建つまで、その高さを超える建造物は現れませんでした。ワシントン記念塔は、1889年に史上初の超高層建造物であるエッフェル塔によってさらに上回られました。しかし、これらの建造物はいずれも人が住んでいないため、現代の超高層ビルの定義には当てはまりません。1930年、クライスラービルは頂上部の高さでエッフェル塔を上回り、当時建設された中で最も高い建造物となり、頂上部の高さで最初の超高層ビルとなった。しかし、その1年後には、屋上の高さでも最初の超高層ビルとなったエンパイアステートビルによって、あらゆる面で追い抜かれてしまった。     

高層アパートは古典古代に隆盛を極めた。古代ローマの帝国都市のインスラは10階建て以上にも達した。^{[ 14 ]}アウグストゥス（紀元前30年～紀元後14年）以降、数人の皇帝が多層建築物の高さを20～25メートル（66～82フィート）に制限しようと試みたが、成功は限定的だった。 ^{[ 15 ] [ 16 ]}下層階は通常、商店や裕福な家族が占有し、上層階は下層階級に貸し出されていた。^{[ 14 ]}現存するオキシリンコス・パピルスによれば、紀元3世紀のローマ領エジプトのヘルモポリスのような地方都市には7階建ての建物が存在していた。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}    

中世の多くの重要な都市のスカイラインには、富裕層が防御と地位のために建てた高層の都市塔が多数存在した。12世紀のボローニャの居住用塔は、一時期には80から100にも上り、その中で最も高いのは高さ97.2メートル（319フィート）のアジネッリ塔である。 1251年のフィレンツェの法律では、すべての都市建築物を直ちに26メートル（85フィート）未満に縮小することが定められていた。^{[ 20 ]}この時代の中規模の町でさえ、塔が乱立していたことが知られており、サン・ジミニャーノには高さ51メートル（167フィート）に達する塔が72基あった。^{[ 20 ]}      

中世エジプトの都市フスタートには、多くの高層住宅があり、10世紀のアル・ムカッダシは、それらをミナレットに似ていると描写した。11世紀初頭のナスィール・ホスローは、それらのいくつかは14階建てまでそびえ立ち、最上階には牛が引く水車を備えた屋上庭園があったと描写した。^{[ 21 ]} 16世紀のカイロには、高層アパートがあり、下2階は商業と倉庫として使用され、その上の複数の階はテナントに貸し出されていた。^{[ 22 ]}完全に高層住宅で構成された都市の初期の例は、16世紀のイエメンの都市シバームである。シバームは500以上の塔状の家屋で構成されており、^{[ 23 ]}それぞれが5階から11階建てで、^{[ 24 ]}各階は1つの家族が住むアパートになっていた。この都市はベドウィンの攻撃から守るためにこのように建設された。^{[ 23 ]}シバームには今でも世界で最も高い日干しレンガの建物があり、その多くは高さ30メートル（98フィート）を超えている。^{[ 25 ]}  

高層住宅の近世初期の例としては、17世紀のスコットランドのエディンバラが挙げられます。エディンバラでは、防御用の城壁が都市の境界を定めていました。開発に利用できる土地が限られていたため、住宅は高さを増すようになりました。11階建ての建物が一般的で、14階建ての建物の記録もあります。石造りの建物の多くは、現在でもエディンバラの旧市街で見ることができます。世界最古の鉄骨造の建物は、一部しか鉄骨造ではありませんが、イングランドのシュルーズベリーにあるフラックスミルです。1797年に建てられたこの建物は、鋳鉄製の柱と梁を組み合わせた耐火構造が、現代の超高層ビルを可能にした現代の鉄骨構造へと発展したことから、「超高層ビルの祖父」と見なされています。2013年には、この廃墟となった建物をオフィスに改築するための資金が確保されました。^{[ 26 ]}

初期の超高層ビル

セントルイスのウェインライト・ビルディング（1891年）

ニューヨーク市のフラットアイアンビル（1902年建造）

リバプールのロイヤル・リバー・ビルディング（1911年）

1857年、エリシャ・オーティスはニューヨーク市のEVハウグワウトビルに安全エレベーターを導入し、建物の上層階への便利で安全な移動を可能にした。オーティスはその後、1870年にエクイタブル・ライフ・ビルに最初の商業用乗客用エレベーターを導入した。このビルは、一部の建築史家によって最初の超高層ビルとみなされている。もう一つの重要な発展は、石やレンガの代わりに鉄骨フレームを使用することだった。そうしないと、高層ビルの下層階の壁が厚すぎて実用的ではなかった。この分野における初期の発展は、 1864年にイギリスのリバプールに建てられたオリエル・チェンバーズである。高さはわずか5階建てだった。^{[ 27 ] [ 28 ]}王立芸術院は、「当時の批評家たちは、その『突き出た板ガラスの泡の大きな塊』にぞっとした。実際、それはモダニズム建築の先駆けであり、世界で初めて金属フレームのガラスカーテンウォールを採用した建物であり、明るく開放的なインテリアを生み出すデザイン要素であり、それ以来、超高層ビルの特徴として世界中で使用されている」と述べている。^{[ 29 ]}

さらなる発展により、多くの個人や団体が世界初の超高層ビルと考える、1884年から1885年にかけて建設されたシカゴの10階建てのホーム・インシュアランス・ビルが誕生しました。 ^{[ 30 ]}当初の高さ42.1 メートル（138 フィート）は今日では超高層ビルとは言えませんが、当時としては記録的な高さでした。1880年代の高層ビルの建設は、シカゴ派と呼ばれる最初の建築運動を超高層ビルにもたらし、商業様式と呼ばれるものを発展させました。^{[ 31 ]}

建築家のウィリアム・ル・バロン・ジェニー少佐は、耐荷重構造フレームを設計しました。この建物では、耐荷重壁が建物の重量を支えるのではなく、鉄骨フレームが壁全体の重量を支えていました。そして、美観上の目的で石のカーテンで覆われました。この開発は、「シカゴスケルトン」と呼ばれる建築様式につながりました。ホーム・インシュアランス・ビルディングは、鉄骨フレームに加えて、耐火構造、エレベーター、電気配線も利用しており、これらは今日のほとんどの超高層ビルにおける重要な要素です。^{[ 32 ]}

バーナムとルートが設計したシカゴのランド・マクナリー・ビル（高さ45m 、148フィート、1889年）は、全鉄骨造の超高層ビルとしては最初のものでした^{[ 33 ]} 。一方、ルイス・サリバンが設計したミズーリ州セントルイスのウェインライト・ビル（高さ41m 、135フィート、1891年）は、建物の高さを強調するために高くそびえる垂直帯を備えた最初の鉄骨造の建物であり、初期の超高層ビルとしては最初のものと考えられています。1889年、イタリアのモーレ・アントネリアーナは高さ197m （549フィート）でした。      

初期の超高層ビルのほとんどは、19 世紀末にかけて土地が不足していたニューヨーク市とシカゴに出現しました。1888年～ 1891 年にかけてオーストラリアのメルボルンで起こった土地ブームにより、初期の超高層ビルが多数建設されましたが、これらのビルは鉄筋コンクリート造ではなく、現在残っているものはほとんどありません。高さ制限と防火規制は後に導入されました。1800 年代後半、ロンドンの建設業者は、既存の建物の問題により、建物の高さが制限されていることに気づきました。ロンドンでは、セント ポール大聖堂やその他の歴史的建造物の保護された景観を遮る可能性がある場合、特定の場所での高層建築が制限されています。^{[ 34 ]}この政策「セント ポールズ ハイツ」は、1927 年以来正式に運用されています。^{[ 35 ]}

戦間期の超高層ビル

ニューヨーク市のエンパイア・ステート・ビルディング（1931年）は、他の巨大建造物の高さと長さの基準となる世界的なランドマークである。

ボーレントーレン(1932)、アントワープ

エディフィシオ・カバナー(1934)、ブエノスアイレス

美観や防火上の懸念も、20世紀前半のヨーロッパ大陸における超高層ビルの発展を妨げていた。1940年までに、ヨーロッパには約100棟の高層ビルがあった（初期の超高層ビル一覧）。その例としては、ロッテルダムにある高さ43メートル（141フィート）の1898年建造のウィッテ・ハウス（ホワイトハウス）、ワルシャワにある高さ51.5メートル（169フィート）のPASTビル（1906～1908年）、リバプールにある高さ90メートル（300フィート）のロイヤル・リバー・ビル（1911年完成）などがある。 ^{[ 36 ]} 1924 年にデュッセルドルフに建てられた高さ57 m (187フィート)のマルクスの家、1924 年にベルリンに建てられた高さ65 m ( 213フィート)のボルジヒトゥルム、1925 年にドイツ、ケルンに建てられた高さ65 m (213フィート)のハンザホッホハウス、1924 年から 25 年にスウェーデン、ストックホルムに建てられた高さ 61 m (200 フィート) のクングストルネン (キングスタワー)、[ 37 ] 1927 年にドイツ、ベルリンに建てられた高さ 77 m ( 253フィート^)のウルシュタインハウス、1929 年にスペイン、マドリードに建てられた高さ89 m ( 292フィート)のテレフォニカビル。ベルギーのアントワープにある高さ87.5メートル（287フィート）のボーレントーレン（1932年建設） 、ポーランドのワルシャワにある高さ66メートル（217フィート）のプルデンシャル・ビル（1934年建設）、イタリアのジェノヴァにある高さ108メートル（354フィート）のトーレ・ピアチェンティーニ（1940年建設）。                        

ニューヨーク市とシカゴの間で世界一高いビルを巡る初期の競争の後、1895年に高さ103メートル（338フィート）のアメリカン・シュアティ・ビルが完成し、ニューヨークがリードを奪い、その後長年にわたり世界一高いビルの称号を保持した。この時期、超高層ビルを建設した国は圧倒的に多かった。  

現代の超高層ビルは、鉄骨または鉄筋コンクリートの骨組みと、ガラスまたは磨かれた石のカーテンウォールで建設されています。水ポンプやエレベーターなどの機械設備を使用しています。CTBUH（高層ビル・都市居住協議会）によると、1960年代以降、超高層ビルは北米企業の権力の象徴から、都市や国の世界における地位を伝えるものへと方向転換しました。^{[ 38 ]}

スターリン様式の超高層ビル

モスクワ国立大学の本館（1953年）、モスクワ

ワルシャワの文化科学宮殿（1955年）

プラハのグランドホテルインターナショナル（1956年）

超高層ビルの建設は、1930年に世界恐慌と第二次世界大戦の影響で30年間停滞期に入った。戦争終結後まもなく、ロシアはモスクワで一連の超高層ビルの建設を開始した。1947年から1953年の間に「セブン・シスターズ」と呼ばれる7棟が建設され、そのうちの1棟であるモスクワ国立大学の本館は、約40年間（1953年～1990年）にわたりヨーロッパで最も高い建物だった。東ドイツ（フランクフルター・トーア）、ポーランド（PKiN）、ウクライナ（ホテル・モスクワ）、ラトビア（科学アカデミー）などの東側諸国にも、社会主義古典主義様式の超高層ビルが建てられた。西ヨーロッパ諸国も、第二次世界大戦直後から高層ビルの建設を許可し始めた。初期の例としては、エディフィシオ・エスパーニャ（スペイン）やトーレ・ブレダ（イタリア）などがある。

1930年代以降、東アジアや東南アジア、そしてラテンアメリカの様々な都市で超高層ビルが出現し始めた。そして1950年代後半からは、アフリカ、中東、南アジア、オセアニアの都市でも建設されるようになった。

第二次世界大戦後の超高層ビル建設プロジェクトは、初期の超高層ビルに見られた古典的なデザインを概ね否定し、代わりに統一された国際的なスタイルを採用した。多くの古い超高層ビルは、現代の好みに合わせて再設計されたり、取り壊されたりした。例えば、かつて世界で最も高い超高層ビルだったニューヨークのシンガー・ビルディングなどが挙げられる。

ドイツ系アメリカ人の建築家ルートヴィヒ・ミース・ファン・デル・ローエは、20世紀後半に世界で最も有名な建築家の一人となりました。彼はガラス張りのファサードを持つ超高層ビルを考案し^{[ 39 ]}、ノルウェー人のフレッド・セヴェルド^{[ 40 ]}とともに、 1958年にシーグラムビルを設計しました。この超高層ビルは、しばしば近代主義の高層建築の頂点と見なされています^{[ 41 ] 。}

戦後モダニズムの超高層ビル

ニューヨーク市にある国連事務局ビル（1952年）

シーグラムビル（1958年）、ニューヨーク市

Chałubińskiego 8 (1978)、ワルシャワ

1960年代を通じて超高層ビルの建設が急増した。この増加の原動力となったのは、人々が「空中の都市」で生活し働くことを可能にした一連の革新的な技術革新であった^{[ 42 ] [ 43 ] 。}

1960年代初頭、高層ビルの「チューブ構造設計の父」とみなされているバングラデシュ系アメリカ人の構造エンジニア、^ファズル・ラーマン・カーンは^、支配的な剛性鋼フレーム構造が高層ビルに適した唯一のシステムではないことを発見し、複数の構造システムという点で超高層ビル建設の新時代を切り開いた。^{[ 45 ][46 ]}超高層ビルの設計と建設における彼の中心的な革新は、「フレームチューブ」、「トラスチューブ」、「バンドルチューブ」を含む「チューブ」構造システムの概念であった。 ^{[ 47 ]}建物の外壁周縁構造全体を使用して薄肉チューブをシミュレートする彼の「チューブコンセプト」は、高層ビルの設計に革命をもたらした。^{[ 48 ]}これらのシステムは、より高い経済効率を可能にし、^{[ 49 ]}また、超高層ビルが長方形や箱型である必要がなくなり、さまざまな形状をとることができるようになった。^{[ 50 ]}チューブ構造を採用した最初の建物は、チェスナット・デウィット・アパートメントビルで、^{[ 42 ]}近代建築における大きな発展とみなされています。^{[ 42 ]}これらの新しい設計は、請負業者、エンジニア、建築家、投資家にとって経済的な扉を開き、最小限の土地で広大な不動産スペースを提供しました。^{[ 43 ]}その後の 15 年間で、ファズル・ラーマン・カーンと「第二シカゴ派」によって多くのタワーが建設され、^{[ 51 ]}その中には、100 階建てのジョン・ハンコック・センターや巨大な442 m (1,450 ft)のウィリス・タワーが含まれます。^{[ 52 ]}この分野の他の先駆者には、ハル・アイエンガー、ウィリアム・ルメシュリエ、ワールドトレードセンターの建築家であるミノル・ヤマサキなどがいます。  

1970年代に設計された多くの建物は、特定のスタイルを欠いており、1950年代以前に設計された以前の建物の装飾を想起させるものでした。これらの設計計画は環境を無視し、構造物に装飾的な要素と贅沢な仕上げを詰め込みました。^{[ 53 ]}この設計アプローチはファズル・カーンによって反対され、彼はこれらの設計を合理的というより気まぐれだと考えました。さらに、彼はこれらの仕事は貴重な天然資源の浪費だと考えました。^{[ 54 ]}カーンの作品は、建築と統合された構造物と最小限の材料の使用を推進し、環境への影響を最小限に抑えました。^{[ 55 ]}次の超高層ビルの時代は、構造物の性能、材料の種類、建設方法、材料/天然資源の絶対的な最小限の使用、構造物内の内在エネルギー、そしてより重要なことに、総合的に統合された建築システムのアプローチを含む環境に焦点を当てるでしょう。^{[ 53 ]}

ポストモダンの超高層ビル

メッセタワー(1990)、フランクフルト

ペトロナス タワー(1998 年)、クアラルンプール

ジン マオ タワー(1999)、上海

超高層建築に関する現代の建築慣行は、「虚栄の高さ」の研究につながった。^{[ 56 ] [ 57 ]} CTBUHによると、虚栄の高さとは、最上階から建築上の頂上までの距離（アンテナ、旗竿、その他の機能的な延長部分を除く）である。虚栄の高さは、1920年代から1930年代にかけてニューヨーク市の超高層ビルに初めて現れたが、超高層ビルは、平均して高さの30%をこのような居住不可能な延長部分に依存しており、定義と持続可能性に関する潜在的な問題を引き起こしている。^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]}現在の超高層ビルの時代は、持続可能性、建築環境と自然環境に焦点を当てており、構造物の性能、材料の種類、建設方法、材料と天然資源の絶対最小限の使用、構造物内のエネルギー、および総合的に統合された建築システムアプローチが含まれる。LEEDは現在のグリーンビルディングの基準である。^{[ 61 ]}

建築的には、 1980年代以降に確立されたポストモダニズム、ニューアーバニズム、ニュークラシカル建築のムーブメントにより、より古典的なアプローチが世界の超高層ビル設計に回帰し、今日でも人気を博している。 ^{[ 62 ]}例としては、ウェルズ・ファーゴ・センター、NBCタワー、パークビュー・スクエア、30パークプレイス、メッセタワー、象徴的なペトロナスツインタワー、ジンマオタワーなどがある。

現代の超高層ビル

ロンドンのザ・シャード（2012年）

ワン・ワールド・トレード・センター（2013年）、ニューヨーク市

上海タワー（2014年）、上海

超高層ビル設計におけるその他の現代的なスタイルやムーブメントには、オーガニック、サステナブル、ネオ・フューチャリズム、ストラクチャリズム、ハイテク、デコンストラクティビズム、ブロブ、デジタル、ストリームライン、ノベルティ、クリティカル・リージョナリズム、バーナキュラー、ネオ・アール・デコ、ネオ・ヒストリズム（リバイバリズムとも呼ばれる）などがあります。

9月3日は、超高層ビルを記念する世界的な日であり、「超高層ビルの日」と呼ばれています。^{[ 63 ]}

1920年代から1930年代初頭にかけて、ニューヨーク市のデベロッパーたちは互いに競い合い、次々と高層ビルを建てて「世界一高い」の称号を競い合った。その頂点となったのが、1930年に完成した高さ318.9メートル（1,046フィート）のクライスラービルと、 1931年に完成した高さ443.2メートル（1,454フィート）のエンパイアステートビルで、これらは40年間世界一高いビルとなった。最初に完成した高さ417メートル（1,368フィート）のワールドトレードセンタータワーは、1972年に世界一高いビルとなった。しかし、 2年以内にシカゴのシアーズタワー（現在のウィリスタワー）にその座を奪われた。高さ442メートル（1,450フィート）のシアーズタワーは、1974年から1998年までの24年間、世界で最も高い建物として君臨したが、その後、クアラルンプールにある高さ452メートル（1,483フィート）のペトロナスツインタワーにその座を譲り、ペトロナスツインタワーは6年間その座を保持した。          

優れた構造設計はほとんどの建築設計において重要ですが、特に超高層ビルにおいては、たとえわずかな可能性であっても壊滅的な崩壊は許容できないため、その崩壊がもたらす甚大な被害は極めて深刻です。これは土木技術者にとってパラドックスとなります。崩壊がないことを保証する唯一の方法は、実験室と実世界の両方で、あらゆる崩壊モードを試験することです。しかし、あらゆる崩壊モードを知る唯一の方法は、過去の崩壊から学ぶことです。したがって、どの技術者も、特定の構造物が崩壊を引き起こす可能性のあるすべての荷重に耐えられると断言することはできません。その代わりに、崩壊が許容できる程度に起こりにくいだけの十分な安全マージンを確保することしかできません。建物が崩壊した場合、技術者は、その崩壊が何らかの先見性の欠如によるものなのか、あるいは未知の要因によるものなのかを問います。

超高層ビルにかかる荷重は、主に建材自体の力によるものです。ほとんどの建築設計では、構造物の重量は、構造物が自重を超えて支える材料の重量よりもはるかに大きくなります。技術的には、固定荷重、つまり構造物の荷重は、活荷重、つまり構造物内の物（人、家具、車両など）の重量よりも大きくなります。そのため、超高層ビルの下層階に必要な構造材の量は、上層階に必要な材料よりもはるかに多くなります。これは必ずしも視覚的に明らかではありません。エンパイア・ステート・ビルディングのセットバックは、実際には当時の建築基準（1916年のゾーニング決議）の結果であり、構造的に必要だったわけではありません。一方、ジョン・ハンコック・センターの形状は、荷重を支える方法の結果として独自に形成されたものです。垂直支持にはいくつかの種類があり、超高層ビルで最も一般的なものは、鉄骨フレーム、コンクリートコア、チューブ・イン・チューブ設計、せん断壁に分類できます。

超高層ビルにかかる風荷重も相当なものです。実際、超高層建築物にかかる横風荷重は、一般的に構造設計における支配的な要因となります。風圧は高さとともに増加するため、非常に高い建物では、風荷重は固定荷重や積載荷重よりも大きくなります。

その他の垂直方向および水平方向の荷重要因は、地震など、多様で予測不可能な原因から生じる。

1895年までに、鋼鉄は超高層ビルの構造材料として鋳鉄に取って代わった。鋼鉄は可鍛性があるため様々な形状に成形でき、リベット留めも可能で、強固な接合部を確保できた。^{[ 66 ]}鋼鉄フレームのシンプルさにより、せん断壁の非効率的な部分である中央部が排除され、水平方向と垂直方向の両方の支持を全体に設けることで、支持部材がはるかに強固に統合された。鋼鉄の欠点の一つは、高さが増すにつれて支持しなければならない材料が増えるため、支持部材間の距離を狭める必要があり、その結果、支持しなければならない材料の量が増えることである。これは、支持柱のために使用可能な床面積が減り、鋼鉄の使用量が増えるため、40階建て以上の建物では非効率的で非経済的になる。^{[ 64 ]}

フレームチューブの新しい構造システムは、 1963 年にFazlur Ra​​hman Khanによって開発されました。フレームチューブ構造は、「3 つ、4 つ、またはそれ以上のフレーム、ブレースフレーム、またはせん断壁で構成され、その端またはその近くで接合されて、基礎から片持ち梁であらゆる方向の横方向の力に抵抗できる垂直なチューブ状の構造システムを形成する三次元空間構造」と定義されています。^{[ 67 ] [ 68 ]}密接に相互接続された外部柱がチューブを形成します。水平荷重（主に風）は構造全体で支えられます。フレームチューブでは内部の柱が少なくて済むため、使用可能な床面積が増え、外表面の約半分が窓として利用できます。ガレージドアなどの大きな開口部が必要な場合は、チューブフレームを中断し、構造的完全性を維持するためにトランスファーガーダーを使用する必要があります。チューブ構造はコストを削減すると同時に、建物をより高い高さにすることができます。コンクリートチューブフレーム構造^{[ 47 ]}は、 1963年にシカゴで完成したデウィット・チェスナット・アパートメントビル^{[ 69 ]}で初めて使用され、その後すぐにジョン・ハンコック・センターとワールドトレードセンターでも使用されました。

チューブ構造は高層ビルの設計の基本です。1960年代以降に建設された40階建て以上の建物のほとんどは、カーンの構造工学原理から派生したチューブ設計を採用しています。^{[ 64 ] [ 70 ]}例としては、ワールドトレードセンター、Aonセンター、ペトロナスツインタワー、金茂ビル、および1960年代以降の他のほとんどの超高層ビルの建設が挙げられます。^{[ 47 ]}チューブ構造設計の強い影響は、現在最も高い超高層ビルであるブルジュ・ハリファの建設にも明らかであり、ブルジュ・ハリファはバットレス・コアを採用しています。^{[ 50 ] [ 71 ]}

トラスチューブとX型ブレース：

カーンはチューブ構造設計の他のいくつかのバリエーションを開拓しました。その1つが、ジョン・ハンコック・センターで初めて採用されたXブレース、またはトラスチューブの概念です。この概念は、荷重を外側の柱に伝達することで建物の横方向の荷重を軽減します。これにより、内部の柱の必要性が減り、床面積を増やすことができます。この概念は、1965年に設計され、1969年に完成したジョン・ハンコック・センターで見ることができます。構造表現主義様式で最も有名な建物の1つであるこの超高層ビルの特徴的なXブレースの外観は、実際には構造の外皮が「チューブシステム」の一部であることを示唆しています。このアイデアは、建物が記録的な高さに達するために使用された建築技術の1つです（チューブシステムは基本的に、風や地震の荷重中に建物が直立するのを助ける背骨です）。このXブレースにより、高層構造の性能が向上するだけでなく、建築家が望む場合は内部のフロアプラン（および使用可能な床面積）を広げることもできます。

ジョン・ハンコック・センターは、それ以前の鉄骨構造よりもはるかに効率的でした。エンパイア・ステート・ビルディング（1931年）では1平方メートルあたり約206キログラムの鋼材が必要でしたが、28リバティ・ストリート（1961年）では275キログラムが必要だったのに対し、ジョン・ハンコック・センターではわずか145キログラムしか必要ありませんでした。^{[ 49 ]}トラスチューブのコンセプトは、オンタリー・センター、シティグループ・センター、バンク・オブ・チャイナ・タワーなど、後の多くの超高層ビルに適用されました。^{[ 72 ]}

束ねたチューブ： チューブフレームの重要なバリエーションとして、相互接続された複数のチューブフレームを使用する束ねたチューブがあります。シカゴのウィリスタワーはこの設計を採用し、高さの異なる9本のチューブを使用して独特の外観を実現しました。束ねたチューブ構造は、「建物はもはや箱のような外観である必要はなく、彫刻になることができる」ことを意味しました。^{[ 50 ]}

チューブ・イン・チューブ： チューブ・イン・チューブシステムは、外側のチューブに加えて、コアせん断壁チューブを利用します。内側のチューブと外側のチューブが連携して重力荷重と横荷重に抵抗し、構造にさらなる剛性を与えて、上部での大きなたわみを防ぎます。この設計は、ワン・シェル・プラザで初めて使用されました。^{[ 73 ]}この構造システムを使用した後の建物には、ペトロナスツインタワーなどがあります。^{[ 74 ]}

アウトリガーとベルトトラス: アウトリガーとベルトトラスシステムは、チューブ構造が1つ以上のレベルで非常に剛性の高いアウトリガーとベルトトラスによって中央コア壁に接続されている横荷重抵抗システムです。^{[ 75 ]} BHPハウスは、この構造システムを使用した最初の建物であり、続いてミルウォーキーのファーストウィスコンシンセンター（後にUSバンクセンターと改名）が使用されました。センターは高さ601フィートで、建物の下部、中央、上部に3つのベルトトラスがあります。露出したベルトトラスは、美観と構造の両方の目的を果たしています。^{[ 76 ]}後にこのシステムを使用した建物には、上海ワールドフィナンシャルセンターなどがあります。^{[ 75 ]}

コンクリート管構造： カーンが設計した最後の主要な建物は、シカゴのワン・マグニフィセント・マイルとオンテリー・センターで、それぞれ束ね管とトラス管のシステム設計が採用された。彼の初期の建物は主に鉄骨造であったのに対し、最後の2つの建物はコンクリート造であった。彼の初期の建物である、1963年にシカゴに建てられたデウィット・チェスナット・アパートメントも、管構造のコンクリート造の建物であった。^{[ 47 ]} ニューヨーク市のトランプ・タワーも、このシステムを採用した別の例である。 ^{[ 77 ]}

せん断壁フレーム相互作用システム：

カーン氏は中高層ビル向けにせん断壁フレーム相互作用システムを開発した。この構造システムは、横方向の力に抵抗するように設計されたせん断壁とフレームの組み合わせを使用する。^{[ 78 ]}この構造システムを使用した最初の建物は、35 階建てのブランズウィック ビルだった。^{[ 76 ]}ブランズウィック ビル (現在は「クック郡行政ビル」として知られている) は 1965 年に完成し、当時最も高い鉄筋コンクリート構造物となった。ブランズウィック ビルの構造システムは、柱とスパンドレルの外側のコンクリート フレームに囲まれたコンクリートせん断壁コアで構成されている。^{[ 79 ]} 70 階建てまでのアパートビルでこのコンセプトがうまく使用されている。^{[ 80 ]}

エレベーターの発明は、ほとんどの人が一度に数階以上の階段を上ることができなかった（あるいは上ろうとしなかった）ことを考えると、超高層ビルの発明の前提条件であった。超高層ビルのエレベーターは、水道や電気のような単なる必要不可欠な設備ではなく、実際には建物全体の設計と密接に関係している。建物が高くなると、追加の階にサービスを提供するためにエレベーターの数が増えるが、エレベーターシャフトは貴重な床面積を消費する。エレベーターシャフトを含むサービスコアが大きくなりすぎると、建物の収益性が低下する可能性がある。したがって、建築家は、高さを加えることによって得られる価値と、拡大するサービスコアによって失われる価値とのバランスを取らなければならない。^{[ 81 ]}

多くの高層ビルでは、設置面積を縮小するために、エレベーターを通常とは異なる配置で使用しています。旧ワールドトレードセンター・タワーやシカゴのジョン・ハンコック・センターなどのビルでは、スカイロビーが設けられており、そこから高速エレベーターで上層階へ移動し、そこから各階のエレベーターに乗り換えることができます。これにより、建築家やエンジニアはエレベーターシャフトを上下に重ねて設置することができ、スペースを節約できます。しかし、スカイロビーや高速エレベーターはかなりのスペースを占有し、階間の移動時間も長くなります。

ペトロナスツインタワーなどの建物では、 2階建てエレベーターが採用されており、1台のエレベーターにより多くの人数が乗車でき、各停留所で2階まで到達できる。エレベーターに3階以上の階を設けることも可能だが、これまでそのような例は存在しない。2階建てエレベーターの主な問題点は、特定の階で片方の階の乗客だけが降りる必要がある場合、エレベーターに乗っている全員が停止してしまうことである。

スカイロビーのある建物には、ワールドトレードセンター、ペトロナスツインタワー、ウィリスタワー、台北101などがあります。ジョン・ハンコックセンターの44階のスカイロビーには、米国で最初の高層屋内プールがあり、現在も米国で最も高い場所にあります。^{[ 82 ]}

建築部門は温室効果ガス排出量の約50%を占め、運用エネルギーは建築関連のエネルギー使用量の80～90%を占めています。^{[ 86 ]}運用エネルギー使用量は、内部と外部間の伝導、侵入空気からの対流、およびガラスを通じた放射の大きさに影響されます。これらの要因が運用エネルギーに及ぼす影響の程度は、超高層ビルの微気候によって異なり、超高層ビルの高さが増加するにつれて風速が増加し、高度が増加するにつれて乾球温度が低下します。 ^{[ 86 ]}例えば、1.5メートルから284メートルに移動すると、乾球温度は1.85  ℃低下し、風速は毎秒2.46メートルから毎秒7.75メートルに増加し、ニューヨーク市のフリーダムタワーを基準として夏の冷房が2.4%減少しました。しかし、同じ建物では、高所での日陰の不足により残りの年の冷房負荷が増加したため、年間エネルギー使用強度が9.26%高くなり、温度、風、日陰、反射の影響の組み合わせにより、年間エネルギー使用強度が合計で13.13%増加したことが判明した。^{[ 87 ]}

LeungとRayが2013年に実施した研究では、0階から9階建ての建物の平均エネルギー使用強度は約80 kBtu/ft/年であるのに対し、50階建て以上の建物のエネルギー使用強度は約117 kBtu/ft/年であることがわかった。30階から39階にかけてエネルギー使用強度がわずかに低下するのは、暖房、冷房、給水システム内の圧力の上昇が40階から49階の間で横ばいになり、高層階の微気候によるエネルギー節約が見られるためと考えられる。^{[ 88 ]} 同じ情報をより高層の建物について調べた別の研究が必要なデータにギャップがある。

超高層ビルの建設に伴うエンボディードエネルギーは、使用される材料によって異なります。エンボディードエネルギーは、材料単位当たりで定量化されます。超高層ビルは、階数が増えるにつれて使用される材料が増加するため、低層ビルよりも本質的にエンボディードエネルギーが高くなります。鉄筋コンクリート床を除くすべての床タイプでは、60階を超えると単位エンボディードエネルギーが減少することがわかりましたが、すべての階を考慮すると、高さに対する二重の依存性により指数関数的に増加しました。その二重依存性とは、高さの増加が使用される材料量の増加につながる関係と、高さの増加が建物の構造的耐力を高めるために要素のサイズの増加につながる関係です。提示された範囲内で建設する階数を減らすことなく、建築材料を慎重に選択することでエンボディードエネルギーを削減できる可能性があります。^{[ 90 ]}

建物のエンボディード カーボンは、エンボディード エネルギーと同様に、建設に使用される材料に依存します。エンボディード カーボンを測定する両方の方法によると、高さが増加するにつれてエンボディード カーボンが最低になるポイントがあり、その後再び増加します。総エンボディード カーボンは構造タイプに依存しますが、約 40 階または約 60 階のいずれかです。総床面積の平方メートルでは、エンボディード カーボンが最低になるのは 40 階または約 70 階のいずれかです。^{[ 91 ]}

都市部では、建物の配置によって風のパターンが悪化し、汚染物質の拡散が不均一になることがあります。大気汚染源周辺の建物の高さが増加すると、汚染物質がほとんどない領域と高濃度の汚染物質が存在する領域で、「デッドゾーン」と「ホットスポット」のサイズと発生頻度が増加しました。この推移は、建物Fの高さが増加するにつれて、汚染物質の拡散は減少するが、建物群内の濃度は増加することを示しています。速度場の変化は、高さの増加だけでなく、新しい建物の建設によっても影響を受ける可能性があります。^{[ 92 ]}

都市中心部が上方向と外方向に拡大し続けるにつれて、現在の速度場は都市内の高層ビルの近くに汚染された空気を閉じ込め続けるでしょう。特に大都市では、大気汚染の大部分は自動車、電車、飛行機、船などの交通機関に由来します。都市のスプロール現象が続き、汚染物質が排出され続けると、大気汚染物質はこれらの都市中心部に閉じ込められ続けるでしょう。^{[ 93 ]}さまざまな汚染物質は、さまざまな方法で人間の健康に悪影響を及ぼす可能性があります。たとえば、自動車の排気ガスや発電からの粒子状物質は喘息、気管支炎、癌を引き起こす可能性があり、自動車エンジンの燃焼プロセスからの二酸化窒素は神経機能障害や窒息を引き起こす可能性があります。 ^{[ 94 ]}

他のすべての建物と同様に、設計プロセスの初期段階で持続可能な設計手法を取り入れるための特別な措置を講じれば、 LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）認証などのグリーンビルディング評価を取得することが可能です。統合的な設計アプローチは、建物全体にプラスの影響を与える設計上の決定がプロセスの初期段階で行われるようにするために不可欠です。超高層ビルは規模が非常に大きいため、設計チームが行う決定は、周辺地域への建物の影響、空気や水の流れの方向への建物の影響、建設プロセスの影響など、すべての要素を考慮に入れなければなりません。超高層ビルの建設には、建物の高さを活かすことができるいくつかの設計手法が採用できます。^{[ 95 ]}

建物の高さが増すにつれて生じる微気候を利用して、自然換気を増やし、冷房負荷を減らし、自然光を増やすことができます。自然換気は、暖かい空気が上昇して建物内の空気の流れが増加する煙突効果を利用することで増やすことができます。煙突効果を利用する場合、煙突効果は火災の深刻度を悪化させる可能性もあるため、建物は防火分離技術の設計に特に注意を払う必要があります。^{[ 96 ]}超高層ビルは、その規模と、その大部分が冷房負荷の高いオフィスビルとして使用されているという事実から、内部支配型の建物と考えられています。上層階では風速の増加と乾球温度の低下により微気候が形成されるため、熱外皮を通じた浸透により冷房負荷は自然に減少します。高層階の自然に低い温度を利用することで、超高層ビルは受動的に冷房負荷を減らすことができます。この議論のもう一方の側面は、高層階では他の建物による日陰がないため、建物の下層階よりも上層階の方が太陽熱取得量が多くなるという点である。過熱期間中は、冷房負荷を増加させることなく快適な温度を確保するために、上層階を日光から遮るための特別な対策を講じる必要がある。^{[ 88 ]}

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  エンパイア・ステート・ビルは1931年から1971年まで世界で最も高いビルだった。100階建てを超える最初の超高層ビルでもあった。
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  旧ワン・ワールド・トレード・センター（ノースタワー）は、1971年から1973年まで世界で最も高いビルだった。
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  シカゴのウィリス・タワー（旧シアーズ・タワー）は、1973年から1998年まで世界で最も高い建物だった。
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  クアラルンプールのペトロナスツインタワーは、1998年から2003年まで世界で最も高いビルだった。
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  台北にある台北101は、2003年から2009年まで世界で最も高い超高層ビルであり、500メートル（1,600フィート）を超える最初のビルだった。  
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  ブルジュ・ハリファは現在世界で最も高い建物である。様々な高さにおける後退部分は、超高層ビルによく見られる特徴である。

木造の超高層ビルの設計がいくつか行われ、建設されてきた。ノルウェーのベルゲンにある「Treet」または「The Tree」として知られる14階建ての集合住宅プロジェクトは、2015年末に完成した際に世界で最も高い木造アパートとなった。^{[ 114 ]} The Treeの記録は、 2016年9月に完成したカナダのブリティッシュコロンビア大学の18階建ての木造学生寮であるBrock Commonsによって塗り替えられた。 ^{[ 115 ]}

スウェーデンのストックホルムに、建築家アンダース・ベレンソンが40階建ての住宅ビル「Trätoppen」を建設する計画を提案している。^{[ 116 ]} Trätoppenはストックホルムで最も高い建物となる予定だが、建設開始の具体的な計画はない。^{[ 117 ]}現在計画されている木造超高層ビルの中で最も高いのは、住友林業株式会社が2041年の創業350周年を記念して建設する東京の70階建てW350プロジェクトである。 ^{[ 118 ]}建築家パーキンス・アンド・ウィルとケンブリッジ大学を含むチームが、80階建ての木造超高層ビル「リバー・ビーチ・タワー」を提案している。イリノイ州シカゴのシカゴ川沿いに建設されるリバー・ビーチ・タワーは、W350プロジェクトより10階多いにもかかわらず、高さは348フィート低い。^{[ 119 ] [ 118 ]}

木造超高層ビルは、同等の鉄筋コンクリート構造の約4分の1の重量で、建物の二酸化炭素排出量を60～75%削減できると推定されています。建物は、木造構造に高い剛性と強度を与えるクロスラミネートティンバー（CLT）を使用して設計されています。 ^{[ 120 ]} CLTパネルはプレハブ式であるため、建設時間を節約できます。^{[ 121 ]}