超高層ビルの設計と建設

超高層ビルの設計と建設には、非常に高い建物に安全で居住可能な空間を作り出すことが含まれます。建物は、その重量を支え、風や地震に耐え、居住者を火災から守る必要があります。また、上層階であってもアクセスしやすく、居住者にユーティリティと快適な環境を提供する必要があります。超高層ビルの設計で生じる問題は、経済、エンジニアリング、建設管理の間で求められるバランスを考えると、遭遇する最も複雑な問題の 1 つであると考えられています。

優れた構造設計はほとんどの建物の設計において重要ですが、特に超高層ビルでは重要です。なぜなら、2021年のサーフサイドマンションの崩壊に見られるように、建設費が高く、大規模な人命への潜在的なリスクがあるため、壊滅的な崩壊の可能性がわずかでも許容されないからです。これは土木技術者にとって矛盾を生じさせます。崩壊がないことを保証する唯一の方法は、実験室と現実世界の両方で、あらゆる崩壊モードをテストすることです。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、特定の構造が崩壊を引き起こす可能性のあるすべての荷重に耐えることを絶対的に確信できる技術者はいませんが、崩壊が許容できるほど起こりにくいように十分に大きな安全マージンを持つことしかできません。建物が崩壊すると、技術者は崩壊が先見性の欠如によるものなのか、それとも未知の要因によるものなのかを疑問視します。

超高層ビルを特別なものにしている多くの要素のうちの 1 つは、その基礎構造です。たとえば、基礎構造を保持するピットの深さは、岩盤まで達する必要があります。岩盤が地表に近い場合は、岩盤の上の土壌が除去され、建物の基礎を構築するための滑らかなプラットフォームを形成するのに十分な岩盤表面が除去されます。^[1]

超高層ビルが受ける荷重は、主に建築材料自体の力によるものです。ほとんどの建物の設計では、構造物の重量は、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、構造物の荷重である固定荷重は、構造物内の物（人、家具、車両など）の重量である活荷重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料の量は、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 ビルの セットバックは、当時の建築基準法によるもので、構造上必要なものではありません。一方、ジョン ハンコック センターの形状は、荷重を支える方法によって独特な形になっています。垂直支持にはいくつかの種類がありますが、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考慮する必要があります。実際、超高層建築物にかかる横方向の風荷重は、一般的に構造設計の決定要因です。風圧は高さとともに増加するため、非常に高い建物の場合、風に関連する荷重は、固定荷重または実荷重よりも大きくなります。

その他の垂直および水平荷重要因は、地震などのさまざまな予測不可能な原因から生じます。

せん断壁とは、最も簡単に定義すると、壁の材料全体が水平方向と垂直方向の両方の荷重に耐えるために使用される壁です。典型的な例は、レンガやコンクリートブロックの壁です。壁の材料は重量を支えるために使用されるため、壁のサイズが大きくなると、かなり多くの重量を支える必要があります。せん断壁の特徴により、郊外の住宅や都市部のブラウンストーンなどの小規模な構造では、材料費が低く、メンテナンスがほとんど必要ないことが許容されます。このように、これらの構造には、通常、合板とフレーム、レンガ、またはコンクリートブロックの形をしたせん断壁が使用されます。ただし、超高層ビルの場合、構造のサイズが大きくなると、支持壁のサイズも大きくなります。城や大聖堂などの大きな構造物は、大きな壁が有利である (城) か、壁を中心に設計できる (大聖堂) ため、本質的にこれらの問題に対処しています。超高層ビルは構造的支持を強化することで床面積を最大化しようとするため、せん断壁は他の支持システムと組み合わせてのみ使用される傾向があります。

超高層ビルの典型的なコンセプトは、大きな鋼鉄の箱の中にたくさんの小さな箱が入っているというものです。せん断壁の非効率な部分である中央部分を取り除き、支持部材をはるかに強い材料である鋼鉄で統合することで、超高層ビルは水平方向と垂直方向の両方の支持で建てられます。この方法は単純ですが、欠点があります。その主な欠点は、より多くの材料を支えなければならないため（高さが増すにつれて）、支持部材間の距離を縮める必要があり、その結果、支えなければならない材料の量が増えることです。これは、40階以上の高さの建物では、支柱用の使用可能な床面積が減り、鋼鉄の使用が増えるため、非効率的で不経済になります。^{[2] [3]}

フレームチューブを使用した新しい構造システムは、1960 年代初頭に開発されました。ファズラー・カーンと J. ランキンは、フレームチューブ構造を「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た 3 次元空間構造で、その端またはその近くで結合され、基礎から片持ちであらゆる方向の横方向の力に耐えることができる垂直のチューブのような構造システムを形成します。」と定義しました。 ^[4]チューブは、間隔が狭く相互接続された外部柱によって形成されます。水平方向の荷重 (主に風) は、構造全体で支えられます。外部表面の約半分は窓として使用できます。フレームチューブを使用すると、内部の柱が少なくなるため、使用可能な床面積が増えます。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、構造の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、建物をより高くすることができます。チューブフレーム構造は、カーンが設計し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で初めて使用されました。 ^[5]その後すぐに、ジョン・ハンコック・センターやワールドトレードセンターの建設にも使用されました。

チューブ フレームのバリエーションとして、複数のチューブ フレームを相互接続したバンドル チューブがあります。シカゴのウィリス タワーはこのデザインを採用し、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。バンドル チューブ デザインは、経済面で非常に効率的であっただけでなく、「建築空間を多用途に構成できる可能性において革新的でした。効率的なタワーは、もはや箱型である必要はありません。チューブ ユニットはさまざまな形状をとることができ、さまざまな種類のグループにまとめることができます。」^[6]バンドル チューブ構造は、「建物はもはや箱型の外観である必要はありません。彫刻になることができます。」^[7]カーンの経済的な超高層ビルを可能にするイノベーションのおかげで、都市では超高層ビルの建設が急増しました。

チューブシステムは、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。 ^{[2] [8]}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。 ^{[9]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す。^[7]

エレベーターの発明は、超高層ビルの発明の前提条件でした。なぜなら、ほとんどの人は一度に数段以上の階段を登らない（または登れない）からです。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ます。建物が高くなると、追加の階に対応するためにより多くのエレベーターが必要になりますが、エレベーター シャフトは貴重な床面積を消費します。サービス コア（エレベーター シャフトを含む）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ります。したがって、建築家は、高さを増やすことで得られる価値と、サービス コアの拡大によって失われる価値とのバランスを取る必要があります。^[10] 多くの高層ビルでは、非標準的な構成のエレベーターを使用して、占有面積を縮小しています。かつての世界貿易センターのツインタワーやシカゴのジョン ハンコック センターなどの建物では、スカイ ロビーが使用されています。スカイ ロビーでは、エクスプレス エレベーターが乗客を上層階に運び、その階がローカル エレベーターのベースとして機能します。これにより、建築家やエンジニアはエレベーター シャフトを重ねて配置し、スペースを節約できます。スカイロビーや急行エレベーターは、かなりのスペースを占め、階間の移動にかかる時間を増加させます。ペトロナスツインタワーなどの他の建物では、ダブルデッキエレベーターを使用しており、1台のエレベーターに多くの人が乗ることができ、各停留所で2つの階に到達できます。^[11]エレベーターを2つ以上の階に使用することも可能ですが、これはまだ試されていません。ダブルデッキエレベーターの主な問題は、特定の階で1つの階にいる人だけが降りる必要がある場合、エレベーターの乗客全員が停止することです。

上海タワーや建設中（2019年）のジェッダタワーで採用されているもう一つの解決策は、建物を多目的に利用し、床面積を多く使う下層階にオフィススペースを設けるというものだ。多階建てのペントハウスやアトリウムは、床面積をあまり必要としないため、上層階に配置されている。^[12]

超高層ビルの建設は、複雑さやコスト以外の要因によっても困難になることがある。例えば、パリのようなヨーロッパの都市では、古い建築物と現代の超高層ビルの外観の違いから、地方自治体から新しい超高層ビルの建設許可を得るのが難しい場合がある。古く有名な町に超高層ビルを建てると、その街のイメージが劇的に変わってしまう可能性がある。イギリスのロンドン^{[13]やアメリカのサンフランシスコ[14]などの都市では、}保護された眺望と呼ばれる法的要件があり、2つの場所の間の視線の範囲内またはそれに隣接する新しい建物の高さが制限されている。この規則によっても、新しい高層ビルに適した敷地を見つけることが難しくなっている。

• 超高層ビルの建築家一覧
• 超高層ビルが最も多い都市のリスト
• プライスクレーパー
• シースクレイパー

• バー、ジェイソン・M（2016年6月9日）。『スカイラインの構築：マンハッタンの超高層ビルの誕生と成長』オックスフォード大学出版局。456ページ。ISBN 978-0199344369。
• マコーレー、デイヴィッド（1987年10月26日）。Unbuilding （再版）。Houghton Mifflin/Walter Lorraine Books。p. 80。ISBN 0-395-45425-5。
• サバグ、カール（1991年7月1日）。『超高層ビル：建物の誕生』（再版）。ペンギン（非古典）。p. 400。ISBN 0-14-015284-9。
• Chew, Michael YL; Michael Chew Yit Lin (2001 年 2 月 15 日)。高層ビル建設技術(第 2 版)。シンガポール大学出版局。p. 436。ISBN 981-02-4338-3。

• 超高層ビルのHow Stuff Worksの説明
• 「高層ビルに関する本の著者は、超高層ビルは今後も建設され続けるだろうと述べている」。2006年4月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年5月14日閲覧。