天空城市揭谜
张跃 2014年08月03日 初稿 2015年03月31日修改
1.探索
我告诉大家，建造世界第一高楼，是为人类探索一条节能节地的新型城市化路径，却引来满世界的质疑和嘲笑。剥开各种声音的表象，我发现，人们真正质疑的就是“探索”本身。于是我想：如果1879年爱迪生没有顶着质疑发明灯泡，人类还会在黑暗中摸多久呢？如果1903年莱特兄弟没有顶着嘲笑并冒着生命危险发明飞机，人类还会在地上熬多久呢？
一幢楼住3万多人，安全问题当然不能“探索”，国家专家委员会采用全世界最严格的标准对这幢楼进行了1年半的评审，最后干干脆脆地写下了“通过”两个字。虽然通过一年多了，我们仍不开建，因为我们还在探索。
如何让天空城市3万个居民，只用6万平米土地，生活得比世界其他地方的人更自由？如何用1/5的能源，使天空城市的居民享受比其他人更高的生活品质？如何用全世界最高的质量、最低的成本、最快的速度建造一座比现有世界第一高楼高60层的220层建筑？这些看似不可能的事，就是我们的探索。
2.恢复人类原有的生活方式
我们试图以《老子》八十章“甘其食，美其服，安其居，乐其俗”，作为天空城市的设计元点。这里，我们想象一个三代五口之家在天空城市一天的生活。
早晨6点，爷爷起床，把浴盆放满滚烫的水，在170层、离地500多米的落地窗边上，老爷子泡着浴，品着茶，俯瞰着地平线上太阳缓缓升起……每天的这个时刻，老爷子极为陶醉，有时还生出一种“君临天下”的满足感。
这时，妈妈像往常一样，穿上运动服到门外的天街进行晨跑。天街5.5米宽、12度坡，从1层一直通到180层共8公里，划分为步行街和自行车道两路，每天都有络绎不绝的晨跑人流和自行车流。住户喜欢在这里运动，一是没有车水马龙，二是这里空气极佳，新风100%来自室外，却过滤了99.9%的PM2.5，这可以从楼内处处可见的PM2.5检测仪看到。
一路上，妈妈不时与熟人打招呼，有些是邻居，有些是同事，每天的晨跑似乎成为一场流动的聚会。她一路下坡跑到50层，一群跑友已经不约而同地在天街边的咖啡馆集合了，人一到齐，大家列队出发，较着劲跑向高区。
7点钟，奶奶已从天街边上的几间小食店买来了爷爷爱吃的豆浆油条，儿子媳妇爱吃的馄饨面，孙子爱吃的牛奶蛋糕。在数百米高空的阳台上，爸爸已经铺好早餐台。高空风很大，但比人高的阳台玻璃让人只感到微风习习，早晨的阳光把一家五口的笑脸照得通红……
8点差几分，10岁的小孙子背起书包独自乘电梯下到4楼小学校去上课，妈妈乘电梯到200层的酒店去上班，爸爸习惯步行从天街去上班，可以当作运动。没走多远，遇见公司总经理，于是两人边走边聊工作。他们走了大约一半，看时间不够了，拐进街边的电梯，一分钟就到了公司。
10点钟，爷爷到5层的保健医院做理疗，奶奶去162层中庭私家农场浇水、施肥、摘菜。所谓中庭，是一个比篮球场大2倍的36米长、20米宽、9米高的无柱空间，在天城，这样的空间有60个，有些是文化体育场所或植物园，有些是像这样的农场。农场里面是立体的，种植面积很大。所谓私家农场，其实是一块0.1亩（约67m2）的菜园子，这样的菜园子在天城有2000多个，由住户自愿领养。由于采用自家厨余堆肥以及天城有机食品合作社生产的有机肥，种出来的菜又好吃又健康，由于有超低能耗的LED仿真阳光的充足照射和人工精细管理，加上吸收了楼内人们呼出的二氧化碳，蔬菜产量比露天种植高许多，0.1亩土地足够一家人享用。
12点钟，一家五口回到家里用午餐。菜食不算丰盛，但全是原汁原味的有机食品。除了自产蔬菜，还得益于天城有机食品合作社在附近农村订制生产的粮油和肉鱼禽蛋。甚至，家里餐具、衣物用纯碱而不用洗涤剂清洗，既保护自身健康又不破坏水源，也是听了合作社的宣教。至于家里喝的水和做饭菜的水，则是合作社集中生产的反渗透水，每一层都有一个取水处，既方便又放心。而垃圾处理更特别，每层设有8个垃圾分类井，合作社教导住户按类投放，变废为宝。
午休过后，奶奶去140层的中庭与老姐妹们跳广场舞，在天城有许多中庭是不限噪音的市民广场。爷爷则去156层空中花园与老友浇花品茶。这露天花园约450平米，在天城有21个。花园里满是鲜花、灌木、草地，还有大树。如果传说中的巴比伦国王再世，看到这般炫丽的空中花园，会羡慕死的。
下午4点，小孙子学校放学了，他与几个要好的同学不搭电梯而是从天街回家。他们有的骑自行车，有的骑独轮电动车，还有的追着小跑。孩子们一路追追打打，还到空中花园及植物园捉迷藏，路过儿童游乐场就进去玩一会儿……实在玩累了，孩子们会就近上电梯各自回家。如果到吃饭时间还没回家，家长会给天城监控中心去电话找人，几分钟内准会找到，因为天空城市除住户家里以外的所有地方都被摄像头监视。因此，在天空城市，只要能走路的儿童都可以自由在楼内玩耍，没有任何安全顾虑，这一点很像旧时代没有汽车、少有陌生人的城镇。但如果小孩子要离开天空城市，需要家里大人带着并经过指纹识别，才出得了“城门”。
下午5点，爸爸代表公司在20层中庭向数百位来自世界各地的专家学者作技术创新经验交流发言，末尾他说：“还有一个很特殊的原因，我们所有研发人员全都住在这座天空城市里面。”引来一阵哄堂大笑，他继续说“我们可以每天呼吸洁净空气，吃有机食品，上下班路途只要几分钟，每天有充足的时间与家人在一起，这种以前司空见惯的生活，现在很稀有了。这种生活让我们很满足”。他停顿一下，语气凝重地说：“许多年来，人类再也没有产生牛顿、爱因斯坦、爱迪生那样伟大的科学家了。什么原因？农药化肥和雾霾污染了人类的身体，房贷和车贷压迫了人类的大脑，公路和轿车抢走了人类的时间。而这里截然不同，天空城市正在恢复人类原有的生活方式。”
3.像飞机一样设计
远大是一家以独创技术为理念的公司，从20多年前用火制冷的非电空调，到近年99.9%过滤PM2.5的新风机，远大数百项影响世界的技术都是匪夷所思的创新。这一次，我们的建筑创新把飞机作为参照对象，这似乎不着边际，其实路径很清晰。民用飞机设计有四项基本原则：轻量、加倍安全、舒适、全面试验。天空城市借鉴了这些原则。
天空城市的技术是以可建（远大工厂化可持续建筑的简称）为基础的，从2009年3月可建项目启动开始，6年时间平均每天投入超过1000名员工，通过四代13次技术升级，直至2015年3月正式定型，天城设计才告一段落。这是一个耗资数十亿的设计，传统建筑不可能这样设计，因为他们的一套设计只用于一幢楼，而天空城市一套设计，是用于整个可建体系。
轻量
重量对于飞机是一切的基础，机身每1克材料，需1克油料来驱动，而每加重2克，又需2克油料，是一个可怕的指数关系。重量对于建筑也是如此，地震破坏力等于地震强度乘以建筑物重量。因此，天空城市对于材料重量的设计如同飞机一样重视。
比如混凝土。从已建和在建的世界各国超高建筑数据我们看到，混凝土使用量约500～1500kg/m2，而天空城市使用混凝土仅150kg/m2。
当我们少用数倍混凝土以后，楼板是否坚固呢？回答是肯定的。通过大量仪器试验和人体舒适感试验证明，天空城市轻型钢筋混凝土楼板完全满足强度和舒适度要求。也许有人习惯性地担心混凝土用少了会影响安全，想想看，如果混凝土少用3倍，而钢柱钢梁仅少用0.3倍，建筑承载力的富余度会增加多少呢？这是一个小学生可以算得出的结果。
当然，一幢建筑的强度计算毕竟是复杂而深奥的，天空城市采用了3套国际上最权威的强度计算软件进行计算和相互校验，并结合大量试验，得出的结论是：“9度地震不会倒塌”。也就是说，迄今地球上发生过的最强地震，也不可能使天空城市倒塌，主要原因是，天空城市比传统建筑轻。
加倍安全
飞机上所有涉及安全的东西，都是加倍设置的，比如驾驶系统，有一套电控的，还额外有一套机械传动的。再比如，一个发动机失效后，另一个发动机可以把飞机平稳带到数百公里以外的机场。
天空城市除了结构上加倍安全，在消防安全上，也是如此。除了严格按照国家标准所要求的烟感系统、喷淋及消防栓扑救系统、消防疏散系统，以及立柱防火层耐烧3小时之外，还额外设置了从180层到1层畅行无阻的5.5米宽的天街作额外逃生通道。在火灾发生的那几层，天街的隔火卷帘会自动放下，以阻隔火势，如果有逃生者跑到此处，包括13岁儿童在内的任何人的手力都可以提起卷帘逃出。
想象之中，飞机的安全性令人担忧，而统计学结果是，飞机的死亡事故率不到汽车的1%。天空城市因采取加倍安全设计，虽高达220层，却比其他建筑更安全。
说到飞机，也许有人担心9·11事件重演，那是学建筑出身的本·拉登抓住了纽约世贸大厦的要害：钢柱厚度只有7～12mm，飞机撞上去很容易穿透。而同在纽约的帝国大厦曾被一架大型运输飞机因浓雾而撞上了，飞机自己坠落，大厦只破了一点皮，几天后重新营业。天空城市采用的正是与帝国大厦相同的厚柱结构体系，恐怖袭击难以造成重大破坏。
舒适
狭义的舒适指体感舒适，包括热舒适、湿舒适、空气流动舒适和嗅觉、听觉舒适，广义的舒适还包括空间舒适。飞机设计必须调动一切技术手段求得舒适，但由于高空缺氧，以及人员过于密集，舒适性极为有限。
天空城市终年恒温、恒湿，100%新风、不混合回风，新风99.9%过滤PM2.5，以及楼板吊顶隔音、户间墙的夹层隔音、4层玻窗隔音，使得天空城市体感舒适超越当今世界任何建筑。
天空城市空间舒适更是出奇。8公里长的5.5米宽5米高的天街，60个20米宽36米长9米高的中庭，以及2.8米的室内净高，12米×36米任意布置隔墙的无柱空间，使得天空城市宽敞得像一座真正的城市。
人们下意识认为将几万人装进一座楼会很闷，其实，天空城市更适合那些挚爱大自然的人。因为这里有21个巨大的空中花园及每户设置的阳台，住户不出楼就可随时接触大自然。还有每家住户可以领养的室内农场、植物园，更有政府为天空城市周边规划的20多公顷的树林草地，使得住在天空城市宛如生活在旧时代的乡村。
全面试验
一架民用客机有上万种零件，每一种零件必须经过反复试验才可以通过，连一张火柴盒那么小的标识贴也要作静电效应试验。天空城市有1000多种零件，每一种零件至少经过3次试验：一次正常工况试验，2次极端工况试验。
以工程浩大的风洞试验为例，一般超高层建筑做一个风洞模型就引以为傲了，天空城市由4个国内外顶级研究所兴建了14个风洞模型，进行了数百项试验。而钢柱耐火等级试验，前后由第三方认证机构作过13次带载荷实烧试验。至于钢筋混凝土楼板强度、楼板与大梁、立柱配合强度，以及每种节点强度，试验次数超过30000次。还有许多试验是建筑行业闻所未闻却必不可少的，比如窗爆试验、串鼠试验、电磁兼容试验。
在一个点子、一张草图，到一项定型设计之间，往往充斥着上万个工时、上千吨材料的试验。从2009年到2014年间，远大可建总厂平均每天有1000个工程师和工人是在从事各种形式的试验工作，试件小至一个10毫米的螺丝钉、大至一座30层的楼房。而传统建筑往往是依据规范、标准进行设计，罕有试验。
在远大26年创业历程中，一直令总裁头痛的一件事是，经常有人（包括董事和高管）当面或背后反对公司投入巨大人力、财力搞试验，而当惊人的技术成果出来后，他们往往会忘记当初的反对，下一次又照样反对。这恐怕就是为什么古今中外只有公司首要领导牵头搞创新才会有成果的原因。
4.像汽车一样生产
汽车生产的典型特征是流水线，使汽车质量一致、产量极高、成本极低，天空城市生产模式与汽车十分相似。在湖南湘阴远大可建总厂，正在建设10余条钢结构、混凝土、墙窗、管线流水生产线，这些流水线全面投产后，每年可生产8座天空城市的建筑面积。
有史以来，建筑一直是由工人一砖一瓦在工地上建造，近几十年出现的所谓现代化建筑，依然是蚂蚁一般密集的工人爬在工地上扎钢筋、装模板，唯一的自动化是混凝土浇筑。后期再回到古老的方法，由满鼻子是灰的工人用装修来遮丑，天空城市的工地却是工厂，90%工作量在工厂完成。
比如立柱的生产：流水线将钢板自动切割、自动焊接、自动翻转、自动油漆完成，一条流水线每10分钟流出一个4层相当于100m2的立柱。再比如楼板（我们称之为主板）的生产：流水线将钢板自动挤压成型、自动打螺栓孔、自动扎钢筋网，再自动将主板钢构装入用于混凝土地板的模具，自动浇筑混凝土、自动加温养护，最后由半自动设备及人工将组合好的空调新风、给排水电气管线嵌入主板内，并在主板梁底的铰链上挂上天花板，一个53平米建筑面积的主板即告完成。一条流水线每5分钟流出一块主板。
在生产效率之外，建筑质量更令人感兴趣，比如地面混凝土表面的光洁度，象抛光过的大理石，12米长的主板边缘线偏差在2毫米以内，天花板平整度偏差也不超过2毫米。并且，所有立柱均通过探伤检测，所有给水管、消防水管、空调管均采用不锈钢管并经过4倍压力试压，窗户是4层超白玻璃，并经过3倍压力试爆，这些在传统建筑上想都不敢想的昂贵工艺和材料，在高效率流水线上变得并不昂贵。这好比做一台同样品质的汽车，手工做比流水线做贵十倍一样。
在亨利·福特发明世界第一条汽车流水线100年以后，人类终于发明了第一条建筑流水线，使得建筑的品质和成本终于接上了这个我们称之为“现代化”的时代。
5.像搭积木一样安装
流水线生产出来的产品，我们称之为“部品”，“部”即一部分，“品”即完成的商品，也就是说，部品是可以独立销售的东西。在可建的生产营销流程中，部品可以远大安装，也可以直接卖给客户，再由客户自行组织工人进行安装。这给出一个暗示：可建的安装比较容易？
事实正是如此。大到一座天空城市，小到一幢10层楼房，其安装模式几乎完全一致，流程清晰、有序，工艺简单、易行，安装速度快捷、可控，用搭积木来比喻比较贴切。现在，让我们一道预窥天空城市安装施工情景，虽是些枯燥的数字，但想到那将是一座壮丽的天空城市，也许会带着好奇心读完。
基础及地下室：设计及施工模式基本同传统建筑，不同的是主体建筑重量比传统建筑约轻60%，基础所需承载力也相应降低，成本及周期至少降低40%。天空城市基础及6层地下室施工周期约9个月。
部品运输：流水线下来的主板组合成一个12米长4米宽3.2米高的“主板运组”，每个运组容纳4块主板（对应建筑面积212m2）及相应位置的外墙窗、内墙门、楼梯、阳台等所有部品。另外，流水线下来的立柱和大梁同样组合成一个12米长4米宽3.2米高的“柱梁运组”，容纳7根4层柱梁（对应建筑面积700m2）。这就等于每台货车可运齐163m2可建部品。如果把天空城市所有部品从中国运往欧美、非洲，这种如集装箱一样统一尺寸、统一重量的“运组”可有序地装入散装货轮或集装箱货轮，叠放6组高。这样，只需4条大型货轮就可运走一座天空城市。想想看，成本和碳足迹有多么低？这意味着全世界任何一个遥远的地方都可以建造天空城市。
工地堆放：“运组”运抵工地后，可叠放6组，一块60m2地坪可堆放980m2部品，比传统施工模式堆放效率至少提高15倍。既使天空城市130万m2建筑面积的部品全部预先运抵工地，也只需8万m2堆放地块，而且，“运组”具备防雨防晒条件。搞建筑的人都知道，原材料工地堆放效率，是建筑效率及施工流程管理的关键要素。
吊装：天空城市共采用16台自爬升式塔吊，这种远大发明的神奇装置可依附建筑的立柱自动爬升至任意楼层，每爬升4层约需2小时，比传统独立式塔吊或附着式塔吊爬升速度至少快10倍。塔吊的快速爬升除了提升施工进度，还可减少窝工损失。
安装流程及工耗：塔吊每次将一根4层立柱大梁吊至相应位置，螺栓固定后进行焊接，这样，4个工人半天时间就完成100m2建筑面积的立柱大梁安装。塔吊将主板及配载的外墙窗、内墙门吊至相应楼层，用螺栓固定于立柱上，再将主板与立柱、大梁之间，及与另一主板之间，每隔50mm焊一处10mm的焊缝，然后用混凝土将20mm宽、30mm深的沟槽填平。这样，6个工人半天时间可完成3块共160m2的主板安装。以上是结构的安装，平均一个工（8小时/人）安装16m2建筑面积，相当于一个人一天安装一间房子。
其他如外墙窗、阳台、内墙门，因已在工厂配载至相应主板上，省去了搬运工时，且所有部品都有对应的契合接口，因而安装效率极高，一个工安装13m2建筑面积。而新风、空调、给排水、直饮水、垃圾井、吸尘管的竖向管路，以及竖向电气线路，还有主板之间的横向管线联接等手工安装活更轻松，一个工安装及调试50m2建筑面积。
如此算来，天空城市总体平均一个工安装6m2建筑面积。也就是说，天空城市130万m2建筑面积安装约需21.7万个工，远大计划用2500个工人连续安装87天。
以上是理想状态下的数据，实际效率也许没这么高，但不管怎样，远大已用30多幢一天安装多层楼房的事实证明，搭积木式的安装，在工效上对世界建筑业是一场革命。
但是，这场革命的真正意义却不是工效，而是工人：将地球上劳动强度最大、安全风险最大、收入最不稳定，以及普遍认为最底层的职业——建筑工人，变为一个受人尊敬的职业。
6.天空城市的意义
五个信号
人类历史上有过许许多多令人景仰的建筑，天空城市建成后，可能令人景仰，也可能被人嘲笑，或像埃菲尔铁塔一样在建成之初的许多年间被人嘲笑。不论怎样，天空城市一定会引起全世界头等关注，这就够了，因为可以借机把我最关心的5个信号传递给世界。如果这5个信号中任何一个发挥效应，世界就会前进一大步。
第一个信号，建筑应该采取工厂化的方式来设计、建造。这样资源浪费最低，质量最可信。这个问题的难点不在技术而在观念，人类对现有的建筑模式从未提出过质疑，不是因为他们满意，而是因为他们从未想过还可以有其他方案。可建技术对任何人是开放的，只需支付对建筑而言微不足道的成本。
第二个信号，建筑应少用混凝土，多用钢。这样给后代留下的是资源而非垃圾。并且，万一遇到地震时，不会造成楼倒人活埋的人间头等惨剧，因为在刚度相同的情况下，钢材具有比混凝土多百倍的延性和韧性，这是每一个结构专家的常识。之所以发达国家普遍用钢结构，而发展中国家几乎全用钢筋混凝土结构，是发展中国家顾虑建造成本，现在，可建用工厂化解决了成本难题，使得钢结构比混凝土结构成本还低。
第三个信号，建筑应采用一切在技术上易行、在经济上可行的节能措施。这些措施可大大减轻住户的负担，并使得当今世界头号威胁——气候变化，和第二号威胁——大气污染，减轻25～30%，因为当今世界约有40%的能源用于建筑的采暖、制冷和通风。我认为，这个问题比其他问题更值得关注，因为它十分容易做到，全世界每个建筑都可以轻易借鉴。比如，天空城市采用20公分外墙保温，4层玻璃窗、窗外遮阳、新风热回收和冷热电联产，以及LED灯，这6项已经通行的技术可以减少80～90%的能耗。别说长期节能省钱，就是初投资节省的空调设备管路造价，就足以弥补这6项技术的投资了。普通民众看不清问题的严重性不应责怪，建筑师、暖通空调设计师看不清这个问题，是一种耻辱。
第四个信号，建筑应向天空伸展。不一定都要像天空城市这样200多层，比现在许多城市平均6层高10倍，是有必要的。节省的土地用来绿化，让市民有更多绿色空间，更重要的是，建筑密度的提高使市民行动半径降低，可以减少对道路和机械交通的依赖。有人认为超高层建筑电梯太费电，其实，采用简单易行的电梯反馈发电（或称下降发电）及派梯系统，就可节电3/4。有人以为把自来水输上几百米高空极为耗电，其实，即使是天空城市这种高楼，采用梯级输水技术每吨水仅多用3度电。而超高层建筑对于废水收集利用、垃圾分类收集利用，有着不可替代的先天条件。
如果一座城市平均建筑高度60层、每层2000m2，楼房间距200米，按人均居住、工作50平米建筑面积，则每平方公里可生活6万人，更可喜的是，这可以保留90%的土地用于绿化。而目前中国城市每平方公里仅生活了1500～3000人，绿化面积反而不足10%。对于正在推进城市化的国家，提高建筑高度是理性而非感性的选择，这与广大民众对超高层建筑“出风头”、做“地标”的印象恰恰相反。
第五个信号，城市规划应采取“融合式社区”。不一定非要像天空城市这样把居住、工作、上学、购物、医疗、文娱全部集中在一幢楼内，至少应该把居住与工作的距离缩小至两公里范围。20世纪40年代在发达国家兴起的“分隔式社区”，在今天的中国、明天的印度、后天的尼日利亚等人口大国正在制造灾难。任何事情错了可以重来，但一个国家的城市化在它的历史上只有一次，错了遗害子孙后代。在我们生活的中国城市，上个世纪90年代以前是工厂宿舍、机关大院式的融合社区，步行或自行车就可以通勤。后来受所谓“现代化”思潮影响开始搞工业开发区、CBD、居住小区，把居住与工作隔离，使得城市到处堵车，于是就大修道路，后来更堵了，就修立交桥，修地铁，结果是城市越来越堵。无奈之下，有人想出了在汽车上加翅膀的点子，网民一片叫好……城市真的不可救药了吗？不是城市不可救药，而是国家无法生存——按现今中国汽车发展趋势，2030年或稍晚将达美国人均拥车水平，按每辆车道路、停车场起码占用面积600m2计算，到2030年，中国将有10亿亩田地被车辆占用，这样，吃饭都成问题。
现在，我们要借世界第一高楼这个特殊载体大声告诉人类：抛弃对机械交通毒瘾式的依赖，重新规划我们的城市，使人类重新回到步行、自行车上下班的融合社区时代吧。
一个重点
到此，读者已经累了，但再讲半天也不可能使世界第一高楼这个专业性极强的东西让普通民众完全理解。而用通俗语言讲专业问题，势必给专业人士留下许多把柄而引起非议。这些，我有足够的心理准备，但我担心读者被我的跳跃性思维搞昏头脑而抓不到重点。重点是什么？
建一座世界第一高楼不是重点，改变建筑、改变城市，也不是重点。2500年前，老子就悟出了世间哲理：“人法地，地法天，天法道，道法自然。”今天，人类有无穷的力量制造他们想要的任何东西，而那个对他们最重要的东西——自然，正在被他们轻松自如地、一步一步地毁灭。
出于这种忧虑，远大建造天空城市只有一个重点：启发人类重新思考人与自然的关系。