Stepping: 在哈里發塔中「欺騙」風力的幾何編碼

系列：前衛建造物 (Avant-Garde Constructions)

建築與結構工程傑作：#01 杜拜 哈里發塔（Burj Khalifa）

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是否能利用幾何學「欺騙」大自然？

根據Adrian Smith（杜拜哈里發塔的建築師）的說法，答案是肯定的。在建造挑戰 800 公尺以上高度的超高層摩天大樓時，最大的敵人並非重力，而是風負載（Wind Load）。

隨著建築物高度上升，氣流不再只是微風，而是演變成足以危及結構完整性的動態風力。此時，Stepping（幾何退台 / 階梯式後退）技術便發揮了關鍵作用，這項技術將有機美學與前沿結構工程完美融合。




流體動力學對比分析：幾何形狀對結構穩定性的影響。

左側的均勻截面會產生具規律性且週期性的 Vortex Shedding（渦散振動 / 脫落），進而引發關鍵的橫風向橫向振盪力。右側的哈里發塔則透過 Stepping（幾何退台）打亂風向氣流，將干擾氣流打散並瓦解渦流，進而大幅降低建築物的結構疲勞與風振效應。

物理現象：渦散振動（Vortex Shedding）

當風力衝擊傳統均勻截面的結構物（例如矩形柱體）時，氣流會在建築物兩側交替分離並形成週期性的漩渦。這種現象在結構工程中被稱為 Vortex Shedding（渦散振動），它會產生交變的橫風向壓力，導致摩天大樓發生橫向擺動。

一旦這些漩渦的脫落頻率與建築物的結構天然頻率（Natural Frequency）產生共振，將使這股「風振晃動」的振幅加劇至危險水平，即使在安全範圍內，也會嚴重損害內部居者的舒適度。

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SOM 的解決方案：混淆氣流 / Confusing the wind

哈里發塔（Burj Khalifa）的設計靈感源自於蜘蛛蘭（Hymenocallis）的幾何花瓣造型，在外型上採用了 27 組螺旋狀上升的 Stepping 幾何退台。



「哈里發塔的設計初衷是為了『混淆氣流』。這種階梯式退台幾何形狀能在氣流漩渦組織成形並引發建築物劇烈擺動之前，將其徹底瓦解。」—— Adrian Smith

由於建築物截面每隔數公尺便進行一次調整，風力氣流永遠無法接觸到連續均勻的受風面。在特定高度產生的氣流漩渦，無法與上方樓層的漩渦產生「模態耦合（Coupling）」，因為建築物的幾何外型已發生改變。其技術結果在於：風場氣流被徹底打散，風載引發 desorganiza 的能量隨之耗散。

「哈里發塔並未採用傳統的單一中央核心筒結構；而是開發了全新的核心筒支撐結構系統（Buttressed Core System），其運作原理猶如一個巨型三腳架，由三側延伸翼樓相互支撐，共同抵抗扭轉力矩與側向風負載。」
— Bill Baker，SOM 首席結構工程師

技術對比分析：抗側剛度 vs. 幾何風場優化

正如我在《TURNING TORSO - SANTIAGO CALATRAVA》一書中所做的技術剖析，每一座里程碑式地標都在對抗「結構風振晃動」時選擇了截然不同的結構策略。

HSB Turning Torso（190 公尺）： 90°旋轉扭轉外型 + 外部 Diagrid（斜交鋼網格結構外牆）。頂部最大水平位移擺幅：30 公分。

哈里發塔（Burj Khalifa，828 公尺）： Stepping 幾何退台（27 個階梯層次）+ Y 型延伸翼樓（Buttressed Core 支撐核心筒）。頂部最大水平位移擺幅：125 公分。

這兩座摩天大樓均依賴鋼筋混凝土中央核心筒（馬爾摩案為圓形截面，杜拜案為六角形截面），並皆採用液壓自動爬模系統（Self-Climbing Formwork）進行施工。高性能混凝土賦予了結構所需的抗側剛度（Stiffness），因此儘管哈里發塔在強風下的風振水平位移擺幅超過了一公尺，其動態加速度運動對於人體感官而言依然是完全無法察覺的。

從缩尺模型到直衝雲霄：風洞試驗（Wind Tunnel Test）的全方位驗證

工程設計絕不留任何一絲僥倖。在基地土方開挖與基礎施工之前，結構團隊已在加拿大西安大略大學（University of Western Ontario，RWDI 風洞實驗室）進行了極其嚴苛的風洞試驗。藉由安裝了數百個高頻壓力傳感器的氣動彈性縮尺模型 (Aeroelastic Models)，精準模擬並測定了結構在面對杜拜高空強烈盛行風與極端沙塵暴時的動態結構響應。這些物理試驗數據是優化建物空氣動力學幾何外型的決定性依據，其多變的截面能有效「混淆」氣流、耗散渦流，進而全面防止任何危及結構穩定性的側向風振擺動。

風洞試驗最終向全球工程界證實，這項螺旋上升的巨型結構（Mega-structure）絕非純粹為了視覺視覺美學，而是為了讓建物在達到 828 公尺建築構造高度時，依然能夠穩固矗立的必然物理選擇。

技術規格與項目團隊：地標建築深度剖析

建築項目	哈里發塔（Burj Khalifa，原稱杜拜塔 Burj Dubai）
開發業主	伊瑪爾地產（Emaar Properties）
建築設計	Adrian Smith（SOM 建築設計事務所）
結構工程	William F. Baker（SOM 建築設計事務所）
結構高度 / 樓層數	828 公尺（超高層 Megatall）/ 地上 163 層
建築功能與建築類型	綜合體（辦公、住宅、阿瑪尼 Armani 酒店）| 高科技建築派（High-tech）
結構系統	核心筒支撐結構系統（Buttressed Core）
業界榮譽	CTBUH 全球地標獎（Global Icon Award）、LEAF 歐洲建築師論壇獎、IABSE 傑出結構獎。

主要國際獎項與業界認可

• 2020 | CTBUH Awards（世界高層建築與都市人居學會）： 十年成就獎（10 Year Award）。此大獎專為營運滿十年的傑出高層建築而設，旨在表彰其在結構完整性、能源效益及都市環境融合度上的長期卓越表現。
• 2012 | American Architecture Awards（美國建築獎）： 年度總冠軍（Ganador Absoluto）。由芝加哥雅典娜建築與設計博物館及歐洲建築藝術都市研究中心聯合頒發，確立了 SOM 此項作品作為美國頂尖工程技術輸出全球的標竿地位。
• 2011 | Institution of Structural Engineers（英國結構工程師學會，IStructE）： 結構工程卓越最高獎（Supreme Award for Structural Engineering Excellence）。此為該英國權威學會的全球最高榮譽，旨在表彰該項目打破高層結構計算極限與垂直高壓混凝土泵送技術的革命性成就。
• 2011 | International Association for Bridge and Structural Engineering（國際橋樑與結構工程協會，IABSE）： 傑出結構獎（Outstanding Structure Award）。因其在大跨度結構工程設計與超深基礎工程中取得的空前技術突破，獲評為年度全球最傑出結構。
• 2011 | MEED Quality Awards： 年度最佳項目與海合會（GCC）年度最佳技術建築項目。榮獲中東商業情報（MEED）平台頒發的雙重最高榮譽，權威認證其為波斯灣地區最重要的技術與施工里程碑。
• 2010 | CTBUH（世界高層建築與都市人居學會）： 全球地標獎（Global Icon Award）。此為高層建築史上的獨特里程碑，CTBUH 專為哈里發塔量身開創此項唯一獎項，以表彰其在建築、工程技術與文化影響力上為全球寫下的全新歷史篇章。
• 2010 | CTBUH（世界高層建築與都市人居學會）： 中東及亞洲地區最佳高層建築。由學會主導評選，表彰其在所屬地理區域內最具代表性的全新落成高層摩天大樓。
• 2010 | Emporis Skyscraper Award（安保里斯摩天大樓獎）： 銀獎（Silver Medal）。由 Emporis 國際評審團評選，將該大樓推上當年全球新竣工頂尖摩天大樓的國際領獎台。
• 2010 | Structural Engineers Association of Illinois（伊利諾州結構工程師協會，SEAOI）： 結構工程卓越獎（最具創新結構）。表彰其在核心筒支撐結構系統（Buttressed Core）的結構發明與力學行為上，展現出最具突破性的工程設計。
• 2010 | Chicago Athenaeum（芝加哥雅典娜博物館）： 國際建築獎。由全球知名建築博物館官方頒發，正式認可其在建築形式美學與構造技術上的卓越融合。
• 2010 | Popular Science Magazine（美國《科學人》雜誌）： 年度最佳新科技（Best of What's New）。入選該美國權威科學雜誌的年度特別評選，被列為全球最具顛覆性的工程技術里程碑之一。

工業技術規格與官方合作夥伴

CTBUH 官方技術數據

技術專業領域	指定合作夥伴 / 供應商	現場施工執行與物料供應
總承包商（Main Contractor）	三星物產（Samsung C&T）；Arabtec；BESIX	聯合承建體，負責大樓整體的土建工程施工與核心巨型結構的主導裝配管理。
風洞試驗與風載分析	RWDI；CPP Inc.；BLWTL	進行決定性的高空風洞物理力學試驗，科學驗證並優化螺旋式幾何退台（stepping）設計。
垂直運輸系統（電梯）	奧的斯電梯（Otis Elevator Company） 顧問團隊：Lerch Bates	全樓超高速電梯系統研發與安裝，包含高運量的雙層穿梭電梯（double-deckers）。
建築幕牆玻璃	嘉迪安玻璃（Guardian Glass）	研發並供應高性能單元式雙銀低輻射幕牆玻璃，以抵禦沙漠極端強烈的熱輻射。
模版與施工建材系統	多卡（Doka GmbH）	提供高安全性的液壓自動爬模系統技術，保障鋼筋混凝土核心筒進行不間斷的高空連續澆築。
被動防火與工程緊固系統	喜得釘（Hilti AG）	供應高規格管路貫穿防火封堵、重型化學錨栓及高階膨脹型防火阻火（fireproofing）工程方案。
商品混凝土供應	Unimix	專利高強混凝土（HPC）的配合比設計與現地生產，滿足極限超高壓垂直泵送的流變性要求。
結構固定件與外牆掛件	哈芬（HALFEN）；喬達（JORDAHL）；Waagner Biro	供應高承載力的預埋槽鋼及鋼結構節點配件，提供單元式幕牆結構所需的微調與抗震錨固力。
結構健康監測與自動化系統	ABB 集團；Kinemetrics Inc.	佈設全方位的監測傳感器與樓宇自動化控制，實時採集並記錄高空擺幅與動態風振加速度。
外牆維護與擦窗機系統（BMU）	Al Abbar Group；Tractel Secalt S.A.	客製化重型擦窗機（BMU）吊船維護系統，機械式完美隱藏收納於大樓各個技術退台層內。
工業與建築照明	飛利浦（Philips）；歐科（ERCO GmbH）；Lucent	全面部署高光效智慧建築泛光照明系統，以及符合國際民航法規的高空航空障礙燈。
特種防護塗料與防腐	佐敦塗料（Jotun）	供應重防腐高性能建築塗料，保障結構外露鋼件及基材能長期抵抗高鹽霧與高風沙侵蝕。
結構密封與耐候膠	道康寧（Dow Corning Corporation）	提供高模量結構矽酮密封膠，確保單元帷幕牆在沙漠劇烈晝夜溫差變形下的密封持久度。
結構鋼材供應	安賽樂米塔爾（ArcelorMittal）	供應極高規格的重型結構鋼桁架及厚板，用於打造大樓頂部核心塔尖（Spire）及內部剪力牆。
景觀噴泉與水景水利工程	WET 設計；Crystal Fountains Inc.	負責大樓基座大型多媒體水景音樂噴泉的精密流體力學設計、高壓泵組與液壓工程開發。
公共藝術裝置	Jaume Plensa（豪梅·普倫薩）	受邀為大樓主住宅大堂中央設計並定制名為《世界之音》（World Voices）的巨型交響雕塑裝置。

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關於「階梯式退縮」(Stepping) 之技術 FAQ：

何謂「階梯式退縮」(Stepping)？
指建築物隨高度增加而逐層向內縮進的量體設計。其核心功能在於擾亂氣流組織，藉此提升結構之氣動穩定性 (Aerodynamic Stability)。

為何哈里發塔 (Burj Khalifa) 採用 Y 型配置？
此類「加勁核心」(Buttressed Core) 配置不僅能最大化建築視野，更提供極高的側向剛度 (Lateral Stiffness) 基礎；其翼板結構如同支撐柱，有效增強建築對抗風力載重之穩定性。

在高層建築中，鋼筋混凝土是否優於鋼結構？
在 21 世紀，核心筒 (Central Core) 多優先選用鋼筋混凝土，其優勢在於質量與剛度較高，相較於傳統鋼結構，能更有效地抑制結構擺動並提升建築物之居住舒適度 (Occupant Comfort)。

AECO 建築與工程術語集 | 哈里發塔 (Burj Khalifa), 杜拜

階梯式退縮 (Stepping): 一種量體退縮手法，旨在縮減建築截面積。哈里發塔透過 27 個旋轉式階梯樓層，成功打散風流並抑制渦流脫落 (Vortex Shedding)。

擾動風流 (Confusing the Wind): 透過沿高度改變截面幾何形狀的策略，以減輕動態激振力及渦流脫落現象。

基礎筏基 (Raft Foundation): 厚度達 3.7 米的厚實鋼筋混凝土板，作為深基礎平台，將龐大的結構載重分佈至群樁系統。

抗扭剛度 (Torsional Rigidity): 結構抵抗垂直軸向扭矩之能力。Y 型核心設計大幅優化了建築抗橫向風載重之穩定性。

單元式帷幕牆 (Unitized Curtain Wall): 高效能預製模組化外牆系統，整合低輻射玻璃 (Low-E Glass) 以精準控制紅外線輻射及熱增益。

高壓泵送 (High-Pressure Pumping): 垂直輸送工程之關鍵技術，實現超過 350 bar 的高壓混凝土泵送紀錄，克服了高程差帶來的摩擦與壓力損失。

結構六分儀 (Sextante Estructural): 指側向力抵抗系統 (Lateral System)，由核心筒與翼牆共同作用，以消散剪力與彎矩。

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José Miguel Hernández Hernández

國際指標性地標與雕塑建築技術分析權威。 專精於工程技術、美學與前瞻設計之融合。著有技術專書《Turning Torso – Santiago Calatrava》及《著名建築 / Famous Constructions》。

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