摩天楼是新时代进程中新材料、新技术及新的社会需求完美结合的产物，它的出现离不开电梯、钢铁、玻璃、混凝土等新材料和技术，其中最主要的就是电梯的发明及钢与钢结构在建筑中的运用。

首先是1853年美国发明家奥提斯（Elisha Graves Otis）发明的安全电梯。直到19世纪，6层楼以上的建筑物都极为罕见，对于空间使用者来说，过多台阶的攀爬降低了建筑的功能实用性，而早些时候安装的老式电梯毫无安全防范设备，一旦缆绳断裂，电梯轿厢就会垂直下落至电梯井底部。直到1853年，奥提斯发明了一种全新的安全装置，这一装置可以在电梯断裂时防止电梯轿厢直接坠落至井底，随后，人们又将电动机安装在了电梯上，于是高层建筑中的垂直交通问题便迎刃而解。（图2—4—1）

图2—4—1　1905年刊登在美国《建筑实录》杂志上的奥提斯电梯广告，强调了电梯设备对摩天楼往高处发展所起到的重要作用

其次，钢及钢结构的发明应用，为摩天楼的建造及建造高度的不断上升提供了保证。欧美资产阶级的工业革命为西方建筑业带来了空前的繁荣，18世纪下半叶在英国，由达贝（Abraham Darby）建造了第一座引人瞩目跨越塞文河（Severn）的铸铁桥梁（1775—1779）。不久建筑建造也进入钢铁架构时代，第一座采用铁柱与铁梁作为建筑内部构架的建筑是位于曼彻斯特（Mancheter）索尔福特（Salford）的棉纺厂（1801），这一工厂设计大单超越了同时代所有其他设计，并且达到了七层楼高度（图2—4—2）^[51]。19世纪末，钢的发明突破了砖石结构的局限性，钢结构拥有比铁结构更强的张力与可塑性，也为建筑往更高的高度发展提供了可能。因此，在工业时代已有新材料的基础上，建筑往高处发展在技术上有两个根本问题需要解决：一是建筑基础问题，二是建筑结构创新。这两个问题在19世纪80年代的美国芝加哥都得到了完美解决。

图2—4—2　瓦特（Watt）与波尔顿（Boulton）设计的第一座七层高工厂铸铁梁柱剖面施工图及铸铁支柱断面图

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图2—4—3　蒙纳德诺克大楼底层墙体细部

这一时期的建筑结构大多为砖石砌体建筑，其承重墙厚度与建筑的高度有直接关系，建筑越高则墙体越厚，10层被认为是当时砌体结构所能建造的最大高度。在摩天楼发源地美国芝加哥，当地建筑师们认为12英寸^[52]（30.5厘米）为砌体砖墙基本厚度，每升高一层墙体应该增厚4英寸（10厘米），因而，假设建造一幢10层高的砌体建筑，首层墙厚将达到48英寸（122厘米）。这一点在伯纳姆与鲁特建筑事务所（Burnham and Root）^[53]1891年建成的蒙纳德诺克大楼（Monadnock Building）中得到了充分说明（图2—4—3）。这幢16层高的大楼为砌体建筑建造史上最高者，也是最后一幢纯石造墙的摩天楼，其首层墙体面积达到了72英寸（180.5厘米）的厚度，近2米的墙体厚度根本无法满足建筑室内空间的日常光照，而被承重墙体过度占用的楼板面积使得开发商们经济利益最大化的梦想成为泡影。这一局面的最终结果是，建筑师们不得不彻底放弃砌体结构，尤其是在商业建筑当中，他们需要新的解决方案。

在芝加哥大火后的十年重建中，新建筑一般都在4至6层楼高，直至1882年，伯恩罕与鲁特事务所设计建成的蒙托克大楼（Montauk Building，1882—1902）为芝加哥建筑业的繁荣发展开了个好头。这幢10层楼高的砌体结构建筑，也曾被学者认为是芝加哥第一幢摩天楼^[54]，在当时它以创新的建造技术及独特的美学特征获得了极高声誉。鲁特将其独创发明的筏型基础第一次成功运用到了蒙托克大楼基础中，克服了芝加哥地区软质沙土地基上承载力较弱而无法承受越建越高的房屋荷载的问题。这一基础首先将20英寸（50厘米）厚的混凝土板铺满整个地基，其上满铺钢梁以抵抗建筑荷载的剪切力和弯曲应力，通过这一方法，上部建筑荷载得以均分在整块地基上，使得单位面积的基底土层承担荷载压力减少。同时，蒙托克大楼的业主欧文·阿尔迪斯（Owen F.Aldis）想到将钢筏基础浇灌混凝土以防止桩基生锈的方法^[55]。

建筑基础问题解决后，建筑结构也在芝加哥大建设当中得到开创性的发展。自1801 年，瓦特与波尔顿在英国萨尔福特棉纺厂工厂设计中以铸铁梁与铸铁柱为承重结构，到19 世纪80 年代铁骨架结构（iron skeleton）成功运用到美国高层办公楼当中，历经80 余年，这一创新结构的出现被康迪特教授誉为“自12世纪哥特建筑中尖肋拱券及飞扶壁的结构创新以来，结构艺术发展史上最激进的变革^[56]。”

完成这一“历史性变革”是美国工程师威廉·勒巴隆·詹尼（William Le Baron Jenne，1832年—1907年），他于1879年建造的仓库建筑利特大楼（Leiter Building，现名为莫里斯大楼），初建时5层，1888年加建两层，从外观上看，它已经近似一个现代风格的玻璃盒子。该建筑室内楼板及屋顶荷载都由木梁承重，再由木梁将荷载传递至室内铸铁柱，外墙砖柱及窗间墙体已不是主要承重结构。4年后，即1883年詹尼受芝加哥家庭保险公司委托要求设计一座新式办公大楼，要求简单：能防火，同时每一房间必须获得充分的光线。该幢大楼于1885年建成，被基提恩评价为“第一座在高度及结构上皆属新类型的大楼”^[57]。（图2—4—4）从铸铁支架体系（cast-iron framing）到框架结构（skeleton construction），詹尼在这幢大楼的结构设计中迈出了关键性的一步。整座建筑完全依靠内部梁柱结构体系承重，墙体仅起到围护和分隔的作用，不承重，圆形铸铁柱与锻铁^[58]箱型柱（wrought-iron box column）进行组合布置，与锻铁工字型梁通过角板螺丝铰结承载楼面荷载，这些柱体将分别传输近4 000磅每平方英尺（19 520 kg/m2）^[59]的荷载至基础，再传递到深12英尺^[60]6英寸（3.5米）由硬质黏土浇灌的地下钢筋混凝土筏型基础上^[61]。这一结构，即是后期钢框架或者混凝土框架结构的标准模式。

图2—4—4　芝加哥家庭保险公司大楼

这一切也使得大部分学者将詹尼设计建造的这幢家庭保险公司大楼视为世界第一幢摩天楼，而非蒙托克大楼，前者通过先进的建造技术使得建筑高度不再受墙体承重制约，楼面空间也彻底从厚实的墙体中解放出来，业主楼板面积最大化及室内空间的采光问题得到了根本性的解决，这技术的发明，不仅在结构发展史上是伟大创举，在建筑发展史上同样具有非凡的划时代意义。