巨构时代以来的人类太空幻想

Write for you, my girl RC zhao,on your birthday. As your grow up, hope you would understand that nothing can  stop human beings from changing this world with their own imagination and talent！

1. 时代背景

1960年代，位于地表的人类城市文明正在经历新一轮的地表重构史，以化解现代主义城市的生存危机。建筑师、城市规划师正在进行一种前所未有的城市空间重构实验，以一种无比宏大的巨型结构体系（megastructure）来实现其对现代城市空间混乱拥挤的整治和控制，并以此来达到对土地空间更为高效的利用及更为广阔的生存空间需求的目的。（如图 1）

图1   A1960年代的巨构建筑构想

危机之下，不但现有都市空间被重构，海洋、地底、荒原沙漠——人类活动尚未触及的地球每一个角落，都被人类想象力所率先征服。（如图2）而六十年代以来，阿波罗登月计划及一系列太空探索技术的飞速发展，更将人类想象力的触角伸向广袤的宇宙之中。无限的空间、土地及矿物资源从未显得如此触手可及，大航海时代以来人类第二次文明大爆发看似呼之欲出。众多太空科幻文化出现爆炸式发展，众多关于太空城市、太空运输系统的构想在工程技术界得到专业式的研究发展，以适应即将到来的太空文明物质基础的构建需求。谁曾想，冷战的结束、经济的衰落使得一切戛然而止，人们也逐渐对这种宏大的叙事性失去兴趣，最终巨构时代逐渐遗失在历史的尘埃之中。

图2   巨型海上城市构想

世间一切的路都不会白走，人类的历史亦然。环境与能源危机、人口爆炸以及地球毁灭阴影使得生存危机再次降临人世，巨构时代的构想重燃希望。回顾曾经那些人类想象力的巅峰之作，将使我们发现一个恢弘无比的人类都市文明空间构建史。从地表都市文明到太空都市文明，我们会发现巨构时代从未远去，我们今日的一切——从城市到太空探索，都源于那个曾经的时代，都与那个时代的想象力一脉相承！

二、缘起之路

太空建筑本质上源自太空文明经济体系有效运行的物质基础构建需要，主要包含有供人类生产、生活的聚居地和太空运输中转系统两大类。太空聚居地又分为类地星球殖民地和漂浮于太空之中的太空城市两大类，太空运输系统主要包含有太空飞船及空间站等中转系统，两大类型的结合又会衍生出其他各类太空建筑形态。尽管太空城市所面对的自然环境与地球表面完全不同，但通过认真研读巨构时代伟大构想，我们会发现，其中暗含了人类都市文明从地表走向太空的伟大教义。人类地表都市文明同太空城市文明呈现出某种一脉相承的脉络关系。

1．封闭式建筑生态环境系统（arcology）

保罗·索列里（Polo Soleri）于1967年，在行星轨道建筑生态工程（Asteromo orbital arcology project）中提出一崭新的概念——建筑生态学（arcology）,创造出一个全社区化封闭式自给自足的巨型建筑生态系统，来解决非宜人居住空间的人类生存问题。此后，arcology在人类太空探索中得到继承发展，成为基本核心议题。而索列里的早期构想也成为星际旅行中世代星际飞船的源头，在后世得到最为精彩的演绎发展。（如图3）

图3   Asteromo orbital arcology project，Polo Soleri，1967

2.一个应对环境危机的穹顶

巴克明斯特·富勒(R.Buckminster Fuller)于1961年提出的曼哈顿穹顶（dome over manhattan）源自其对人类都市空间的前瞻性预测，随着环境的恶化及人类都市自身的发展，人类都市空间将逐步走向室内化发展趋势，为此富勒提出用一个巨大的穹顶营造一个更节能更自适应的室内化都市气候环境。（如图4）首先其全封闭式生态环境与保罗·索列里的arcology概念一脉相承，其次他为非宜人区人类生存环境建立了一个可复制可扩展的模版，现在看来这简直就是类地星球人类聚居空间难题的救星，成为人类移居其他星球的不二选择。其次，在哲学层面，其恰如古代巴比伦人的宇宙观一般，广袤的都市空间被坚实而透明如星空一般的穹顶所覆盖，为人类创造出一个真正自我臆想的宇宙世界，以解决人类所面对的生存危机，这次人类终于扮演了上帝。（如图5）

图4  ome over manhattan，R.Buckminster Fuller，1961

图5  古巴比伦结构性宇宙观

  3.一个可无限扩展的构建体系

       巨构建筑作为一时代趋势，其本质是作为一种城市空间基础设施提出的，以开放式的巨型结构体系来满足不同城市功能的置入及更新需求。在城市的尺度上，以建筑的手法解决城市的混乱拥挤问题，其目的是构建一个充满秩序的可控的城市空间体系，类似于通过细胞增殖的方式最终实现一个完整的人体形象，而细胞自身可以在不影响整体形象及功能的基础之上不断更新迭代。其在建筑电讯派的插入式城市可以得到完美体现。（如图6）

图6  Plug-in-City, Peter Cook, 1964

      但是，从技术角度，使太空学家感兴趣的却是这种内在的可插入式（clip-ons）开放性结构体系，而非其完整的酷炫形体。正是此种开放式的可插入式的结构体系使得不同功能模块可以无限自由的扩展组合，满足了太空专家对太空探索运输系统的技术要求，而非把有限的经济资源运用在在技术上并不适用的形式问题之上。这为人类太空探索提供了一种切实可行的技术之路，从多级式捆绑火箭、太空飞船发射系统，到阿波罗登月计划，甚至至今几代的空间站设计都遵循了这条现实可行的技术路线。这也是由于太空殖民地及太空城市尚显遥远，而人类太空探索最迫切的问题又是在现有的技术基础之上将人类及货物送入太空的时代性局限性所致。（如图7）

图7  NASA航天飞机发射系统

三、群星璀璨

    那个充满危机与变革的年代，人类曾做过众多关于太空移民的构想及专业化研究，科技与幻想交相呼应、彼此借鉴，出现了众多天才的想法，可以说正是这些天才构想塑造了我们几代人关于太空探索的科技及文化认知。

      1.NASA1970

      为应对人口爆炸危机，1970年代，NASA认真考虑了太空移民的可能性及必要性。最终，由物理学家Gerard K. O’Neill 带领，斯坦福大学及NASA科研技术人员组成了一个包含物理学家、数学家、结构材料专家、生态环境专家、建筑师等各相关专业学者的团队，对太空在轨城市进行了一次专业系统的研究，研究涉及到太空城市的技术可行性、运输制造、社会学、经济价值、生态环境等各个层面。为解决重力及生存环境问题，先后提出了Bernal sphere，O'Neill Cylinders 及Stanford Torus 三个解决方案，成为太空建筑史上的经典案例。三者均通过自身的旋转来产生人造重力以模仿地球的重力环境，同时都足够巨大来容纳入地球一般的大海高山森林耕地，以构建一个封闭的自给自足的生态系统（保罗·索列里提出的arcology），也都处于拉格朗日点已减少行星引力的破环作用。所不同的是三者不同的几何形体，在技术上需要面对不同程度的挑战。 

      Bernal sphere其实源自科学家John Bernal1929年的构想，这个巨大的空心球体直径为2到10公里，内部充满空气以模仿地球大气环境，而球体两极设置有巨大的动力马达，使其可以永不停歇的旋转。旋转产生的离心力在球体内表面营造出地球重力效果，人们可以居住生活在这里。外表皮上设置有巨大的玻璃窗，结合外部镜面的引导，从而将阳光撒入球体内部，营造白天黑夜的效果。遗憾的是，越靠近两极，球体内表面重力越小，越不适合居住，从而产生巨大的空间浪费。（如图8、9）

图8  漂浮于太空中的Bernal sphere

图9  Bernal sphere内部生态系统

      为解决贝纳尔球重力不均等的问题，物理学家Gerard K. O’Neill提出两个桶体的替代方案，O’Neill Cylinders。两个如气缸一样的桶体直径为2公里，长度达20公里，平行并排相距一定距离，仅在端部通过杆件连接，且各自朝相反的方向旋转以维持整体结构的平衡，以免偏离原有轨道，同时在各自内表面产生大小一致的重力环境。奥尼尔桶体的怪异之处在于其对于阳光的引入上，每个桶体都被分割成均匀的六条纵带，玻璃天窗与人造地面交替间隔，玻璃用以引入阳光，人造地面用以居住生产，所营造的光环境与地球有较大差距，甚至会出现刺眼的闪光灯效果。（如图10、11）为应对此类诘难，奥尼尔提出每个桶体均为封闭的人造地面，仅在两端开设巨大的玻璃天窗用以引入阳光，但此类想法又使得内部光环境犹如一个狭长的隧道一般幽深。不管如何，奥尼尔桶作为一个经典构想对后世影响深远，比如星际穿越中，人类最终离开地球飞向第二家园所乘坐的库伯空间站，即源自对奥尼尔桶的直接模仿，稍后还会有奥尼尔桶的升级版本。（如图12）

图10  漂浮于太空中的o'neill cylinders

图11  o'neill cylinders的内部环境

图12 端头开有采光井的 o'neill cylinders内部景象

       Stanford Torus源自拉里·尼文于1960年代构想的环形世界（the ring world）,相比前两者，这是一个更为有趣、更为震撼的伟大构想。直径1.8公里的甜甜圈以一个足够长的桶体弯曲而成，也是通过自身的旋转来产生重力，理论上可同时支撑10000人同时居住生活，阳光通过头顶上方的镜面反射到地面。斯坦福环营造出一个无限空间的视觉效果，而非奥尼尔桶一样一眼看到世界的尽头。（如图13、14）当然理论上，如果斯坦福环足够巨大，其离心力产生的重力将足以吸附住环面上方的大气层，从而可以取消环面上方的玻璃屋顶，正如拉里·尼文环形世界中的一般，营造出一个开放性的环面空间，飞船等可以自由出入。但是，这至少要求环的直径长达2000公里以上，环面宽度达到500公里以上，如此巨大的尺度自转离心力所产生的对环自身结构的拉应力无疑也是巨大的，人类材料及结构科学尚不足以提供足够的技术支撑。拉利尼文的环形世界的影响远不止此，其对后世有关宇宙探索的科幻影视文化产生了深远的影响，比如《太空漫游2001》中的圆环形太空站（如图15），再如尼尔·布洛姆坎普执导，马特·达蒙主演的《极乐世界》（Elysium）。

图13  漂浮于太空中的Stanford Torus

图14  Stanford Torus环内剖切效果

图15  太空漫游2001中的环形空间站

      此后，由于冷战太空竞赛的中断及政府财务支撑的下降，NASA对于太空城市的关注一度降低甚至中断，尽管缓慢，但也有一定的进展。2006年，AL Globus合同其两个学生，为改良之前的三个方案及1991年李维斯1号（Lewis one）的概念，提出了卡帕纳1号太空城市概念设计（Kalpana one）。卡帕纳1号其实源自奥尼尔桶与斯坦福环的折中，由几个直径五百米的环拼接组合成长325米的封闭桶体结构，其以2rpm的速度进行自转以产生不小于1G的重力环境，可同时满足大约10000人社会群体生活需要。在Globus的论文中，基于建设一个1G重力、防辐射的类地舒适环境，对形体的选择、尺寸的大小、自转速度、内部结构体系、稳定性及动力系统都有极为详细而精确的计算。（如图16、17）

图16  Kalpana one，AL Globus，2006

图17  Kalpana one的内部环境

      2.Dyson sphere；

在1964年，苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）提出了这样一个理论：他认为人类文明的技术进步与其国民可控制的能源总量息息相关。根据这条思路，他从低到高确定了银河系中文明发展的三种类型：

类型I ，该文明是行星能源的主人，这意味着他们可以主宰整个世界能源的总和；类型II ，该文明能够收集整个恒星系统的能源；类型III ，该文明可以利用银河系系统的能源而为其所用。

      人类至今尚无进入任何一个文明等级。但也是在60年代，物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）提出了一个“球形能量源”的概念，在恒星周围建立一个巨型球形结构包裹恒星，从而可以实现对恒星能量的最大化使用，这个巨型的球形结构体系即被称为“戴森球”（Dyson sphere）。（如图18）被普遍认为是实现人类文明越级的必经之路。NASA在1970年代提出的几个太空城市概念，其实属于一个更为宏伟计划的一部分，Gerard K. O’Neill在这一研究计划的总结报告中提出，太空城市做为一个自给自足的人类世界，将得到不断的完善及复制，最终将实现对整个太阳系的包裹占领，以实现对太阳系能源及矿物资源的最大化开采。这一天才的构想，同样对后世影视文化及大众认知产生深远影响，比如在星战系列中的死星武器，电影《全球风暴》中用以控制地球气候环境的球形卫星网络系统，还有《星际迷航之超越星辰》中的约克镇则属于环形世界与戴森球的结合体。甚至对科技探索也产生不可磨灭的影响，比如科学家运用戴森球的概念对地外超级文明的探索等等。（如图19、20、21）

图18  Dyson sphere，Freeman Dyson，1960s

图19  星球大战死星武器

图20  星际迷航·超越星辰中的约克镇太空城

图21  超级外星文明

      3.clip-on的教义传承，马斯克space-X移民火星

      由于能源动力系统及制造经济性的原因，太空运输系统发展至今大多采用一种插入式的开放结构体系，即巨构空间体系的精髓之一——clip-on，以实现整个发射运输体系的灵活拼装组合及拆卸工作。从最初的多级捆绑式火箭发射系统，到阿波罗登月计划，再到几经换代的空间站，clip-on因其现实的技术可行性，一直作为人类太空探索运输系统的首要选择。甚至最近几年几部基于严谨的技术科学思考的科幻影视作品也采用了此种结构体系，如星际穿越中的永恒号太空飞船、火星救援中的赫尔墨斯号飞船。（如图22、23）

图22  星际穿越中的永恒号宇宙飞船

图23  火星救援中的赫尔墨斯号宇宙飞船

      此种技术体系已近成为人类最为成熟的太空运输发射系统技术，在钢铁侠马斯克的火星移民计划中，不但其整个太空飞船运输系统基于clip-on式的结构体系，甚至其初代火星殖民地，也是基于此种可无限扩展复制的开放式结构体系，以便于快速制造使用。（如图24）2017年上映的《星际特工：千星之城》中由众多星级文明飞船组合而成的的阿尔法空间站充分反映出clip-on系统的开放可变性的伟大价值。（如图25）

图24  Space-X火星移民城市

图25  星际特工·千星之城中由众多外星文明飞船组合而成的阿尔法空间站

      4.大宇宙时代背景下的地表城市文明预言

      人类地表文明升级为星级文明之后，并不说明地标城市文明将逐渐没落或者原样持续下去。恰恰相反，星级文明时代将带来技术的超级大爆发，资源将得到颠覆性的重新配置，所有这一切都暗含着地表都市文明将迎来巨大的变化。因此，太空城市高速发展的时期，也将是人类地表城市文明空间重构的时期。

    地表都市很可能如银河帝国首都川坨一般成为一全球城市，地下、地面、空中、天空的界限将消失，都市空间成为一个真正三维立体的空间网络。（如图26）这一场景初次出现在1900年代纽约城市的畅想当中，并在银翼杀手中得到精彩的演绎；（如图27）功能空间的配置将得到更为巨大变异，地表建筑将变得更为巨大，甚至直插达太空，与空间站直接相接，便于地空对接的便利性。（如图28）

图26  银河帝国首都川坨，一座城市一座星球

图27  二十世纪早期关于未来三维城市概念构想

图28  直达太空的巨型地表都市建筑

      也有可能因为气候或战争原因，导致地表不再适合人类居住，从而导致人类都市空间深入地下，如黑客帝国的地下城锡安，其次科幻小说三体及基地中都可看到大量此类描述。（如图29）而地下城市的概念完全可以移植到类地星球的城市文明建设中去，由于缺乏大气层的保护，深入地下将是一个合理的选择。

图29  黑客帝国地下城锡安

      或者以一个富勒式巨大的穹顶覆盖行星表面城市空间。（如图 30）富勒的天才构想，很少出现在星际太空城市的构想之中，原因之一是最初几代人类太空移民需要一个与地球一致的重力环境，来适应低重力甚至零重力的太空环境，以实现地表人到太空人的顺利过渡。这一点在无重力的太空之中很容易即可通过自转得到，但是在其他星球表面则几乎不可实现。所以太空城市、世代星际飞船得到了大量而充分的演绎，但是富勒的穹顶对于非宜人居住区的城市文明具有巨大的借鉴意义。无论在科学幻想还是实际的地外行星专业探索方面均有重要影响，如欧洲航天局（ESA）及福斯特事务所合作计划的月球基地。（如图  31）

图30  类地星球殖民地概念设想

图31  月球基地概念构想，Foster + Partners and ESA

四、结语——一个崭新时代的开始

      从远古时代的部落群居，到丝绸之路时代的人类城市的星罗棋布，再到大航海时代至今的全球都市，我们会发现，每一次人类都市文明，甚至人类文明的进阶都会伴随着一次人类地理视野的扩展。太空探索技术的不断发展及人类科技的累积，必将引导人类进入一个宇宙大发现时代，届时，人类文明将步入新一轮的大爆发时代，全球经济将向星际经济时代迈进。星级文明时代的到来，将使得建筑学从一个肤浅的自娱自乐甚或形式主义歧途重新走向一个充满变革、亦得到救赎的时代，一个可比肩现代主义建筑初创时期的伟大时代，人才辈出、群星璀璨！建筑与科技、与时代的完美结合将为我们构建出一个全新的星际文明物质世界。正如西蒙斯《海伯利安》中的救世主伊妮娅一样，以一名建筑师的身份站在重新找回的地球之上，一个全新的世界蓝图呼之欲出。

参考文献：

1."The Kalpana One Orbital Space Settlement Revised", by Al Globus, Nitin Arora, Ankur Bajoria and Joe Straut;

2."Space coloney form factors", by Rain noe,AUG.07.2015;

3."Space Settlements, a design study", by Richard D. Johnson, NASA Ames Research Center Charles Holbrow, Colgate University, 1977;

4.The Colonization of Space – Gerard K. O’Neill, Physics Today, 1974 ;

5.Megastructure, Urban Futures of the Recent Past．by Reyner Banham．  Harper & Row , Publishers, Inc.， 1976;

6.Never Built Newyork,by Greg Goldin.

7.带你去太空：一部幻想与现实交织的宇宙飞船史，罗恩·米勒（Ron Miller）（作者），严笑（翻译）；

8.维基百科，百度词条等网站；

10.海伯利安，基地与帝国，三体等科幻文学作品。

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