IV 尺寸設計：好的、壞的、驚人的
(前略)
在大多數情形下，工程的歷史可視為不停尋求繞過物理限制的過程，透過引入新材料並且以新方法運用，但是到頭來，這些了不起的措施最後會面臨自己固有的限制。當然，人類的發明能力只是追隨演化的偉大例子，這些例子引入新的物質與結構，以應對原先棘手的需求。最值得注意的材料創新，包括：碳酸鈣構成的珊瑚骨骼，可以形成大片珊瑚礁；木質素是一種複雜的有機聚合物，大約占了所有樹幹組成分的四分之一；讓鳥類能夠飛翔的羽毛，就是由扭曲且交叉連結的蛋白質鏈組成的；人類的皮膚由於其中的膠原纖維能夠互相滑開，抗撕裂性（根據應力）可達15－21百萬帕斯卡（megapascal），相形之下，混凝土只有2－5百萬帕斯卡。
演化上的創新與調整例子可以寫成一大本書，顯然它們只能走到目前的地步，然後會有其他極限插手。例如最近的一項發現顯示，白堊紀的一種翼龍（大約生活於九千五百萬年前的Alanqua屬翼龍，有人稱為長生鳥翼龍）有非常輕的脊椎骨，建構的方式可以讓全身的骨骼質量變輕不少，甚至在挫曲負荷明顯增加時，仍然能以巨大飛獸（翼展有四到六公尺）之姿，抓起並帶走相當重的獵物，而不用擔心頸椎會受傷。 不具牙齒的翼龍當中，最大型的是諾氏風神翼龍（Quetzalcoatlus northropi），有堅硬的長頸，翼展最大可到長生鳥翼龍的兩倍，但是，歷經數百萬年的白堊紀演化過程，並未再出現任何在機械與結構上能夠產生更大飛獸的進展。
有別於那些滅絕已久的翼龍，樹的大小提供了一種容易驗證的例子。樹幹的木材是由纖維素（葡萄糖的天然聚合物）、半纖維素（也是天然聚合物，但是由低分子量的碳水化合物構成）、木質素（約占樹幹總質量的四分之一）組成。巨杉、花旗松、大王桉等最高的大樹可以長到110至125公尺高，但是樹不可能長得像曼哈頓的中等摩天大樓（200多公尺高）一樣高。 我們不能指向單一個限制因素：不論是力學（木質自立莖的負荷）與水力學（樹木裡水分的分布）的因素都限制了最終的高度，但是演化可能讓樹在生存與生殖方面最佳化，而非壽命與質量上的大小。
早在現代植物形態學家研究樹木的生長極限之前，伽利略（下一章討論縮放時，我會再來談他的觀察）在一六三八年的書《關於兩門新科學的對話》裡面認識到，最高的樹木的高度不會超過140公尺，「我確定你們兩人都知道，一棵高達200庫比特（編注：cubit，古時量度單位，自肘至中指端，長約18-22英寸。）的橡樹無法支撐自己的枝條，如果這些枝條的分布就像在正常大小的樹上一樣。」
不可避免，這些演化極限會有似曾相識的熟悉情形發生在工程成果上。抗拉強度（每單位面積材料被拉斷所需的力）的比較結果，解釋了為什麼現代摩天大樓可以蓋到遠遠高於五百公尺：以百萬帕斯卡來表示，鋼的抗拉強度是400－800，但是木材只有70－140。 目前全世界最高的建築物是哈里發塔，高度已經超過八百公尺。建造中的吉達塔預計會高達一公里（興建過程曾在二〇一八年中斷，但不是因為遇到技術問題）；若採用有鏤空底座（類似艾菲爾鐵塔的設計）的扶壁核心地基，那麼還可能蓋出高出許多的建築。
這類建築的高度能夠超過兩公里，但是需要相當大的地基。以日本在一九九〇年代設計的一座4,000公尺高的建築（X-Seed 400，高度超越富士山）來說，鏤空地基會涵蓋大約1,000平方公里的面積（相當於邊長將近40公里〔譯注：細算應為31.6公里。〕的正方形，相較之下，東京有九百多萬民眾居住的二十三個人口稠密區，面積加起來還不到630平方公里）！顯而易見，除了建築材料的結構性質，還有其他因素會妨礙高度的發展。
如此廣闊的地基區如何讓自然光照射進去？這座結構裡需要多少空間安裝尚未發明的超級電梯（不只為了載人，還要運送食物與物資）？現有的電梯系統能抵達的高度不超過六百公尺，所以一英里高的建築需要搭兩次電梯才能到達頂層。或許最重要的是，施工時間必定漫長，誰會出資購買這項計畫需要的土地？對於私人投資者來說，前期資本的回報率會很糟糕，但是政府會參與興建這些規模不小的垂直市鎮嗎？而且，這種巨大結構的保險費會是多少？萬一發生火災或地震，該採取什麼措施，才能迅速撤離民眾？
這些財物、社會與組織上的挑戰，並非在追求超高建築物的過程獨有的；只要規模擴大受到限制時就會一再遇到挑戰，但這些限制不是指材料的性質，或者缺乏技術解決方案，而是投資回報減少、資金成本增加，以及彈性不足。妨礙成長的這類限制很常見，但是有三個例子特別值得注意，因為它們很重要。首先是原油的海運貿易，這種化石燃料使愈來愈多人的生活標準能夠提升到前所未有的高度，而且在數十年內仍將是主要的能源（與最近想要消除化石碳的過度期望相反）。
石油的地位變得相當重要，是因為容易運輸且用途廣泛。中東地區（沙烏地阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特、阿拉伯聯合大公國）的儲油量特別豐富，因此輸出原油必須依賴大型油輪：最近的原油出口有三分之二是靠油輪載運的，其餘則透過油管輸出。 油輪大小的最佳表示方式是載重噸位（dwt），亦即船隻可以載運的總重量。最大型原油輪的尺寸增加情形，從第二次世界大戰後的約2萬載重噸，到一九五九年的10萬，到一九七〇年代早期的30多萬。人們期望最終會出現100萬的船隻，但是目前為止的最大油輪，是一九七五年下水並在後來載重噸加大到56萬又4,650載重噸的海上巨人號。
那麼，為什麼我們從未建造出75萬或100萬載重噸的油輪？規模經濟推動油輪在二戰後的噸位增長趨勢，並沒有阻礙50萬載重噸油輪的問世（船隻愈大，每噸原油運送每單位距離的成本愈低），而且也沒有技術障礙：用來打造50萬載重噸船隻的施工方法，同樣能夠可靠打造等級更大的巨大油輪，我們可以裝上功率強大的柴油機，推動船隻航行成千上萬公里而不需靠岸。但正如我們一再看到，大小持續增加，伴隨而來的必然是投資回報率變小。當日本主導這個產業時，油輪載重從6萬公噸變成12萬公噸時，建造成本減少了30%，但是後來加倍成24萬公噸時，成本只省了15%，超過30萬載重噸的大小可能適得其反，由於這麼大的船隻運用彈性會受限。讓我解釋理由。
船愈大，吃水愈深（吃水是指水線到船底的距離），而這會限制船隻的航線與停靠港。只有為數不多的深水港，深度足夠容納吃水超過50萬載重噸船的超級大船，這些大船無法通過巴拿馬運河或蘇伊士運河，因為蘇伊士運河即使在拓寬之後，也只允許最大吃水20.1公尺與載重噸位20萬以下的船隻通過，而所謂的巴拿馬極限型船（Panamax ship，能夠通過巴拿馬運河的最大船隻）只能吃水12公尺，最大載重是6.5萬公噸。麻六甲海峽航線（從中東到遠東的最短海路）的最小水深是27公尺，只能讓載重噸位30萬以下的油輪經過。
顯然，巨大船舶在安排港口與航線的彈性很有限，營運風險也更大。在緊急情況下，這些船需要很長的距離才能停下來或轉頭（海上巨人號從最高速度到停止需要九公里，迴轉半徑大約是三公里）。大船的保險費也比較高，這件事在全世界兩大漏油災難發生後特別凸顯出來，一次是貝利韋爾城堡號一九八三年在南非漏油，另一次是埃克森瓦爾迪茲號一九八九年在阿拉斯加的事故。後面這場意外讓埃克森公司在清理費用、罰款、賠償方面花了七十億美元。
第一艘油輪在一八八六年下水，這種非凡機器在九十多年後停止成長，最新版本的船隻載重噸位已經是最初的一百多倍。那艘全世界最大的油輪後來怎麼了？一九八八年，海上巨人號在兩伊戰爭中遭到攻擊而損毀，然後重新命名為亞勒維京號，一九九一年再度下水，除役後又改名為諾克耐維斯號，改裝為卡達外海的儲存與卸載油駁船。二〇〇九年，這艘船賣給印度拆船業者，最後一次改名為蒙特號，駛向印度古加拉特邦阿朗的海灘，那裡是舊船的終點（也就是進行清艙，再拆解成廢鋼）。 法國也打造了四艘載重55.5萬公噸的巴替累斯級船舶（Batillus-class vessel），陸續在一九七六年至一九七九年下水。這四艘船甚至更短命，有三艘在一九八六年以前成為廢料，最後一艘撐到二〇〇三年。 如同巨大的蜥腳類恐龍，巨大的油輪也從此消失了……
(前略)
在大多數情形下，工程的歷史可視為不停尋求繞過物理限制的過程，透過引入新材料並且以新方法運用，但是到頭來，這些了不起的措施最後會面臨自己固有的限制。當然，人類的發明能力只是追隨演化的偉大例子，這些例子引入新的物質與結構，以應對原先棘手的需求。最值得注意的材料創新，包括：碳酸鈣構成的珊瑚骨骼，可以形成大片珊瑚礁；木質素是一種複雜的有機聚合物，大約占了所有樹幹組成分的四分之一；讓鳥類能夠飛翔的羽毛，就是由扭曲且交叉連結的蛋白質鏈組成的；人類的皮膚由於其中的膠原纖維能夠互相滑開，抗撕裂性（根據應力）可達15－21百萬帕斯卡（megapascal），相形之下，混凝土只有2－5百萬帕斯卡。
演化上的創新與調整例子可以寫成一大本書，顯然它們只能走到目前的地步，然後會有其他極限插手。例如最近的一項發現顯示，白堊紀的一種翼龍（大約生活於九千五百萬年前的Alanqua屬翼龍，有人稱為長生鳥翼龍）有非常輕的脊椎骨，建構的方式可以讓全身的骨骼質量變輕不少，甚至在挫曲負荷明顯增加時，仍然能以巨大飛獸（翼展有四到六公尺）之姿，抓起並帶走相當重的獵物，而不用擔心頸椎會受傷。 不具牙齒的翼龍當中，最大型的是諾氏風神翼龍（Quetzalcoatlus northropi），有堅硬的長頸，翼展最大可到長生鳥翼龍的兩倍，但是，歷經數百萬年的白堊紀演化過程，並未再出現任何在機械與結構上能夠產生更大飛獸的進展。
有別於那些滅絕已久的翼龍，樹的大小提供了一種容易驗證的例子。樹幹的木材是由纖維素（葡萄糖的天然聚合物）、半纖維素（也是天然聚合物，但是由低分子量的碳水化合物構成）、木質素（約占樹幹總質量的四分之一）組成。巨杉、花旗松、大王桉等最高的大樹可以長到110至125公尺高，但是樹不可能長得像曼哈頓的中等摩天大樓（200多公尺高）一樣高。 我們不能指向單一個限制因素：不論是力學（木質自立莖的負荷）與水力學（樹木裡水分的分布）的因素都限制了最終的高度，但是演化可能讓樹在生存與生殖方面最佳化，而非壽命與質量上的大小。
早在現代植物形態學家研究樹木的生長極限之前，伽利略（下一章討論縮放時，我會再來談他的觀察）在一六三八年的書《關於兩門新科學的對話》裡面認識到，最高的樹木的高度不會超過140公尺，「我確定你們兩人都知道，一棵高達200庫比特（編注：cubit，古時量度單位，自肘至中指端，長約18-22英寸。）的橡樹無法支撐自己的枝條，如果這些枝條的分布就像在正常大小的樹上一樣。」
不可避免，這些演化極限會有似曾相識的熟悉情形發生在工程成果上。抗拉強度（每單位面積材料被拉斷所需的力）的比較結果，解釋了為什麼現代摩天大樓可以蓋到遠遠高於五百公尺：以百萬帕斯卡來表示，鋼的抗拉強度是400－800，但是木材只有70－140。 目前全世界最高的建築物是哈里發塔，高度已經超過八百公尺。建造中的吉達塔預計會高達一公里（興建過程曾在二〇一八年中斷，但不是因為遇到技術問題）；若採用有鏤空底座（類似艾菲爾鐵塔的設計）的扶壁核心地基，那麼還可能蓋出高出許多的建築。
這類建築的高度能夠超過兩公里，但是需要相當大的地基。以日本在一九九〇年代設計的一座4,000公尺高的建築（X-Seed 400，高度超越富士山）來說，鏤空地基會涵蓋大約1,000平方公里的面積（相當於邊長將近40公里〔譯注：細算應為31.6公里。〕的正方形，相較之下，東京有九百多萬民眾居住的二十三個人口稠密區，面積加起來還不到630平方公里）！顯而易見，除了建築材料的結構性質，還有其他因素會妨礙高度的發展。
如此廣闊的地基區如何讓自然光照射進去？這座結構裡需要多少空間安裝尚未發明的超級電梯（不只為了載人，還要運送食物與物資）？現有的電梯系統能抵達的高度不超過六百公尺，所以一英里高的建築需要搭兩次電梯才能到達頂層。或許最重要的是，施工時間必定漫長，誰會出資購買這項計畫需要的土地？對於私人投資者來說，前期資本的回報率會很糟糕，但是政府會參與興建這些規模不小的垂直市鎮嗎？而且，這種巨大結構的保險費會是多少？萬一發生火災或地震，該採取什麼措施，才能迅速撤離民眾？
這些財物、社會與組織上的挑戰，並非在追求超高建築物的過程獨有的；只要規模擴大受到限制時就會一再遇到挑戰，但這些限制不是指材料的性質，或者缺乏技術解決方案，而是投資回報減少、資金成本增加，以及彈性不足。妨礙成長的這類限制很常見，但是有三個例子特別值得注意，因為它們很重要。首先是原油的海運貿易，這種化石燃料使愈來愈多人的生活標準能夠提升到前所未有的高度，而且在數十年內仍將是主要的能源（與最近想要消除化石碳的過度期望相反）。
石油的地位變得相當重要，是因為容易運輸且用途廣泛。中東地區（沙烏地阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特、阿拉伯聯合大公國）的儲油量特別豐富，因此輸出原油必須依賴大型油輪：最近的原油出口有三分之二是靠油輪載運的，其餘則透過油管輸出。 油輪大小的最佳表示方式是載重噸位（dwt），亦即船隻可以載運的總重量。最大型原油輪的尺寸增加情形，從第二次世界大戰後的約2萬載重噸，到一九五九年的10萬，到一九七〇年代早期的30多萬。人們期望最終會出現100萬的船隻，但是目前為止的最大油輪，是一九七五年下水並在後來載重噸加大到56萬又4,650載重噸的海上巨人號。
那麼，為什麼我們從未建造出75萬或100萬載重噸的油輪？規模經濟推動油輪在二戰後的噸位增長趨勢，並沒有阻礙50萬載重噸油輪的問世（船隻愈大，每噸原油運送每單位距離的成本愈低），而且也沒有技術障礙：用來打造50萬載重噸船隻的施工方法，同樣能夠可靠打造等級更大的巨大油輪，我們可以裝上功率強大的柴油機，推動船隻航行成千上萬公里而不需靠岸。但正如我們一再看到，大小持續增加，伴隨而來的必然是投資回報率變小。當日本主導這個產業時，油輪載重從6萬公噸變成12萬公噸時，建造成本減少了30%，但是後來加倍成24萬公噸時，成本只省了15%，超過30萬載重噸的大小可能適得其反，由於這麼大的船隻運用彈性會受限。讓我解釋理由。
船愈大，吃水愈深（吃水是指水線到船底的距離），而這會限制船隻的航線與停靠港。只有為數不多的深水港，深度足夠容納吃水超過50萬載重噸船的超級大船，這些大船無法通過巴拿馬運河或蘇伊士運河，因為蘇伊士運河即使在拓寬之後，也只允許最大吃水20.1公尺與載重噸位20萬以下的船隻通過，而所謂的巴拿馬極限型船（Panamax ship，能夠通過巴拿馬運河的最大船隻）只能吃水12公尺，最大載重是6.5萬公噸。麻六甲海峽航線（從中東到遠東的最短海路）的最小水深是27公尺，只能讓載重噸位30萬以下的油輪經過。
顯然，巨大船舶在安排港口與航線的彈性很有限，營運風險也更大。在緊急情況下，這些船需要很長的距離才能停下來或轉頭（海上巨人號從最高速度到停止需要九公里，迴轉半徑大約是三公里）。大船的保險費也比較高，這件事在全世界兩大漏油災難發生後特別凸顯出來，一次是貝利韋爾城堡號一九八三年在南非漏油，另一次是埃克森瓦爾迪茲號一九八九年在阿拉斯加的事故。後面這場意外讓埃克森公司在清理費用、罰款、賠償方面花了七十億美元。
第一艘油輪在一八八六年下水，這種非凡機器在九十多年後停止成長，最新版本的船隻載重噸位已經是最初的一百多倍。那艘全世界最大的油輪後來怎麼了？一九八八年，海上巨人號在兩伊戰爭中遭到攻擊而損毀，然後重新命名為亞勒維京號，一九九一年再度下水，除役後又改名為諾克耐維斯號，改裝為卡達外海的儲存與卸載油駁船。二〇〇九年，這艘船賣給印度拆船業者，最後一次改名為蒙特號，駛向印度古加拉特邦阿朗的海灘，那裡是舊船的終點（也就是進行清艙，再拆解成廢鋼）。 法國也打造了四艘載重55.5萬公噸的巴替累斯級船舶（Batillus-class vessel），陸續在一九七六年至一九七九年下水。這四艘船甚至更短命，有三艘在一九八六年以前成為廢料，最後一艘撐到二〇〇三年。 如同巨大的蜥腳類恐龍，巨大的油輪也從此消失了……
