“任凭风浪起,稳坐钓鱼台”——试论摩天大楼是如何抵抗台风的

崔轶斌

随着经济的发展,城市化进程的最大标志之一,就是鳞次栉比的摩天大楼．但无论是在寒风呼啸的北方,还是在台风肆虐的沿海,我们都不得不考虑以下问题：如果遭遇到强风天气,高耸入云的摩天大楼会不会被吹倒呢?在地震中,这些建筑又如何能够完好幸存下来呢?建筑师们到底使用了什么样的“秘密武器”来保证大楼的安全呢？

其实建筑师们早就想出了对抗台风、地震的方法了．在高层建筑的设计中,建筑的外形不仅仅需要考虑美观性、功能性,更重要的是从安全性的角度去衡量．当建筑物遭遇台风、地震等自然灾害的时候,可以借助空气动力学原理,利用建筑物的外形结构来缓解这些自然灾害带来的不利影响，这与汽车要设计成流线型的道理类似．比如2016年落成的上海中心大厦,随着楼层的升高,每层扭曲近1°．这种设计能够延缓气流,将大风侧力减少24%．

当然,除了建筑外形应当符合空气动力学原理、地基需要非常牢固之外,摩天大楼中还有一个非常关键的部件也能起到很大的抗风作用,这就是调谐质量阻尼器TMD(Tuned Mass Damper)．调谐质量阻尼器安装在大楼内部,由几百甚至上千吨的质量块、吊索、常规调谐质量阻尼器、限位调谐质量阻尼器组成．当调谐质量阻尼器工作的时候,能够让建筑物在面对强风时减少晃动幅度,使大楼内部处于一种相对平稳舒适的状态．

楼层建得越高,所要承受的风力就越大,大楼越容易晃动．如果没有做好防护措施,就非常容易引发事故．比如曾经的纽约世贸中心,在春季刮风的时候,大楼摇摆幅度可以达到15～30 cm,在强飓风的作用之下摆幅可以达到1 m．安装在大楼内部的调谐质量阻尼,简单来说就相当于一个大铁球．只要有大风刮过,安装在建筑物外面的感应装置就会检测到台风的级别,通过计算机计算之后,控制调谐质量阻尼器往相反的方向摆动,摆动的幅度根据风力大小进行调节,这样就能够有效抵消建筑物的摇晃情况，从而保证我们身处大楼内部,却不会感受到大楼的剧烈晃动．因此调谐质量阻尼也被人们称为“定楼神球”．

我国最先安装调谐质量阻尼的高楼是台北的101大楼(如图1所示)．在101大楼88～92层内部放有一个质量为660 t的调谐质量阻尼器,这个巨大的钢球被16根直径为9 cm,长度为42 m的钢索悬挂着．它的存在可以降低强风撞击在建筑物上的40%左右的力．当强风经过时,通过计算机经由弹簧、液压装置来控制配重物体的摆动,减缓建筑物的晃动情况,化解强风对建筑物的影响．另外,调谐质量阻尼器也可以降低强震对建筑物的冲击．因此在保证安全的前提下,能够让工作、居住在高层内的人们几乎感觉不到大楼的晃动．

图1 台北101大楼内部调谐质量阻尼器

位于上海的上海中心大厦和环球金融中心内部也装有调谐质量阻尼器．根据上海中心大厦施工方上海建工提供的数据,这种调谐质量阻尼器可以降低风致峰值加速度,降低的幅度超过43%．在台风“利奇马”之前,调谐质量阻尼器出现的最大摆幅是台风“安比”和“温比亚”影响期间——单边摆幅是40多cm．在500 m的高处,环球金融中心和上海中心大厦所承受的风速约为43.7 m·s-1和50.0 m·s-1,也就是说这两栋大楼能抵抗住14～15级大风．

图2 从左至右依次为环球金融中心、金茂大厦、上海中心大厦

在自然的面前,人类从未服输,我们以自己的智慧更好地迎接自然带来的挑战,从而让我们生活的世界变得更加安全美好．