“任憑風(fēng)浪起,穩(wěn)坐釣魚臺(tái)”
——試論摩天大樓是如何抵抗臺(tái)風(fēng)的

崔軼斌

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化進(jìn)程的最大標(biāo)志之一,就是鱗次櫛比的摩天大樓．但無(wú)論是在寒風(fēng)呼嘯的北方,還是在臺(tái)風(fēng)肆虐的沿海,我們都不得不考慮以下問(wèn)題：如果遭遇到強(qiáng)風(fēng)天氣,高聳入云的摩天大樓會(huì)不會(huì)被吹倒呢?在地震中,這些建筑又如何能夠完好幸存下來(lái)呢?建筑師們到底使用了什么樣的“秘密武器”來(lái)保證大樓的安全呢？

其實(shí)建筑師們?cè)缇拖氤隽藢?duì)抗臺(tái)風(fēng)、地震的方法了．在高層建筑的設(shè)計(jì)中,建筑的外形不僅僅需要考慮美觀性、功能性,更重要的是從安全性的角度去衡量．當(dāng)建筑物遭遇臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害的時(shí)候,可以借助空氣動(dòng)力學(xué)原理,利用建筑物的外形結(jié)構(gòu)來(lái)緩解這些自然災(zāi)害帶來(lái)的不利影響，這與汽車要設(shè)計(jì)成流線型的道理類似．比如2016年落成的上海中心大廈,隨著樓層的升高,每層扭曲近1°．這種設(shè)計(jì)能夠延緩氣流,將大風(fēng)側(cè)力減少24%．

當(dāng)然,除了建筑外形應(yīng)當(dāng)符合空氣動(dòng)力學(xué)原理、地基需要非常牢固之外,摩天大樓中還有一個(gè)非常關(guān)鍵的部件也能起到很大的抗風(fēng)作用,這就是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD(Tuned Mass Damper)．調(diào)諧質(zhì)量阻尼器安裝在大樓內(nèi)部,由幾百甚至上千噸的質(zhì)量塊、吊索、常規(guī)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、限位調(diào)諧質(zhì)量阻尼器組成．當(dāng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器工作的時(shí)候,能夠讓建筑物在面對(duì)強(qiáng)風(fēng)時(shí)減少晃動(dòng)幅度,使大樓內(nèi)部處于一種相對(duì)平穩(wěn)舒適的狀態(tài)．

樓層建得越高,所要承受的風(fēng)力就越大,大樓越容易晃動(dòng)．如果沒(méi)有做好防護(hù)措施,就非常容易引發(fā)事故．比如曾經(jīng)的紐約世貿(mào)中心,在春季刮風(fēng)的時(shí)候,大樓搖擺幅度可以達(dá)到15～30 cm,在強(qiáng)颶風(fēng)的作用之下擺幅可以達(dá)到1 m．安裝在大樓內(nèi)部的調(diào)諧質(zhì)量阻尼,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于一個(gè)大鐵球．只要有大風(fēng)刮過(guò),安裝在建筑物外面的感應(yīng)裝置就會(huì)檢測(cè)到臺(tái)風(fēng)的級(jí)別,通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算之后,控制調(diào)諧質(zhì)量阻尼器往相反的方向擺動(dòng),擺動(dòng)的幅度根據(jù)風(fēng)力大小進(jìn)行調(diào)節(jié),這樣就能夠有效抵消建筑物的搖晃情況，從而保證我們身處大樓內(nèi)部,卻不會(huì)感受到大樓的劇烈晃動(dòng)．因此調(diào)諧質(zhì)量阻尼也被人們稱為“定樓神球”．

我國(guó)最先安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼的高樓是臺(tái)北的101大樓(如圖1所示)．在101大樓88～92層內(nèi)部放有一個(gè)質(zhì)量為660 t的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器,這個(gè)巨大的鋼球被16根直徑為9 cm,長(zhǎng)度為42 m的鋼索懸掛著．它的存在可以降低強(qiáng)風(fēng)撞擊在建筑物上的40%左右的力．當(dāng)強(qiáng)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí),通過(guò)計(jì)算機(jī)經(jīng)由彈簧、液壓裝置來(lái)控制配重物體的擺動(dòng),減緩建筑物的晃動(dòng)情況,化解強(qiáng)風(fēng)對(duì)建筑物的影響．另外,調(diào)諧質(zhì)量阻尼器也可以降低強(qiáng)震對(duì)建筑物的沖擊．因此在保證安全的前提下,能夠讓工作、居住在高層內(nèi)的人們幾乎感覺(jué)不到大樓的晃動(dòng)．

圖1 臺(tái)北101大樓內(nèi)部調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

位于上海的上海中心大廈和環(huán)球金融中心內(nèi)部也裝有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器．根據(jù)上海中心大廈施工方上海建工提供的數(shù)據(jù),這種調(diào)諧質(zhì)量阻尼器可以降低風(fēng)致峰值加速度,降低的幅度超過(guò)43%．在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”之前,調(diào)諧質(zhì)量阻尼器出現(xiàn)的最大擺幅是臺(tái)風(fēng)“安比”和“溫比亞”影響期間——單邊擺幅是40多cm．在500 m的高處,環(huán)球金融中心和上海中心大廈所承受的風(fēng)速約為43.7 m·s-1和50.0 m·s-1,也就是說(shuō)這兩棟大樓能抵抗住14～15級(jí)大風(fēng)．

圖2 從左至右依次為環(huán)球金融中心、金茂大廈、上海中心大廈

在自然的面前,人類從未服輸,我們以自己的智慧更好地迎接自然帶來(lái)的挑戰(zhàn),從而讓我們生活的世界變得更加安全美好．