世上所有的高樓大廈都在狂風中搖擺，為何能安然屹立百世？

世上所有的高樓

大

廈

都在

狂

風中搖

擺

，為

何

能安然屹立百世？

如

今

世界上的高樓

大

廈

越來越多，一

棟

棟

拔地而起，不斷向新高度衝擊。

已

經

建成的世界

十

大

高樓

有

：迪拜的哈利法塔，高828米；中國上海中心大廈，高632米；麥加皇家鐘塔酒店，高601米；中國天津高銀金融117大廈，高596。6米；韓國樂天世界大廈，高555米；美國紐約世貿中心一號樓，高555米。

在

以

上排

名

中，

我

們

可以看

到

中國這

幾

年突飛猛進的發展，

在

前

10

位

的

高樓中，就有6

棟

立在中國。其中“周大福”佔有兩幢，值得注意，但

這

篇

文

章

並

不

涉

及

。

當然

，

這僅僅是目前已建成的高

層

建

築

，在不久的將來，就

會

有

很

多新的高

層

建

築

和

重

新

安

排

座次。

據掌握的一些資訊，未來世界第一高樓

仍

然是迪拜，萬國大廈

的

建

設

將達到1600米！

到

那

時

，

哈利法塔只能

排

在

第二

位

；而我

們

蘇州的中南中心，將以729米的身高

排

在

第三；中國武漢綠地中心以636米的高度

排

在

第四

位

，上海中心只

排

在

第五；天津高銀117大廈

將

以621米的高度

排

在

第六。

中

國

已

經

佔

據

了

前六

名

。不久的將來

，

中

國

會建最高

大

樓嗎？

這

是

可能

的

，但

是

還

沒有確

切

的

訊息，就不

要

瞎扯。

事

實

上

，

有一

座

高樓

大

廈

，

雖然現在

不

在

上

面

，但

必

須

說

，這就是美國紐約帝國大廈。

從

1931年

開

始

，

這

座

建

築

已

經

88歲

高

齡

，曾經佔據世界第一高樓的位置

幾

十年，現在

仍

然是紐約的標

志

性

建築之一。

去

過高樓的朋友

們

都知道，其實這些看

似

巍

峨

的

建

築

，

並

非

巍然

聳

立，而是越高搖

曳

得越厲害，它們隨風

飄

蕩

，時

時

刻

刻

在搖曳著

優

美

的舞姿。

為什麼

這

幾

座

高

樓

不能

在

風

的

吹

拂

下

搖

搖

欲

墜

，我自巍然不動？

事

實

上

，

這是人們

有

意

的

，只有這樣，才

比

較

安全。

正

因這些

優

美

的舞姿，才能緩

解

高層強勁

的

風給高層

帶

來

的壓力。

正

如

我們打太極，四兩撥千斤，

步

履

維

艱

，

化解風險。

假

如真做一

座

平

平

淡

淡

的高樓，反而會被吹

倒

。高樓

大

廈

不

可寧為玉碎，不

可

為瓦全。

由

於

在高空風很大，

高

層

建

築

受

風

阻

力

大

，

會

發

生

傾斜，而剛性太強，寧折不彎，只

能

承受越來越大的壓力，最

後

只能“折”

下

來。隨

著

風擺

動

的

柳

條

，搖曳

的

柳

條

，反而

舒

緩壓力，從而“不折”。

這

一

道理也告訴我們，人生

路

上

，在遇到一些過

路

的時

候

，

還

可以迂迴，退一步

，

海闊天空，

和

高樓在風中搖曳一樣。

因

此

，

設計超高層建築時，必須考慮高

層

建

築

的搖擺係數。

根

據

我國《高層建築混凝土結構技術規程》3。7。3條，高度不

超

過

150米的建築

物

，根據結構

的

不同，

其

頂移限

為

1/550~1000，高度不小於250米的建築

物

，位移

不

得

超

過

500

米

。

高

層

建

築

在這個範圍內的擺

動

叫

做

安全搖擺。

為保

證

高

層

建

築

的安全，超

過

國家規範限制300米以上的

建

築

物

，需

進

行

專

門

設計和專業審查，論證審批程式

非

常

嚴格。

普

通

超高

層

建

築

每

一

棟都有

其

獨特的設計，

搖

擺

幅度也不同。

為解決高

層

建

築

晃動的安全

性

問題，

需

要

在材料和設計上

做

出

很

專業的選擇，比如選用延展性好的優質鋼材、幕牆結構留

有

適當

的

空

隙等。

高

品

質

的

材

料

和

設

計

，

能

保

證

超

高

層

建

築

在

風

中

搖

擺

，

結

構

穩

定

，

不

會

發

生

斷

裂

和

破

碎

現

象

，

而

且

在

設

計

上

也

保

持

了

相

應

的

系

數

。

按

照

《

建

築

結

構

可

靠

性

設

計

統

一

標

準

》

G

B

5

0

0

6

8

-

2

0

0

1

中

的

規

定

，

一

般

建

築

物

的

安

全

系

數

為

1

。

5

，

對

超

高

層

建

築

的

系

數

有

較

大

的

保

證

。

簡

而

言

之

就是

原

本只需承受100的壓力，設計就要達到

能

承受150的壓力或更高。

若

設計

能

抵禦12級颱風，

則

可

經

受18級

的

超級颱風。

建

築

物

的

晃

動

當然是必然的，但幅度還是要控制的。

若

不加

以

控制

，

任其在風中自由擺

動

，幅度

太

大，或引起共振，就會

破

壞

建

築

物

。

目

前

全

世界

最

常

用

的

控制

建

築

物

擺

動

幅度的

方

法

是

減

振

器。

這

種

減

振

器

可

作

為

超高層

建

築

的“定風

塔

”。

讀

過

《

西遊記

》

的

人

都知道，唐憎師徒西天取經經

過

火焰山

時

，

要

用芭蕉扇才能扇滅火焰山

的

火才能過去，而芭蕉扇在牛魔王的老婆鐵扇公主手

裡

，

牛

魔

王

要

借

一

把

芭蕉扇

才

能

把

火

撲

滅

。

孫悟空

來

到須彌山，菩薩給了他一

顆

“定風丹”，他回去

以

後

，鐵扇公主就再也

沒

有

把

他

扇

走

。

如

今

這

座

高

樓

應

對

風

壓

的

減

振

器

，

就

是

高

樓

的

“

定

風

丹

”

。

這“定風丹”，是個很重很重的“秤砣”，

標

準

的叫法是“

秤

”，它被用複雜的技術吊在樓的高層中間，下部

連

接

著

一套複雜的阻尼系統。

這個“秤砣”就像

是

一

只

鐘擺，

當

建

築

物

受

風

的

攻

擊

而

搖

晃

時

，

建

築

物

也

在

搖

晃，但晃動幅度比

建

築

物

的

振

幅要小，而且會產生滯

後

效應，

從

而

產生反向擺動。

由

於

“

定風丹

”

的拉扯，

這

座

建

築

的

搖

擺幅度大大減小。科學

性

解釋是

強

風作用

於

高

層

建

築

上的機械能，

由

阻尼系統轉

換

成

熱能。

我

公

司

上海中心大廈的“定風丹”

被

稱

為

“

擺

動

電渦流調質

減

振

器”，重達1000噸，是目前世界上最重的

減

振

器，也是一項創新

性

技術成果。

據上海中心大廈施工方提供的資料，

該

減

振

器可以降低風致加速度，

加

速

度

可

以

減

低

43%，

使

大

樓

90%的空間保持

更

大的舒適度。

另

外

一

種

減

震

器也比較

有

名，就是臺北101

樓

，這

棟

樓

過

去

是

世界

上

最重

的

減

震

裝

置

，現在已被上海中

央

大廈打破。

101

號

樓

的調諧質塊

式

減

振

器重680噸，外

表

為金色

的

球體，

懸

掛

在這

座

101層樓的第92層，是

世

界

上

唯一

暴

露

的

建

築

減

振

器，供各地遊客參觀。

事

實

上

，高

層

建

築

的

減

震

系統，根據樓體形狀

的

功能

和

落

位

的不同，可以

根

據

需

要

採

取

不同的設計。

例

如

廣

州

塔

的

十

大高樓

大

廈

中，這座

被

稱

為

“小蠻腰”的建築

物

實際

上

已

經

達到了600米，本應

排

在

第四

位

，但這

座

建築更多

地

被

列

為

第

四

位

，因此一般沒有列入

它

的

排名。

高

樓

座

落

在

臺

風

頻

繁

的

廣

州

，

若

採

用

上

海

中

心

或

臺

北

1

0

1

大

廈

的

優

質

地

塊

規

劃

，

則

不

適

用

。

因

此

在

設

計

時

加

入

了

中

國

首

創

的

主

被

動

復

合

調

諧

減

振

控

制

系

統

，

利

用

頂

樓

的

兩

個

可

移

動

的

巨

大

水

箱

來

穩

定

樓

體

的

結

構

，

兩

個

水

池

裝

水

2

0

萬

升

，

在

遇

到

臺

風

時

，

反

方

向

移

動

，

既

能

起

到

穩

定

樓

體

的

作

用

，

又

能

充

當

滅

火

水

箱

的

作

用

。

但

是

世界第一高樓，迪拜的“哈利法塔”

（

原名迪拜塔

）

卻沒有設

置

阻尼器。

該

大

廈

的

高

度

為

828米，

總

層數

為

162層，最大

風

速

為3米

以

上

。

“

哈利法塔

”

沒有采用

風

阻

裝

置

是因為

該

建

築

物

的形狀和設計

具

有

良

好的抗風能

力

。

一

開

始

，

這

個

被

稱為“

高

塔”的超高

層

建

築

採用三角形設計，

當

遇

到

強風時，

這

種

三角造型

可

以

分散風力；

底

部

寬

大

，

增

加

基

礎

阻

力

，

隨

著

地

面

面

積

的

遞

減

，

從地面到塔頂面積的遞減，底部寬增強了基礎

的

承

載

力，

逐

漸減輕。

該

塔的基

礎

也

很

堅固，鋼筋混凝土澆築了30米深，樁深70米，

高

達

2

0

多層。

即

使

如此，在

建

築

物

的

中

央

還

採

取

了

許

多重要的防風防震措施，如

建

築

物

中

央

有一

座

六邊形的可抗剪

、

抗扭

的

筒

體

；三瓣花形狀，又叫剪刀牆，風吹過後會形成渦流，減弱風的影響。

事

實

上

，

上海中心大廈即

使

做了

減

震

系統，在設計上還是採取了

許

多措施，

可

以

減輕

建

築

物

的搖擺，

提

高

抗

風能力。

例

如

，

在外形設計上，採用了扭曲的“DNA”

圖

像

，這種“風環繞建築”在遇到

強

風時，會形成旋渦陀螺效應，從而

使

建

築

物

搖晃，

減

輕

風力能量，

使

大風側力

降

低

24%；為保證低階穩定，在打地基前，先打深達86米的基樁980個，澆築了6萬立方米混凝土，形成6米厚的基礎底板，

雖

然

是這

座

大樓選址在沖積層

中

，但

這

是上海最安全的建築。

現代

化

建

築

為安全

起

見

，在設計結構和材料選

擇

方

面

也

十

分

重要，

例

如幕牆是一

種

重要選擇。

我國《高層建築混凝土結構技術規程》

規

定

，

超

過

150米的高層建築

，

宜採用各

種

類

型

的

建築幕牆。說明在高層建築

中

，外層結構應優先選

擇

幕牆而

非

實體結構。

事

實

上

，

我們現在身

處

大都市，在高聳雲天的林立大廈

裡

穿

行

，隨便四顧，映入眼簾的都是各

種

幕牆，其中

有

玻璃幕牆，我們想過這是什麼原因嗎？

也

許

有

人會

覺

得

這是現在

流

行

的

東

西

，跟風

吧

。並

不

是

這

樣

。

現代

化

超高層建築幾乎千篇一律

地

採用幕牆包圍，

其

主要原因是出於安全和經濟考慮，

首

要

的還是安全考

慮

。

有

些

人會說，這些幕牆既薄又脆，

牆

怎麼

能

裝

好

？

將

比水泥磚更

堅

固

嗎

？

事

實

上

，

這種認識是錯誤的，幕牆的安全性在於它

的

三個主要特

徵

：一

、

幕牆是由面板和支承結構組成的

一

個

完整

的

結構系統，

具

有獨立的受力能力；其二，平面內可以承受較大的變形，

且

對主體結構

具

有足夠的位移能力；其三，不

能

分擔主體結構所受荷載以外的衝擊。

具

有

較

強的抗風、抗壓、抗震能力。

在

中國建築科學研究院結構所

進

行

的

不

同

型別

的

幕牆振動臺實驗

中

，

在

結

構

位

移

為

1

/

6

0

g

的

情

況

下

，結構位移達到1/60

g

，相當

於

10度

的

大震，幕牆

仍

未

損壞。

而

且

填充牆在1/1000位移時就會開裂，1/300位移就會被破壞，

一

旦

發生地震，小震就會破壞，中震

也

會損

壞

。

其

原

因

在

於

，

填充牆

的

平面內變形能力

較

差，與主體結構結合緊密，

不

能

實現相對位移，一

旦

發

生

風吹，就會與主體一起振動，

造

成

破壞。

與

建築幕牆

特

殊

的

圍寬縫合連線結構，

則

是它

能

承

受100分之一甚至

六

百

分之一的位移，這種樓體變形能力驚人。

於

是

高樓

大

廈

在

狂

風中搖

擺

，外圍的幕牆絲毫

沒

有

受

到

影

響

，

即

使

在

許

多大地震中，高

層

建

築

的幕牆也完好無損。

同

時

也只有現代採用的幕牆，才能保證高聳入雲的大廈，在地震強烈的

搖

擺

下

，不會倒塌，避免了更大的傷亡事故。

當

然

幕牆

並

不全是玻璃，還有鋁板、石板

等

各

種

板材。但

是

現代高

層

建

築

的幕牆還是以玻璃為多，因為玻璃的透光性和美

感

無與倫比。

優

點

和

缺

點

，從不利

的

一面來說，玻璃幕牆給城市

帶

來

了巨大的光汙染，如何克服這

一

問題，是建築設計

者

一直

試

圖

解決的課題，這裡

就

不

多

說

了

。