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姜谷粉丝 2022-02-02 07:16


现在很多城市都有自己的地标性高楼建筑,很多人在前往旅游的时候都会登上这些高楼,感受一把“一览众山小”。我们对现在的建筑技术非常放心,从来不会担心这些高楼大厦倾倒,认为其坚不可摧。
然而事实上,这些建筑并没有我们想象的那么挺拔,通俗点说它们能屈能伸,世界上所有的高楼都在随风飘摇。
大楼在风中摇曳着?这是很危险的信号!不过话说回来,高楼为什么会随大风摇摆?又为什么能够屹立百世还安然无恙呢?


高楼大厦

人类历史上最高的建筑是阿联酋迪拜的阿利法塔,又称迪拜塔,高828米,共有160多层。我国最高的建筑是上海中心大厦,高度为632米,排名世界第二。全世界的高楼大厦里面最年长的当属纽约帝国大厦,修建于1931年,高度541米,位于世界6位。这些数据都将被历史铭记,成为人类挑战自我的见证。
看着这些高耸入云的建筑,人们会生出一种“我自岿然不动”的感觉,这才是杜甫笔下的“风雨不动安如山”。事实上,很多人都不知道,正当我们称赞这些大楼的时候,它们就在大风中摇晃着。说出来可能有人不信,这世界上的高楼大厦就没有刚直不阿的,全部都是“墙头草”,风往哪边吹就往哪边倒。
迪拜塔
我们平时站在地上,对风吹没有什么感觉,但高楼大厦动辄两三百米以上,这个高度的风力度非常大,越往上走越大。一般情况下,如果高度为10米的地方风速为5米/秒,那么在90米高度的时候,风速达到15米/秒。如果高度在300-400米,风速将达到30米/秒以上,风犹如一台小型的推土机,让摩天大楼产生晃动。纽约帝国大厦在风中摇晃,将会偏离中心15-30厘米,如果遭遇超强飓风,位移可达90厘米。
所以对于高楼,最重要的是韧性,要像蒲苇一样韧如丝。可是也不能摇晃太大的幅度,不然上面的人会感受到,人都能感受到到的摇晃幅度,说明这楼离塌房不远了。所以我国对大楼的摇晃幅度有严格的规定。
150米以下的建筑顶部位移限制在1/550~1000,高度大于250米的建筑,摇晃位移应限制在1/500以内。
建筑者对于高楼的安全性必须要追求极致,如果我国规定的建筑安全系数是1.5,那么这些大厦的安全系数就要更高。比如要抗击12级台风,那么就得按照18级的来修建;要抗8级地震,就得按照10级地震的标准来。正是这种精益求精的态度,才让我国在世界十大最高建筑中占据6个席位。


安然无恙

虽然有严格规定摇晃的幅度,可毕竟摇来摇去的还是会有风险,光凭大楼自身是不可能完全控制摇晃幅度,这里面有一个秘密武器——阻尼器。
阻尼器是一种装置,专门克服物体受到的有害力。比如我们去银行取钱,不同的方向开门的方式不同,进门需要推,出门需要拉,要是进门的时候拉,就会拉不开。这就是阻尼器在发挥作用,就是不让我们痛快地开门,减缓我们开门的速度,这是为了防止犯罪分子快速逃跑而设计的。生活中运用到阻尼器的地方有很多,尤其是在涉及到保护安全的时候。
台北101大厦的阻尼器
高楼阻尼器的原理同银行的门一样,如果风把高楼往北边吹,那么阻尼器就要把大楼往南边拉,让其恢复原本的垂直状态。常用的高楼阻尼器是调谐质块阻尼器,它的本质是一个大摆锤。悬挂在88层以上,利用摆动幅度,将已经偏离中心的大楼拉回正道。如果用能量守恒定律来说,就是风吹动大楼产生的机械能,通过让阻尼做工产生的热能散发出去,保证大楼不被额外的能量影响。
最著名的调谐质块阻尼器是我国的台北101,在上海中心大厦之前,它的阻尼器是全世界最大的,重达680吨,全身被设计成金黄色,美观大气,悬挂在大楼的第92层楼中,游客可以参观。
按照台北101的高度508米,哪怕只是微风,它也要承受30米/秒以上的风速,偏移量在30到50厘米之间,更不要说台北地区还时常要受到台风的侵袭。
阻尼器除了将摇曳的大楼拉回原来的位置,还有破坏共振的作用。所谓共振是指,这个世界上的所有物体都有一个自己的振动频率,这个是物体的物理性质,很难改变。要改变的话就得破坏原有物体的形状或者更换材料,这对已经建成的大楼来说不可行。
广州塔的减震系统
如果大楼的固有摇晃频率正好与当地的风速相当,就会发生共振现象,大楼的振幅达到最大,倒塌的几率增加。阻尼器和大楼形成一个整体,这个时候它也开始振动,就会破坏原本的振幅,防止共振发生。
我国还在调谐质块阻尼器的基础上进行改良,制造出了主被动复合调谐减震控制系统。这是两个可以变换方位、角度、重量的大水箱,安装在广州小蛮腰的最高层。因为小蛮腰所在的广东地区经常遭遇特大台风,其强度远超过台北,摆锤式阻尼器很有可能跟不上台风变向的速度,于是改用这种灵活性更大的阻尼设备。
玻璃幕墙


幕墙结构

安装了阻尼器并非万事大吉,一座大厦如果要保持安全,还得在其他结构上下功夫。我们观察世界上最高的建筑们,会发现它们有个共同点,外表都是被玻璃覆盖的,可别以为这是拿来美观的,它们是幕墙。
幕墙顾名思义,像帘幕一样的墙,它是挂在建筑的主体上,不承担重量,但并不代表它就什么作用都不发挥。幕墙需要具备一定的变形能力,还要根据大楼的摇晃做出相应的变形,同时还要考虑材料的成本、美观等多方面。最后人们找到了满足各方要求的钢化玻璃。
鸟类撞击幕墙死去
早期的幕墙有石板、马赛克、铝合金等,因为那个时候的大楼高度没有今天高,这些材料还能勉勉强强,随着建筑物高度增加,人们发现它们不够美观,而且变形能力不理想,成本还因为高度增加变贵。于是这些材料才被逐渐淘汰,现在的高楼大厦幕墙基本上被玻璃占据,目前还没有材料可以撼动其地位。
当然,玻璃幕墙并非完美无缺,它会造成严重的光污染和光散射,还会因为映射出蓝天迷惑鸟类,造成它们撞墙死亡。
哈利法塔结构示意图


人类建筑高度的极限

1931年纽约帝国大厦以541米的高度问鼎世界之最,当时的人们都认为这是人类建筑高度的极限。而后现实啪啪打脸,这个记录被后来者一个接一个打破,帝国大厦也从曾经的世界第一退居到现在的世界第六。
2010年,迪拜的哈利法塔正式启动使用,以828米的高度刷新了历史,至今还没有建筑打破。不过根据历史推断,打破这个记录只是时间问题。人们不禁好奇,在地球上修高楼大厦,多少米才是极限呢?
X-Seed 4000
影响一座建筑高度的因素有很多,建筑方式、所用材料、投入资金等。曾经还真有日本建筑师提出过这方面的计划,修建一座类似于埃菲尔铁塔的建筑X-Seed 4000,也就是这座建筑的高度在4000米。世界上最高的建筑基本上都是塔的形状,底座宽广,越到上面越窄,最后一个尖尖的塔顶高耸入云。X-Seed 4000米的底座计划横跨6000米,占地面积与富士山相当,造价1.4万亿美元。
现在假设完全不计较成本,单纯为了建造最高大楼,解决后顾之忧,那么建筑会有多高呢?
有人会说,参考珠穆朗玛峰,人类的建筑可以达到珠峰的高度而不会倒塌,如果真的这样的话,建筑的底座面积需要4100平方公里,这个面积相当于一个城市。修建这样一座建筑就要占据一个城市全部的地面,并且这个城市还不能有其他地貌,必须全是平原。
再大胆一点预测,因为房子里面有很多空间是空的,比起珠穆朗峰的实心,它还能更高!不过有人会说,修这么高的建筑,得需要好多材料,有些本来就是地球上稀缺的。如果修出来的实用性并不大,只是为了满足最高建筑的噱头,那就违背了建筑的本心。


人类建筑史

人类的建筑史可以分为三个时期:
前建筑时期,发生在人类狩猎采集时代,这个时候的人类居无定所,需要跟随季节迁徙。这一时期的建筑都是树皮、兽皮、茅草搭建的帐篷,好处就是可以拆卸,随身携带;坏处就是,无法抵御严寒,容易破损,并且防御值低,一个野兽很有可能把人类的家给掀了。
中国古建筑的结构
古典时期,是人类进入农业文明,这个时候人类开始安定下来,不再迁徙。既然要长期居住,那么帐篷必然满足不了当时人类的要求。建筑材料也从树皮、兽皮向石头、草木转变。青铜时代的来临让人类拥有了一定的破坏能力,人类的建筑也开始变得复杂起来,比如埃及的金字塔、巴比伦的空中花园、罗马的斗兽场、希腊的神庙还有中国的宫殿。这一时期,各民族各文化形成了自己的建筑风格。
现代时期,工业革命之后,钢铁大量涌入人们的生活,砖石结构已经无法建造出人们渴望的建筑,一种全新的建筑模式诞生——钢筋混泥土,一直沿用至今。
钢铁有着比砖石、木材更高效的承载能力,人类建筑的高度一直都在突破极限。同时人类扩张的脚步也在加快,大量的土地被人类占据成为城市,动物们的栖息地减小,一些动物因此灭绝。也有一批动物适应了钢筋混泥土的生活,与人类学会了共存。

沙漠之虎 2022-02-09 08:52
阻尼器,一般的超高层都有安装


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