摩天大樓如何在狂風中屹立不倒？

隨著經濟社會的飛速發展，一座座摩天大樓在城市中心拔地而起。那麼，當狂風來襲，它們能否經受住風力的襲擊，安全平穩渡過難關？其實，摩天大樓有自己獨特的設計，用來保証在狂風中屹立不倒。下面就讓我們來一同了解一下。

也許在很多人心目中，鋼筋混凝土都是毫無彈性或伸縮性可言的，其實不然。任何剛硬的物體，其實都是有一定彈性的，包括建造摩天大樓的混凝土。而且在大風來臨時，如果大樓的頂部不能晃動，各種結構性部件可能會因為巨大風力而受損，所以建筑工程師會有意使大樓能夠擺動，這樣大樓才不會像絕對穩定時受到那麼大的壓力。大多數摩天大樓可以輕易地在任何方向晃動數十厘米，就像風中搖擺的大樹一樣，而不會破壞其結構完整性。

“筒體”結構示意圖（作者供圖）

摩天大樓的防風措施十分必要，可以採用“筒體”結構，也就是貫穿大廈中心建造特別堅固的混凝土核心軸。筒體就像放大的煙囪，有著很優越的抗風能力。摩天大樓中有許多電梯井，在中央電梯井周圍採用堅固的鋼架進行加固，並用對角橫梁撐牢，就成了很好的抗風筒體。超過50層的摩天大樓，一般就要採用筒體結構﹔當建筑高達70~80層甚至100層時，一個筒體就不夠了，要做兩個筒，一個在中間的“核心筒”，一個套在外面，這種方式稱為“筒中筒”結構。如果不用筒套筒的辦法，也可以把許多筒聯合起來，就像一捆竹竿，稱為“成束筒”，著名的西爾斯大廈就採用了這種結構，具有極好的抗風能力。

“筒中筒”“成束筒”結構示意圖（作者供圖）

雖然“筒體”有助於保護摩天大樓的結構，但是這樣的晃動對居住者來說仍然十分明顯，所以一些摩天大樓會在樓頂安裝巨型的調諧質量阻尼器，用來抵消水平運動，減弱震動力量。一種是油液壓系統通過來回推動在某個頂層放置的400噸混凝土構件，不停地移動整座大廈的重心。先進的計算機系統會仔細監視風力使大廈產生的晃動，並相應移動大廈的重心，紐約花旗中心大廈就採用了這種方法﹔另外一些類似系統則依靠巨大擺錘的運動來改變大廈的重心，就像“不倒翁”一樣。這種調諧質量阻尼器同樣由鋼鐵或混凝土制成，重量大約在300噸到800噸之間，一般會佔據約92.9平方米的空間，要用鋼索吊住。它像一個巨型的吸能裝置，使遭到狂風的大樓復位。

調諧質量阻尼器示意圖（作者供圖）

“不倒翁”調諧質量阻尼器示意圖（作者供圖）

本文由北京聯合大學藝術學院建筑系教授張路光進行科學性把關。