摩天大楼如何在狂风中屹立不倒？

随着经济社会的飞速发展，一座座摩天大楼在城市中心拔地而起。那么，当狂风来袭，它们能否经受住风力的袭击，安全平稳渡过难关？其实，摩天大楼有自己独特的设计，用来保证在狂风中屹立不倒。下面就让我们来一同了解一下。

也许在很多人心目中，钢筋混凝土都是毫无弹性或伸缩性可言的，其实不然。任何刚硬的物体，其实都是有一定弹性的，包括建造摩天大楼的混凝土。而且在大风来临时，如果大楼的顶部不能晃动，各种结构性部件可能会因为巨大风力而受损，所以建筑工程师会有意使大楼能够摆动，这样大楼才不会像绝对稳定时受到那么大的压力。大多数摩天大楼可以轻易地在任何方向晃动数十厘米，就像风中摇摆的大树一样，而不会破坏其结构完整性。

“筒体”结构示意图（作者供图）

摩天大楼的防风措施十分必要，可以采用“筒体”结构，也就是贯穿大厦中心建造特别坚固的混凝土核心轴。筒体就像放大的烟囱，有着很优越的抗风能力。摩天大楼中有许多电梯井，在中央电梯井周围采用坚固的钢架进行加固，并用对角横梁撑牢，就成了很好的抗风筒体。超过50层的摩天大楼，一般就要采用筒体结构；当建筑高达70~80层甚至100层时，一个筒体就不够了，要做两个筒，一个在中间的“核心筒”，一个套在外面，这种方式称为“筒中筒”结构。如果不用筒套筒的办法，也可以把许多筒联合起来，就像一捆竹竿，称为“成束筒”，著名的西尔斯大厦就采用了这种结构，具有极好的抗风能力。

“筒中筒”“成束筒”结构示意图（作者供图）

虽然“筒体”有助于保护摩天大楼的结构，但是这样的晃动对居住者来说仍然十分明显，所以一些摩天大楼会在楼顶安装巨型的调谐质量阻尼器，用来抵消水平运动，减弱震动力量。一种是油液压系统通过来回推动在某个顶层放置的400吨混凝土构件，不停地移动整座大厦的重心。先进的计算机系统会仔细监视风力使大厦产生的晃动，并相应移动大厦的重心，纽约花旗中心大厦就采用了这种方法；另外一些类似系统则依靠巨大摆锤的运动来改变大厦的重心，就像“不倒翁”一样。这种调谐质量阻尼器同样由钢铁或混凝土制成，重量大约在300吨到800吨之间，一般会占据约92.9平方米的空间，要用钢索吊住。它像一个巨型的吸能装置，使遭到狂风的大楼复位。

调谐质量阻尼器示意图（作者供图）

“不倒翁”调谐质量阻尼器示意图（作者供图）

本文由北京联合大学艺术学院建筑系教授张路光进行科学性把关。