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世界上所有高楼都在随风飘摇,却能屹立“百世无恙”,原因何在?

2022-01-11 06:21:30


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。



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。

世界上所有高楼都在随风飘摇,却能屹立“百世无恙”,原因何在?


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?

世界上所有高楼都在随风飘摇,却能屹立“百世无恙”,原因何在?


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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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?

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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?

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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。

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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。

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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。

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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。

比如老鼠,人类建筑的增加,为其提供了更多的庇护,从原来的二维平面升级成了三维立体,它也一举成为了数量最多的哺乳动物类群。 仅纽约市下水道的老鼠数量远超过纽约的人口 ,很有可能与全美人口数量相当。此外, 蟑螂、壁虎等动物也适应了人类在建筑中的生活

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建筑是人类文明的载体,高楼大厦则是人类挑战自我的见证。