近日，深圳市福田區高層建筑賽格大廈出現晃動(dòng)情況備受關(guān)注。隨著(zhù)我國各地的高層、超高層建筑越來(lái)越多，建筑物安全一直是廣受熱議的話(huà)題。我國對高層、超高層建筑物，從選址、設計、審批到施工、監理、驗收等，都有很?chē)栏竦臉藴屎鸵幏?。為防止擺動(dòng)、抗風(fēng)減震，高層建筑在設計時(shí)也是各出奇招。
高層建筑出現晃動(dòng)正常嗎?
建筑晃動(dòng)的原因有多種，成因、所處的具體情況都不完全相同，根據現有的研究，建筑出現晃動(dòng)，多為共振導致。共振，是指一個(gè)物體的振動(dòng)，會(huì )帶動(dòng)另一個(gè)物體的振動(dòng)。二者的振動(dòng)頻率越接近，共振產(chǎn)生的振動(dòng)幅度會(huì )越大。當一幢建筑超過(guò)一定高度時(shí)，風(fēng)荷載作用下引起的建筑響應，可能比地震作用下引起的響應更大。建筑在風(fēng)的作用下會(huì )產(chǎn)生順風(fēng)向振動(dòng)和橫風(fēng)向振動(dòng)。順風(fēng)向振動(dòng)就是建筑物順著(zhù)風(fēng)的方向產(chǎn)生的振動(dòng)響應，是由風(fēng)荷載的脈動(dòng)作用使結構產(chǎn)生的受迫振動(dòng)。而橫風(fēng)向振動(dòng)則是由于在風(fēng)的作用下，在建筑的后部形成漩渦，而這種建筑后部?jì)蓚蠕鰷u會(huì )以一定的頻率交替脫落，形成橫風(fēng)向的振動(dòng)。當這種漩渦交替脫落的頻率和建筑結構的固有頻率接近時(shí)，就會(huì )形成共振現象，就是所謂的“渦激共振”。共振作用的來(lái)源，一般是風(fēng)力或地基作用力，其中，地基作用力的來(lái)源包括地震、地基變形、周?chē)┕ぷ鳂I(yè)等多種因素，所以建筑在設計時(shí)，會(huì )充分考慮外力因素導致的晃動(dòng)問(wèn)題。
建筑雖看起來(lái)是剛性結構，但實(shí)際蘊含著(zhù)很多柔性設計，本身遇到大風(fēng)就會(huì )晃動(dòng)，所以為了防風(fēng)減震，需要講究“剛柔并濟”，通過(guò)推力、壓力和水平力，讓建筑把外部的能量“消耗”掉。通常，高層建筑在設計階段會(huì )根據地區的風(fēng)壓、建筑物形狀等各種數據做模擬測試。超高層建筑一般還會(huì )做風(fēng)洞實(shí)驗，把建筑物模型放在風(fēng)洞里，模擬各種風(fēng)下建筑物的擺動(dòng)和變形，以便保障外力引發(fā)的晃動(dòng)在高層建筑安全范圍內。
對抗高樓晃動(dòng)靠什么?
為有效防止建筑物“隨風(fēng)起舞”，超高層建筑都是如何實(shí)現防風(fēng)減振的呢?
從建筑設計方面來(lái)說(shuō)，合理的選型有利于抵抗風(fēng)荷載和地震作用。建筑的矩形截面靠近邊緣處的風(fēng)力比中部風(fēng)力更大，采用更接近流線(xiàn)型的截面，有利于減小邊緣處風(fēng)荷載，進(jìn)而減小建筑物受到的總風(fēng)力。
從建筑結構方面來(lái)講，要想建造穩固的建筑，離不開(kāi)合理的結構。摩天大樓的建筑結構，多為下粗上細的錐形結構體型。杭州世紀中心就以結構取勝，以流線(xiàn)型設計實(shí)現風(fēng)力的自然導流。從遠處看，杭州世紀中心的雙塔建筑形成了一個(gè)大大的字母“H”，這是以杭州拼音首字母為藍本的建筑，其兩棟主樓之間的底部為跨度約60米、高度約22米的鋼結構連橋。杭州世紀中心的結構體系充分利用了剛性核心筒的阻尼和質(zhì)量特性，并采用延性周邊抗彎框架以分別減少動(dòng)態(tài)風(fēng)力和消散地震能量。如果從上空俯瞰，會(huì )發(fā)現杭州世紀中心雙塔建筑的平面是兩個(gè)橄欖球狀。正是利用這種流線(xiàn)型結構設計，當風(fēng)吹過(guò)建筑時(shí)，會(huì )實(shí)現自然導流，建筑面受到的直接作用力很小。杭州世紀中心的設計團隊在前期對其進(jìn)行過(guò)風(fēng)洞試驗，進(jìn)一步驗證了整體結構設計的安全可靠。
從建筑裝置方面來(lái)講，安裝阻尼器是高層建筑常見(jiàn)的防抖方式。當建筑達到一定高度時(shí)，純粹靠提高結構抗側力體系剛度的方法收效欠佳，一些超高層建筑會(huì )在樓內添加阻尼器來(lái)減輕結構的振動(dòng)響應。阻尼器是以提供運動(dòng)的阻力來(lái)耗減運動(dòng)能量的裝置，包含調諧質(zhì)量阻尼器、調諧液體阻尼器、金屬阻尼器等。阻尼器主要有3種形式：第一種是在大樓的支撐柱之間加入一個(gè)交叉斜撐，用來(lái)減小支撐桿柱的變形，進(jìn)而減小振動(dòng)幅度;第二種是在墻體之中加入黏滯材料，利用黏滯材料吸收振動(dòng)能量，從而讓振動(dòng)變弱;第三種是在建筑物的頂端吊一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的擺動(dòng)方向與建筑物的振動(dòng)方向相反，從而消減振動(dòng)。
近年來(lái)，隨著(zhù)高樓的興起以及極端天氣的頻發(fā)，為了減少可能的晃動(dòng)對大樓內人員的影響，不少高樓都會(huì )選擇安裝阻尼器，例如平安金融中心設置了兩臺分別重達500噸的混合式阻尼器。在地震、強風(fēng)時(shí)，阻尼器能夠在電腦和電機的控制下朝反方向運行，吸收風(fēng)力和地基作用力產(chǎn)生的能量，避免共振導致建筑振幅不斷擴大，減輕建筑受到的損傷，發(fā)揮相當于天平砝碼的作用。
上海中心大廈也做了一個(gè)1000噸的阻尼器放在頂層。該大廈是中國第一高樓、世界第二高樓，地上127層，地下5層，總高632米。大廈頂樓的125—126層就藏著(zhù)一個(gè)鎮樓神器——有“上?；垩?rdquo;之稱(chēng)的大型阻尼器。該阻尼器高度有7.7米，底座直徑有9.1米，采用的材質(zhì)是琉璃玉和鋼，是世界首個(gè)擺式電磁渦流調諧質(zhì)量阻尼器，由上海材料研究所自主研發(fā)而成。該阻尼器為世界最重，由12根吊索、質(zhì)量塊、阻尼系統和主體保護系統四部分組成。阻尼器的質(zhì)量塊和吊索構成了一個(gè)巨大的復擺，通過(guò)與主體結構的共振，有效抵御大樓的晃動(dòng)。
上海每年夏秋季都會(huì )受臺風(fēng)困擾，強臺風(fēng)侵襲對于上海中心這樣的超高層建筑是個(gè)巨大的挑戰，而阻尼器對于抵抗臺風(fēng)發(fā)揮著(zhù)很大的作用。強風(fēng)來(lái)臨時(shí)，它的最大擺幅可以達到1~1.2米，能通過(guò)自身感應實(shí)現與大樓搖擺的反方向運行，有效降低大樓擺動(dòng)幅度和加速度，以提供良好的舒適度和安全性。
另外，上海中心的阻尼器除了具有穩定功能以外，也是一個(gè)具有參觀(guān)價(jià)值的雕塑藝術(shù)品，阻尼器上部的雕塑造型狀似“一只眼睛”，設計靈感源于《山海經(jīng)》的“燭龍之眼”，引發(fā)游客紛紛駐足。
技術(shù)創(chuàng )新讓“小蠻腰”不“扭腰”
除了常用的方式以外，一些建筑還有其獨特的減震方式。廣州塔設計的結構安全問(wèn)題是塔身的腰部太細。廣州是臺風(fēng)頻發(fā)的區域，那么，大風(fēng)到來(lái)，“小蠻腰”會(huì )“扭腰”嗎？答案是否定的。
廣州塔創(chuàng )新設計出世界領(lǐng)先的TDM兩級主被動(dòng)復合調諧減震控制系統——在438~448米標高層利用核心筒兩邊各一個(gè)650噸容量的鐵制消防水箱作為T(mén)DM減震系統塊，在水箱下面安裝滑輪和軌道。兩個(gè)水箱上部各安裝了一臺重達50噸的直線(xiàn)電機主動(dòng)控制裝置，根據塔身?yè)u擺的精確數值，自動(dòng)調整運動(dòng)模式，進(jìn)一步降低塔身的搖擺幅度。
當塔身晃動(dòng)時(shí)，水箱通過(guò)傳感器向反方向滑動(dòng)，以此來(lái)消減塔身的晃動(dòng)幅度。加上這個(gè)系統，廣州塔減掉了40%的風(fēng)振，同時(shí)保證了塔內通信設施、娛樂(lè )設施的正常使用。
減震技術(shù)的應用和推廣對于建筑物安全和人民的生命財產(chǎn)安全都有著(zhù)重要意義。這次賽格大廈的晃動(dòng)，無(wú)疑引起人們對建筑安全的更高需求。近幾年來(lái)，減震技術(shù)和消能技術(shù)逐步從基礎研究轉向了實(shí)際應用方面，建筑物的震動(dòng)、減震和隔震控制，成為建筑業(yè)改革創(chuàng )新的難以回避的過(guò)程。而從疫情暴發(fā)對健康社區的關(guān)注，再到如今對建筑防震功能的訴求，也體現著(zhù)人與城市、人與建筑關(guān)系的不斷重塑。
