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工程

高楼为什么会在风中摇晃?

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台北 101 大楼从台北天际线上拔地而起,是研究最多的抗风建筑设计案例之一
台北 101 是按设计弯曲的。在强台风中,顶部可以摇晃近一米,这正是让它屹立不倒的原因。

在刮风的日子站到摩天大楼靠顶的位置,你会感到脚下的地板在移。就一点点。你的大脑会立刻告诉你出事了。你的大脑错了。那个移动就是设计在起作用,而一栋能稍微晃一晃的楼,通常比死活不肯动的那种更安全。

风会推压建筑

风吹过你脸的时候什么感觉都没有。把它砸在六十层高的一整面玻璃墙上,它就成了一个相当可怕的力。你盖得越高,接住的这份力就越多。所以在浇第一方混凝土之前,工程师得先回答几个让人不太舒服的问题:这里的风最狠能到多大,我们要盖多高,什么形状受风最小,它会晃多少,还有楼里的人会不会晕。

摩天大楼不只是在撑住自己。它在跟流动的空气打一场没有尽头的架。

柔性可以更安全

掰一根干树枝,它干脆地断了。掰一根活的树枝,它就跟着你走。建筑也一样。做得太硬,一阵大风或者一次地动就没地方送那份能量,于是能量在结构内部越积越多,直到某处让步。

一栋能弯的楼会吃掉一部分能量,再把剩下的摊开。这里的「弯」不是软弱,而是计划本身。

地震也会震动建筑

风是从外面把楼往旁边推。地震是从底下往上打。地面动,楼的底部跟着动,上面所有东西都得临时想办法应对。

工程师的反击手段是强框架、柔性节点、阻尼器,还有能滑动或隔震的地基。目标几乎从来不是让楼一动不动,而是让它站着、让里面的每个人活着。

有些建筑有巨大的阻尼器

有些摩天大楼在靠顶的位置藏了一块巨大的重锤,叫调谐质量阻尼器。想象一个房间那么大的钟摆。楼往一边倒的时候,阻尼器往另一边荡,把这份运动抵消掉。

那就是内建在楼里的一记反手。从人行道上你看不见它,但在刮大风的日子里,它就是楼上没人晕船的原因。
悬挂在台北 101 内部的 660 吨金色调谐质量阻尼器球,从观景台可以看到
台北 101 重达 660 吨的金色阻尼器球悬挂在约第 88 层附近。当风把建筑推向一边时,这个钟摆向反方向摆动,抵消内部人员会感到的运动。

形状也很重要

楼的形状决定了风怎么绕着它走。尖角、平面、又高又瘦的剖面,每一种对空气的处理都不一样。所以工程师会做出缩比模型塞进风洞,看看空气到底会干什么。

然后开始改。把角磨圆、在塔身上开洞、把整个剖面拧一下。一栋摩天大楼看起来奇怪的时候,那个形状通常正在干活。

试试这个:纸塔测试

用纸搭两座塔。一座做得又直又硬,另一座留点松、带点弹。现在对它们吹气,或者撞一下桌子。哪座先倒?哪座弯下去一大截又弹回来?

工程师研究的就是这个

那就是真问题的迷你版。它从来不只是「它站得住吗」,而是「有东西推它的时候,它会怎么反应」。

最后的思考

建筑摇晃,是因为风和地震在推它,而一点点的移动正是一个结构熬过这份推力的方式。所以当一栋摩天大楼在暴风里偏出去几厘米,没有人搞砸。是有人把活干对了。