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[猎奇]世界上所有高楼都在随风飘摇 [15P] [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2022-02-02

— 本帖被 xgch 执行加亮操作(2022-02-03) —

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。

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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？

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。

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。

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。