爲了抗風防振，高層建築都“很拼”
在結構設計中，關鍵問題就是如何讓建築物抗震抗風。我國大部分地區不處在地震帶上，因此抗風是設計高層建築需主要考慮的因素。
◎本報記者 矯 陽
最近網上流傳的一份《深圳賽格廣場大樓振動原因及防治措施初步分析》提出，該大廈振動的罪魁禍首是位於樓頂的天線，天線在特定風況下產生渦激共振，帶動大樓振動不止。
而此前專家給出的結論認爲，該大廈上下震顫主要受風影響；其主體結構是安全的，內部結構堅固。
無論是專家給出的判斷，還是網上流傳的分析結果，風都是造成樓體晃動的影響因素之一。那麼，風到底是如何影響高層建築的？爲了抗風，現代建築設計又作出了哪些努力呢？
高層建築設計難點是抗風
“在結構設計中，關鍵問題就是如何讓建築物抗震抗風。”中鐵建設集團建築設計院院長張向東說，我國大部分地區不在地震帶上，因此抗風是設計高層建築需主要考慮的因素。
張向東表示，在正常的風壓狀態下，若地面風速顯示爲5米/秒，相當於3級風，那麼到90米高度，風速就可達15米/秒；若高度達300至400米，風力將更大，或超過30米/秒，相當於11級風，會產生極大的破壞力。
在11級風中，建築物會怎樣？“比如高403米的上海金茂大廈，在設計風荷載（風吹在樓體上引起的載荷）作用下，頂部位移最大可達0.8米。”張向東說：“這個位移一般人難以察覺。”
如果風的振動頻率和建築物自身的振動頻率相同，建築物就會“隨風起舞”，這種現象被稱爲共振。“當共振超過一定幅度，就會影響建築物的使用，甚至形成安全隱患，並且建築內的人員也會感到不適。”張向東說，在設計高層建築時，抗風設計必須滿足結構的強度、剛度、舒適度、抗疲勞破壞等設計要求，確保結構在風荷載作用下不會發生倒塌、開裂，也不會發生過大的位移，以保證結構的安全。
張向東介紹，要解決高層建築抗風問題一般從以下幾個方面入手。
對建築設計來說，首先考慮的是選型。摩天大樓截面多爲圓形、橢圓形或棱形等，極少用矩形。
“風動實驗表明，矩形截面靠近邊緣處的風力比中部風力更大，採用更接近流線型的截面，有利於減小邊緣處風荷載，進而減小建築物受到的總風力。”張向東說，比如飛機、高鐵的外形都會被設計成流線型，以減小風阻。
其次，要想建造穩固的建築，離不開合理的結構。摩天大樓的建築結構，多爲下粗上細的錐形結構體型。
“在城市裡，離地面越高風速越大，所以這種上小下大的建築結構體型，可以顯著減小風荷載作用下的漩渦脫落和橫風向效應。”張向東說。
被網友戲稱爲“開瓶器”的上海環球金融中心大廈，其頂部採用了鏤空設計，有效降低了頂部的風荷載。上海中心大廈則採用扭曲的複雜曲面，進而有效降低了脫體渦流的發生概率。
除了上述選型和結構，爲了抗風，現代建築還採用結構控制的辦法，即在建築物的某些部位設置阻尼器。
阻尼器就是在大樓發生振動時提供阻尼的設備，使大樓的振動變弱，以保障建築安全，它也被網友戲稱爲“鎮樓神器”。
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交叉斜撐，用來減小支撐杆柱的變形，進而減小振動幅度；第二種是在牆體之中加入黏滯材料，利用黏滯材料吸收振動能量，從而讓振動變弱；第三種是在建築物的頂端吊一個質量塊，質量塊的擺動方向與建築物的振動方向相反，從而消減振動。
不過，由於安裝阻尼器的技術門檻和成本都較高，據統計全球最高的20座建築中，只有30%裝有阻尼器。