現在很多城市都有自己的地标性高樓建築,很多人在前往旅遊的時候都會登上這些高樓,感受一把“一覽衆山小”。我們對現在的建築技術非常放心,從來不會擔心這些高樓大廈傾倒,認為其堅不可摧。
然而事實上,這些建築并沒有我們想象的那麼挺拔,通俗點說它們能屈能伸,世界上所有的高樓都在随風飄搖。
大樓在風中搖曳着?這是很危險的信号!不過話說回來,高樓為什麼會随大風搖擺?又為什麼能夠屹立百世還安然無恙呢?
人類曆史上最高的建築是阿聯酋迪拜的阿利法塔,又稱迪拜塔,高828米,共有160多層。我國最高的建築是上海中心大廈,高度為632米,排名世界第二。全世界的高樓大廈裡面最年長的當屬紐約帝國大廈,修建于1931年,高度541米,位于世界6位。這些數據都将被曆史銘記,成為人類挑戰自我的見證。
看着這些高聳入雲的建築,人們會生出一種“我自巋然不動”的感覺,這才是杜甫筆下的“風雨不動安如山”。事實上,很多人都不知道,正當我們稱贊這些大樓的時候,它們就在大風中搖晃着。說出來可能有人不信,這世界上的高樓大廈就沒有剛直不阿的,全部都是“牆頭草”,風往哪邊吹就往哪邊倒。
迪拜塔
我們平時站在地上,對風吹沒有什麼感覺,但高樓大廈動辄兩三百米以上,這個高度的風力度非常大,越往上走越大。一般情況下,如果高度為10米的地方風速為5米/秒,那麼在90米高度的時候,風速達到15米/秒。如果高度在300-400米,風速将達到30米/秒以上,風猶如一台小型的推土機,讓摩天大樓産生晃動。紐約帝國大廈在風中搖晃,将會偏離中心15-30厘米,如果遭遇超強飓風,位移可達90厘米。
所以對于高樓,最重要的是韌性,要像蒲葦一樣韌如絲。可是也不能搖晃太大的幅度,不然上面的人會感受到,人都能感受到到的搖晃幅度,說明這樓離塌房不遠了。所以我國對大樓的搖晃幅度有嚴格的規定。
150米以下的建築頂部位移限制在1/550~1000,高度大于250米的建築,搖晃位移應限制在1/500以内。
建築者對于高樓的安全性必須要追求極緻,如果我國規定的建築安全系數是1.5,那麼這些大廈的安全系數就要更高。比如要抗擊12級台風,那麼就得按照18級的來修建;要抗8級地震,就得按照10級地震的标準來。正是這種精益求精的态度,才讓我國在世界十大最高建築中占據6個席位。
安然無恙
雖然有嚴格規定搖晃的幅度,可畢竟搖來搖去的還是會有風險,光憑大樓自身是不可能完全控制搖晃幅度,這裡面有一個秘密武器——阻尼器。
阻尼器是一種裝置,專門克服物體受到的有害力。比如我們去銀行取錢,不同的方向開門的方式不同,進門需要推,出門需要拉,要是進門的時候拉,就會拉不開。這就是阻尼器在發揮作用,就是不讓我們痛快地開門,減緩我們開門的速度,這是為了防止犯罪分子快速逃跑而設計的。生活中運用到阻尼器的地方有很多,尤其是在涉及到保護安全的時候。
台北101大廈的阻尼器
高樓阻尼器的原理同銀行的門一樣,如果風把高樓往北邊吹,那麼阻尼器就要把大樓往南邊拉,讓其恢複原本的垂直狀态。常用的高樓阻尼器是調諧質塊阻尼器,它的本質是一個大擺錘。懸挂在88層以上,利用擺動幅度,将已經偏離中心的大樓拉回正道。如果用能量守恒定律來說,就是風吹動大樓産生的機械能,通過讓阻尼做工産生的熱能散發出去,保證大樓不被額外的能量影響。
最著名的調諧質塊阻尼器是我國的台北101,在上海中心大廈之前,它的阻尼器是全世界最大的,重達680噸,全身被設計成金黃色,美觀大氣,懸挂在大樓的第92層樓中,遊客可以參觀。
按照台北101的高度508米,哪怕隻是微風,它也要承受30米/秒以上的風速,偏移量在30到50厘米之間,更不要說台北地區還時常要受到台風的侵襲。
阻尼器除了将搖曳的大樓拉回原來的位置,還有破壞共振的作用。所謂共振是指,這個世界上的所有物體都有一個自己的振動頻率,這個是物體的物理性質,很難改變。要改變的話就得破壞原有物體的形狀或者更換材料,這對已經建成的大樓來說不可行。
廣州塔的減震系統
如果大樓的固有搖晃頻率正好與當地的風速相當,就會發生共振現象,大樓的振幅達到最大,倒塌的幾率增加。阻尼器和大樓形成一個整體,這個時候它也開始振動,就會破壞原本的振幅,防止共振發生。
我國還在調諧質塊阻尼器的基礎上進行改良,制造出了主被動複合調諧減震控制系統。這是兩個可以變換方位、角度、重量的大水箱,安裝在廣州小蠻腰的最高層。因為小蠻腰所在的廣東地區經常遭遇特大台風,其強度遠超過台北,擺錘式阻尼器很有可能跟不上台風變向的速度,于是改用這種靈活性更大的阻尼設備。
玻璃幕牆
幕牆結構安裝了阻尼器并非萬事大吉,一座大廈如果要保持安全,還得在其他結構上下功夫。我們觀察世界上最高的建築們,會發現它們有個共同點,外表都是被玻璃覆蓋的,可别以為這是拿來美觀的,它們是幕牆。
幕牆顧名思義,像簾幕一樣的牆,它是挂在建築的主體上,不承擔重量,但并不代表它就什麼作用都不發揮。幕牆需要具備一定的變形能力,還要根據大樓的搖晃做出相應的變形,同時還要考慮材料的成本、美觀等多方面。最後人們找到了滿足各方要求的鋼化玻璃。
鳥類撞擊幕牆死去
早期的幕牆有石闆、馬賽克、鋁合金等,因為那個時候的大樓高度沒有今天高,這些材料還能勉勉強強,随着建築物高度增加,人們發現它們不夠美觀,而且變形能力不理想,成本還因為高度增加變貴。于是這些材料才被逐漸淘汰,現在的高樓大廈幕牆基本上被玻璃占據,目前還沒有材料可以撼動其地位。
當然,玻璃幕牆并非完美無缺,它會造成嚴重的光污染和光散射,還會因為映射出藍天迷惑鳥類,造成它們撞牆死亡。
哈利法塔結構示意圖
人類建築高度的極限1931年紐約帝國大廈以541米的高度問鼎世界之最,當時的人們都認為這是人類建築高度的極限。而後現實啪啪打臉,這個記錄被後來者一個接一個打破,帝國大廈也從曾經的世界第一退居到現在的世界第六。
2010年,迪拜的哈利法塔正式啟動使用,以828米的高度刷新了曆史,至今還沒有建築打破。不過根據曆史推斷,打破這個記錄隻是時間問題。人們不禁好奇,在地球上修高樓大廈,多少米才是極限呢?
X-Seed 4000
影響一座建築高度的因素有很多,建築方式、所用材料、投入資金等。曾經還真有日本建築師提出過這方面的計劃,修建一座類似于埃菲爾鐵塔的建築X-Seed 4000,也就是這座建築的高度在4000米。世界上最高的建築基本上都是塔的形狀,底座寬廣,越到上面越窄,最後一個尖尖的塔頂高聳入雲。X-Seed 4000米的底座計劃橫跨6000米,占地面積與富士山相當,造價1.4萬億美元。
現在假設完全不計較成本,單純為了建造最高大樓,解決後顧之憂,那麼建築會有多高呢?
有人會說,參考珠穆朗瑪峰,人類的建築可以達到珠峰的高度而不會倒塌,如果真的這樣的話,建築的底座面積需要4100平方公裡,這個面積相當于一個城市。修建這樣一座建築就要占據一個城市全部的地面,并且這個城市還不能有其他地貌,必須全是平原。
再大膽一點預測,因為房子裡面有很多空間是空的,比起珠穆朗峰的實心,它還能更高!不過有人會說,修這麼高的建築,得需要好多材料,有些本來就是地球上稀缺的。如果修出來的實用性并不大,隻是為了滿足最高建築的噱頭,那就違背了建築的本心。
人類建築史
人類的建築史可以分為三個時期:
前建築時期,發生在人類狩獵采集時代,這個時候的人類居無定所,需要跟随季節遷徙。這一時期的建築都是樹皮、獸皮、茅草搭建的帳篷,好處就是可以拆卸,随身攜帶;壞處就是,無法抵禦嚴寒,容易破損,并且防禦值低,一個野獸很有可能把人類的家給掀了。
中國古建築的結構
古典時期,是人類進入農業文明,這個時候人類開始安定下來,不再遷徙。既然要長期居住,那麼帳篷必然滿足不了當時人類的要求。建築材料也從樹皮、獸皮向石頭、草木轉變。青銅時代的來臨讓人類擁有了一定的破壞能力,人類的建築也開始變得複雜起來,比如埃及的金字塔、巴比倫的空中花園、羅馬的鬥獸場、希臘的神廟還有中國的宮殿。這一時期,各民族各文化形成了自己的建築風格。
現代時期,工業革命之後,鋼鐵大量湧入人們的生活,磚石結構已經無法建造出人們渴望的建築,一種全新的建築模式誕生——鋼筋混泥土,一直沿用至今。
鋼鐵有着比磚石、木材更高效的承載能力,人類建築的高度一直都在突破極限。同時人類擴張的腳步也在加快,大量的土地被人類占據成為城市,動物們的栖息地減小,一些動物因此滅絕。也有一批動物适應了鋼筋混泥土的生活,與人類學會了共存。
比如老鼠,人類建築的增加,為其提供了更多的庇護,從原來的二維平面升級成了三維立體,它也一舉成為了數量最多的哺乳動物類群。僅紐約市下水道的老鼠數量遠超過紐約的人口,很有可能與全美人口數量相當。此外,蟑螂、壁虎等動物也适應了人類在建築中的生活。
建築是人類文明的載體,高樓大廈則是人類挑戰自我的見證。
,更多精彩资讯请关注tft每日頭條,我们将持续为您更新最新资讯!