为了抗风防振，高层建筑都“很拼”

在结构设计中，关键问题就是如何让建筑物抗震抗风。我国大部分地区不处在地震带上，因此抗风是设计高层建筑需主要考虑的因素。

　　——张向东 中铁建设集团建筑设计院院长

　　◎本报记者 矫 阳

　　今年5月，深圳赛格大厦多次发生晃动，引起社会广泛关注。

　　最近网上流传的一份《深圳赛格广场大楼振动原因及防治措施初步分析》提出，该大厦振动的罪魁祸首是位于楼顶的天线，天线在特定风况下产生涡激共振，带动大楼振动不止。

　　而此前专家给出的结论认为，该大厦上下震颤主要受风影响；其主体结构是安全的，内部结构坚固。

　　无论是专家给出的判断，还是网上流传的分析结果，风都是造成楼体晃动的影响因素之一。那么，风到底是如何影响高层建筑的？为了抗风，现代建筑设计又作出了哪些努力呢？

　　高层建筑设计难点是抗风

　　“在结构设计中，关键问题就是如何让建筑物抗震抗风。”中铁建设集团建筑设计院院长张向东说，我国大部分地区不在地震带上，因此抗风是设计高层建筑需主要考虑的因素。

　　张向东表示，在正常的风压状态下，若地面风速显示为5米/秒，相当于3级风，那么到90米高度，风速就可达15米/秒；若高度达300至400米，风力将更大，或超过30米/秒，相当于11级风，会产生极大的破坏力。

　　在11级风中，建筑物会怎样？“比如高403米的上海金茂大厦，在设计风荷载（风吹在楼体上引起的载荷）作用下，顶部位移最大可达0.8米。”张向东说：“这个位移一般人难以察觉。”

　　如果风的振动频率和建筑物自身的振动频率相同，建筑物就会“随风起舞”，这种现象被称为共振。“当共振超过一定幅度，就会影响建筑物的使用，甚至形成安全隐患，并且建筑内的人员也会感到不适。”张向东说，在设计高层建筑时，抗风设计必须满足结构的强度、刚度、舒适度、抗疲劳破坏等设计要求，确保结构在风荷载作用下不会发生倒塌、开裂，也不会发生过大的位移，以保证结构的安全。

　　造型、结构和阻尼器联手防抖

　　张向东介绍，要解决高层建筑抗风问题一般从以下几个方面入手。

　　对建筑设计来说，首先考虑的是选型。摩天大楼截面多为圆形、椭圆形或棱形等，极少用矩形。

　　“风动实验表明，矩形截面靠近边缘处的风力比中部风力更大，采用更接近流线型的截面，有利于减小边缘处风荷载，进而减小建筑物受到的总风力。”张向东说，比如飞机、高铁的外形都会被设计成流线型，以减小风阻。

　　其次，要想建造稳固的建筑，离不开合理的结构。摩天大楼的建筑结构，多为下粗上细的锥形结构体型。

　　“在城市里，离地面越高风速越大，所以这种上小下大的建筑结构体型，可以显著减小风荷载作用下的漩涡脱落和横风向效应。”张向东说。

　　被网友戏称为“开瓶器”的上海环球金融中心大厦，其顶部采用了镂空设计，有效降低了顶部的风荷载。上海中心大厦则采用扭曲的复杂曲面，进而有效降低了脱体涡流的发生概率。

　　除了上述选型和结构，为了抗风，现代建筑还采用结构控制的办法，即在建筑物的某些部位设置阻尼器。

　　阻尼器就是在大楼发生振动时提供阻尼的设备，使大楼的振动变弱，以保障建筑安全，它也被网友戏称为“镇楼神器”。

　　阻尼器主要有3种形式：第一种是在大楼的支撑柱之间加入一个交叉斜撑，用来减小支撑杆柱的变形，进而减小振动幅度；第二种是在墙体之中加入黏滞材料，利用黏滞材料吸收振动能量，从而让振动变弱；第三种是在建筑物的顶端吊一个质量块，质量块的摆动方向与建筑物的振动方向相反，从而消减振动。

　　不过，由于安装阻尼器的技术门槛和成本都较高，据统计全球最高的20座建筑中，只有30%装有阻尼器。