台风“烟花”来袭，高达632米的上海中心大厦还好吗？除了阻尼器，还有啥神技术？︱走近科学

本栏目由 “世界科学”和 “赛先生”联合出品

台风“烟花”来了，上海中心大厦摇摆着的阻尼器成了“小网红”。实际上，上海中心大厦的建成，需要突破一系列世界级超高层工程建造技术难题，它成功创造了N多的第一次，成为超高建筑与环境和谐共生的里程碑式典范工程，其技术成果在我国22个省市的近200项工程中得到推广应用。上海建工集团总工程师龚剑作为上海中心第一完成人的“上海中心大厦工程关键技术”项目荣获2018年度上海市科技进步奖特等奖。

千吨重的阻尼器，让大楼岿然不动

“烟花”来袭，中国第一高楼上海中心大厦防风抗台的“镇楼宝器”——阻尼器已经开始运作，而且随着风力加大，阻尼器摆动幅度逐渐变大，但是这个对上海中心大厦完全没有影响。

通常来说，超高层建筑物对强风的作用比较敏感。例如，如果高度10米地方的风速为5米/秒，那么，高度300米地方的风速将会超过30米/秒，楼层越高风速越大。风速较大时，建筑就会产生晃动，使人有眩晕的感觉。摩天大楼在台风天是如何能够保证不晃动呢？是一种叫做调谐质量阻尼器的“神器”，减少了“高层晃动”，使超高层建筑依旧“威风凛凛”，任尔东西南北风。

阻尼器在全球范围里是一项新技术，在高楼林立的上海，装有阻尼器的摩天大楼一共只有两家：上海中心大厦和环球金融中心。上海中心使用的阻尼器是我国首个自主研制开发的世界上首个电涡流摆式调谐质量阻尼器。

阻尼是物理学名词，指的是力的衰减和能量的耗散，有缓冲的意思。当强风吹晃大厦时，质量巨大的风阻尼器产生的反作用力就会越强，从而减轻大楼的摇晃。

与调谐质量阻尼器相比，上海中心采用的“电涡流摆设式调谐质量阻尼器”，采用了电涡流技术。

电涡流会产生涡流现象。该现象可以简单理解为闭合电路中的导电体圆周方向会产生 ，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，像水流一样，呈漩涡状分布。导体外线圈越密，线圈内电流越大，交变磁场的 越强，涡流就越大。

此前，电涡流技术用于磁悬浮等工程，是世界上首次用于风阻尼器，也是中国人首创。其原理简单来说，大风作用在楼宇上的机械能，风阻尼器通过自身的摆动，抵消风力，实现对建筑物的“定力”。电涡流摆设式调谐质量阻尼器的优势在于：磁体与导体之间没有直接接触，无摩擦阻尼和磨损；不受温度等环境影响，易于维护且耐久性好。

上海中心的阻尼器位于第125～126层，由12根钢丝吊索、质量块、阻尼系统和主体结构保护系统四个部分组成，重达1000多吨，是目前世界上最重的摆式阻尼器。

根据上海建工集团提供的数据，这种阻尼器可以降低风致峰值加速度，降低的幅度超过43%，可以令大厦内90%的人能感受到较大的舒适度。从设计角度分析，即便是500年一遇的（约15级以上的大风）也不会让阻尼器摆动到最大幅度。

平时，阻尼器装置是静止的，只有当台风来袭，上海中心大厦的阻尼器才开始工作。

上海中心阻尼器运行简易示意

2019年，超强台风“利奇马”让阻尼器的摆幅达到50厘米（瞬时峰值一度达到了70厘米），是目前为止最大的记录值。不过别担心，这个幅度远低于其2米的极限摆幅！

而此刻，台风“烟花”正袭击上海，中心大厦的阻尼器正在摇摆。

此外，安装阻尼器不仅能保证上海中心大厦的稳定性，还能减少其他稳固性材料的使用，起到绿色环保作用。

每当台风来袭，上海中心大厦的阻尼器作为“镇楼宝器”而被人们关注。实际上，这个“超级工程”还有很多值得我们关注的“厉害”，它在很多方面创造了“中国第一”和“世界之最”：

世界上第一次在软土地基上建造重达85万吨的单体建筑；

世界上第一次在超高层建筑中使用14万平方米的柔性幕墙，

世界上最高的绿色建筑……

然而在上海中心大厦动工之时，现今的每一项“第一”都是一个巨大甚至无解的难题。

泥滩之上如何筑牢地基？

俗话说“地基不牢，地动山摇 ”。盖房子，最重要的就是要筑牢地基。对于高达632米重达85万吨的上海中心来说，地基更是重中之重。

上海浦东处在一个冲积层，上海中心的建造地点位于一个河流三角洲，土质松软，一铲泥土半铲水。那么在这样的土质上，如何筑牢地基？

打桩是加固地基的一种主要方式。何为打桩？形象点说，就是豆腐上按照一定间距插上一根根牙签，以此来改造土质形成一块新的承载建筑的平台。

当年，金茂大厦和上海环球金融中心皆采用打入式钢管桩工艺。但是直接打桩会带来几个明显的影响：噪音、已建建筑可能出现沉降、开裂现象等。在它之前，陆家嘴早已高层建筑鳞次栉比，这决定了上海中心施工时不能大开大挖、大噪音。但是，上海中心大厦需要打下一根根近90米的地基桩，相当于地下九层楼高。如果按照传统操作，必然噪声如雷，尘土飞扬。

钻孔灌注桩（钢筋笼）示意图

为了让“施工噪音尽量小”，上海建工集团放弃了传统的打桩方式，不走寻常路：

通过研究首次在350米以上的超高层建筑中使用了钻孔灌注桩建造工艺，即先用钻机在地基上钻孔，在孔内放置一个钢筋笼（相应直径的笼形钢筋框架），然后再往钢筋笼内灌注混凝土，一个桩子便算做成了。

2008年11月28日，上海中心开工，打下了第一个基桩。施工时，周围上班的人几乎没有受到任何噪音影响。

钻孔灌注桩施工步骤

其实，钻孔灌注桩的工艺在国内并非首创。难点在于，超高层、超重量的巨型建筑从未使用过这种方式，过程中遇到的问题没有可参考的解决模板。

由于上海土质过软，桩基可能会出现桩身混凝土离析、桩底沉渣过厚等问题。为了提高桩基的承载力，建工集团采用了桩端注浆加固桩基的工艺，即利用水泥浆充填孔隙，提高土体密实度和强度，使桩基极限承载力提高近4倍，承载力与传统钢管比较地基持平，但造价节省了60%以上。

桩端注浆加固桩基的工艺简易GIF动图（来源：纪录片——超级工程）

最终，上海中心共铺设955根桩，每根桩直径1米，深度达86米。

“从设计角度来说，上海中心的桩基可以支撑3 000多吨的建筑重量，远超上海中心自身的重量。” 上海建工集团总工程师龚剑说道。

据了解，自上海中心使用了钻孔灌注桩技术为后续的高层建筑提供了范例。之后，软土地基上的许多超高层建筑都采用此方法，所以现在城市超高层建造都听不到打桩声了。

量身定制的“金缕玉衣”

玻璃幕墙对建筑物具有减轻自重、提高抗震性等特点，所以很多高层建筑外观都采用玻璃幕墙。但往往受楼梯较高、预埋件、玻璃安装等因素影响，安装质量控制难度很大。特别是异型建筑上的玻璃幕墙，难度和施工精度要求可想而知。

据了解，与上海中心相邻的金茂大厦也是全玻璃幕墙，在当年施工时，所有构件需要先在工厂内拼装完成，再拆卸运至现场拼装，这样的施工效率低、精度也难以控制。而上海中心不只是玻璃幕墙，而且是双层玻璃幕墙。所谓双层幕墙，顾名思义就是两层玻璃幕墙，犹如大楼的两层皮肤。在这之前，双层幕墙还从未出现在350米以上的超高层建筑中。

上海中心大厦双层幕墙与空中庭院

设计的精妙也给施工带来了巨大的挑战。上海中心从外观上看，是螺旋减缩式上升的造型，犹如一条盘旋上升的巨龙，外幕结构体系异常复杂，支撑体系从地面到顶部要旋转上升120度，共14万平方米、2万多块的幕墙玻璃,片片不同，按传统施工工艺，根本无法安装。

为了加快建设速度，龚剑团队采用内外幕墙随建筑主体结构同时施工的方式，这就更增加施工难度。有同行直言，这是一个无法完成的任务。

龚剑团队率先引进国际建筑业最尖端的数字化建造技术，通过建筑模型信息化，将实现每一块部件、每一块玻璃幕墙、每一条电线、每一个水阀都在电脑中三维建模、标号，精准计算、三维演示，加工每块构件,运到了现场按先后顺序一气呵成。从设计施工到全生命周期维护，庞然大物的每一处细节都能“自己说话”。哪里碰撞了，哪里衔接不到位了，一目了然。

如何控制结构变形，毫无疑问是关键。玻璃幕墙完全由钢结构支撑，那么大的跨度，那么重的玻璃，数百米之上更大的风速、更大的温差，都会导致钢结构变形，幕墙单元板块就会受到挤压，幕墙受损破裂的风险就会增大，从而影响整个幕墙体系的安全。既要保证幕墙的牢固，又要留出变形的空间，看起来是个悖论。

在上海中心的每个楼层，都会看到些不起眼的支座。它叫作柔性连接滑移支座装置（简称：滑移支座），正是龚剑团队发明并制造出的新装备。正是这个装置，让幕墙可以“动起来”。因此叫柔性幕墙，跟我传统的幕墙概念完全不同。

柔性连接滑移支座装置的一种（来源：东方卫视）

如果把上海中心外墙悬挂玻璃的钢架比喻为人的骨骼，那么滑移支座就如同连接骨骼的关节，虽然只是几毫米的变形空间，也给了玻璃幕墙足够的缓冲空间，有效避免了幕墙因硬力过大而被破坏。

滑移支座装置有五种类型，不同类型的支座根据变形需求被安装在不同位置。用总工程师龚剑的话说是：

玻璃幕墙是内刚外柔，我们以柔克刚，通过约束释放、变形吸收，实现了各种荷载效应下刚柔不同结构体系复杂工况的变形协同。

同时，为保证这些滑移支座健康运行，上海中心大厦总控中心将其健康监测纳入总监测系统，可实现实时监控并预警。

最终，20357多块不同大小曲面的玻璃幕墙，严丝合缝地悬挂在建筑外立面，宛如制成一件完美的“金缕玉衣”。这是世界上首次在超高层安装14万平方米的柔性幕墙。

据龚剑回忆，两万多块玻璃幕墙，每一片的施工精度误差都在1.5毫米以内。

“绿色、节能、环保”无处不在

上海中心是率先建立600米级垂直城市绿色建筑体系，成为全球首栋中国三星认证和美国LEED-CS铂金认证最高等级绿色超高建筑。尤其是美国LEED-CS铂金认证，可以说是绿色建筑领域的“奥斯卡”，全世界仅有5%的LEED项目可以获此殊荣。

据龚剑介绍，大厦综合采用了中水回收利用系统、雨水收集系统等40余项绿色环保节能技术，每年可降低能耗20%以上。

例如，上海中心外观以旋转、不对称的外部立面设计，旋转120度。为什么要旋转120度？

“因为上海是台风地区，对高楼会有明显的影响。我们通过实验对不同的旋转角度进行监测，最后发现旋转120度，可以减少24%的风能，极大地减少风力对楼层的影响。” 龚剑解释道。同时，还可以最大限度地减少了抗风材料，比传统建筑式样节省32%的建筑材料。

上海中心两层玻璃幕墙的设计也大有深意。它如同一个直冲云霄的“保温瓶”，两层皮肤间的空间，通过通风设备的调节，在大厦内外部之间充当良好的缓冲带，起到冬暖夏凉的作用，使采暖和制冷的能耗比单层幕墙降低了50%左右。

为节约水资源，上海中心采用了雨水收集处理和回用技术。

大厦的顶部有一个巨大的雨水收集槽，将雨水收集储存在蓄水池里，处理后可用于花木灌溉、厕所冲洗、建筑物内部清洗、设备冷却等，将大大减少使用自来水。可供大楼使用。估算下来，一年可以节省250个标准游泳池的水量。

在上海中心580米的高空塔冠区域，平均风速可达到8～10米/秒，非常适合风力发电。因此，工程师在上海中心的外幕墙上开了三个很大的开孔，安装高空风力发电系统。不同于“大风车”般传统发电机，屋顶的钢结构上布满的一个个“小圆筒”，就是270台“垂直轴涡轮”的风力发电机，总额定功率为135千瓦，每年可以为大厦提供1.19百万度的绿色电力，供屋顶、观光层中的设备使用。

上海中心围绕“节地、节能、节水、节材、室内环境质量和运营管理”等方面，采用了一系列绿色建筑适用技术。

上海中心的建设是一项超级工程，众多的科技创新手段支撑着这项不可能完成的挑战，成为世界上高层绿色建筑的标杆，也展示了中国人的建造能力和创新能力。

2020年4月，国家住房和城乡建设部、国家发展改革委发文指出，严格限制各地盲目规划建设超高层“摩天楼”，一般不得新建500米以上建筑。“限高”政策的出台，使得上海中心的天际线短期内恐怕很难被超越。

龚剑认为，高度并非我们追求的目标，未来新型绿色、智能建筑将会成为中国建筑业发展的新趋势，融合大数据、人工智能等高科技要素的数字化建造技术将会成为有力支撑，也将成为建筑业内的核心竞争力。

“世界科学”联合“赛先生”微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。

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