摩天大楼屹立不倒的背后——风力

风对建筑的负面影响有三类。首先，如果地面上的建筑很轻，风会吹倒它，就像暴风之后倒在路边的锥形交通路标。其次，如果地面不够坚实，风会导致建筑移位或下沉，就像大风天里的帆船。

风的力量将船在水面上推移——对于划船来说自然是再好不过了。但你绝不希望建筑或者桥梁被风吹得在地面上平移。当然，土壤不像水一样有流动性，但土壤依然可以被压缩移动，因此工程师需要给建筑提供“锚”——即地基——使其不会移动。

第三类影响类似于在海面上起伏的小船。建筑像树一样，根据风力的强弱前后摇晃——这是正常的，也是安全的。但建筑不像树一样摇晃得那么厉害，通常很难察觉。塔楼的设计中，晃动的程度通常最大不超过高度的五百分之一，即一座500米高的塔楼晃动距离不会超过1米。如果晃动得太快，你可能会感到头晕。

防止建筑被吹倒的一个方法是使其足够重。过去的建筑一般相对比较低，又以砖、石建造，因此重量足够抵御风力的威胁。但建筑高度越高，所受的风力就越大。20世纪起，随着我们建造的建筑越来越高，越来越轻，风力逐渐成了必须重视的一种力。

（现代摩天大楼）

此外，对现代摩天大楼来说，仅靠自身的重力常常不足以使其屹立不倒。因此工程师必须使结构更为坚硬，以抵御风力。如果你见过狂风中的树木是如何被风吹弯，又了解过树是如何抵抗风力的话，你大概就能理解工程师让现代建筑在大风中屹立不倒的基本原理了。

正如树木的牢固来自深扎泥土的根系和十分柔韧的树干一样，建筑的稳定性通常也取决于由钢筋混凝土构成的核心筒（core）。

建筑的核心筒（图 2.14）——正如字面所指，通常在塔楼的中心部位——是正方形或长方形的一圈墙体，贯穿于塔楼整个垂直方向上，就像人体的脊柱。建筑的楼层与核心筒墙体相连。

我们通常注意不到核心筒墙体的存在，因为它们设计得很隐蔽，通常核心筒墙体内隐藏着如电梯、楼梯、通风管道、电线、水管等重要的服务设施（图 2.15）。

风作用于建筑时，力传导至核心筒并穿过它。建筑的核心筒是一个杠杆——像跳水板的结构一样，一端固定，另一端能自由移动。核心筒的设计需要有一定的韧性，让风力能够通过它传导到地基中，从而确保核心筒和整个建筑的稳定——就像根系帮助树木抵抗并分散风力一样。

钢或混凝土墙体每个部分所受的风力取决于风的方向。电脑模型中有风洞实验提供的24个方向上的风力值。风力产生压力或拉力，作用于钢核心筒框架的梁、柱和支柱或者混凝土核心筒的墙体。计算机会算出核心筒中每个部位在每个方向上所受的压力和拉力。接着我们采用压力和拉力的最大值设计每一块钢构件或混凝土墙体，根据受力不同改变钢构件的大小或混凝土墙的厚度。

这样核心筒在任何风向下都能保证建筑的稳定。检查其中一个部分在24个不同方向上的受力已经非常复杂，更不用说检查整个核心筒了。幸运的是，现在计算机的处理能力已经足以承担这些繁重的计算，这使工程师的工作更轻松了。

（风洞）

斜肋构架和核心筒不仅仅是为了防止建筑倾倒——它们还能防止建筑摇晃。看起来非常坚固的钢筋混凝土结构可以移动，这听起来似乎不可思议——但的确如此。摇晃本身并不是问题：问题是建筑摇晃的速度和时长。

经过多年的实验，我们已经能够确定晃动的加速度（测量物体速度改变快慢的量）多大时人类会有所感知。例如在飞机上，虽然飞机飞行速度很快，但在平稳飞行时你几乎感觉不到移动；但遇到气流时，速度会突然快速变化，这时你就会有感觉。

建筑也一样：它们会发生很大的移动，但只要加速度很小，你几乎不会有感觉。但如果加速度很大，即使建筑只移动了一点点，你也会感到头晕。

影响我们的不仅仅是加速度。建筑持续晃动的时长——即它来回摆动的时间——也会让我们感到不稳定。还是以跳水板为例：从跳板上起跳入水后，板子会一直振动，慢慢停下。厚度较大、一端固定得比较稳的板子振动幅度更小，恢复平静的时间也更短。薄而软、固定得比较松的板子则会产生较大的振幅，振动时间也更长。

设计高楼时，我必须确保大楼摇晃的加速度在人可以感知的范围之外，并且会很快停下来。设计结构时用来解决重力和风力的计算机模型同样也能帮助我解决这一问题。

我把材料、形状、梁、柱和核心筒的大小等数据输入系统，软件就会分析风力、材料的坚固程度和几何结构数据，最后计算出加速度的大小。如果比人感知的临界值要小，那么就不需要干预了，但如果加速度比临界值大，我就需要让结构更坚固。这可以通过增加核心筒混凝土墙体厚度，或加粗钢核心筒里的支柱达到。

塔楼越高、越细，晃动就越明显。有时加固结构也无法控制加速度大小和晃动时长，在这种情况下，即使建筑本身是安全的，在里面的人也会感到不安全。这时我们就需要用向相反方向摆动的调谐质量阻尼器（tuned mass damper）人为控制晃动程度。

（谐质量阻尼器）

每一个物体，包括建筑，都有自己的固有频率，即受到干扰时一秒钟振动的次数。歌剧演唱家能够震碎红酒杯也是由于玻璃有自己的固有频率，如果演唱的音高频率与玻璃的固有频率一样，歌声的能量就会让玻璃剧烈振动，最后破裂。同样，风（或地震）也能够使建筑以某一频率振动。如果建筑的固有频率与风或地震引起的振动频率一样，建筑就会振动得更加剧烈，从而被破坏。

这一现象（即物体在固有频率上的剧烈振动）就是“共振”。摆（本质是由绳索拴着的重物）会来回摆动。绳子的长度或锁链的坚固程度决定了摆在固定时间内摆动的次数。用摆来抵消摩天大楼自身的晃动，关键就在于（用计算机模型）计算出大楼的固有频率，然后在顶部装一个频率相似的摆。当风或地震作用于大楼时，楼会开始前后晃动，摆也会随之摆动——但是方向与大楼相反（图 2.18）。

你可以通过按住音叉的一头使其停止振动——同时也停止其发出声响。手指吸收了振动的能量。对于摇晃的大楼也是一样的原理。建筑就像是音叉，摆就像你的手指，吸收了大楼晃动的能量，使其晃动幅度越来越小。结构的晃动被阻抑（因此该装置叫作“阻尼器”），在里面的人就感受不到了。

（台北101大厦）

台北101大厦位于中国台湾台北市，高509米，2004年竣工时是世界第一高楼（图 2.19）。它独特的建筑美学，名不虚传：建筑灵感来源于中国的古塔和竹子，由八个梯形部分构成，让人联想起脊柱，形态自然，又像从地里节节长出的竹子一样——绿色的玻璃窗也增强了这一视觉想象。

101大厦另一个有名之处，是在92层和87层之间悬挂着的巨大钢球（图 2.20）。钢摆重 660吨，是世界上所有摩天大楼之中最重的。它还是著名的旅游景点（体积巨大、外形优雅、表面亮黄，像来自科幻电影里一样）。但它实际的作用是保护大厦，抵御城市可能遭受的台风和地震。建筑在暴风中摇晃，或者地震来临、地面震动时，摆就会启动，通过摆动吸收大厦晃动的能量。

（台北101大厦里的摆彩图）

2015年8月，台风苏迪罗席卷台湾岛，风速高达每小时170公里，但101大厦毫发无损。它的救星就是这个阻尼摆，当时摆动量达1米，是其摆动的最高纪录。

《建造》

结构工程师罗玛·阿格拉瓦尔从专业角度，带领我们解析建筑的成形过程。罗玛不逃避失败的案例，审视了多个建筑事故悲剧，反复强调工程师从灾难中学习的重要性。书中还收录了罗玛的手绘说明图。