科学圆桌会|抗台风，专家揭秘高层建筑“镇楼神器”

　　受台风“白海豚”影响，上海风雨大作。高达632米的中国第一高楼——上海中心内置的“镇楼神器”，再次成为热点。

　　在刷屏的现场画面中，这个位于大厦125层到126层之间的千吨阻尼器，带动艺术雕塑“上海慧眼”，以巨大惯性势能反向将狂风中摆动的大楼不断“拉扯”回正。

　　作为同济大学研发团队成员之一，这几天我一直在密切关注着它的表现。热搜视频上的单边摆幅，虽然离2米多的单边极限尚有较大余量，但还是有很多人担心：极端天气越来越频发，超高层建筑如何确保安全？

　　这也是我们工程师正努力攻克的问题。从本土到全球，抗震减灾研究正用一项项“刚柔并济”的发明创造，为城市超高建筑的安全保驾护航。

　　这是上海中心大厦阻尼器上方的“上海慧眼”艺术雕塑（资料图片）。新华社记者方喆 摄

　　千吨巨摆“以动制动”的力学原理

　　很多人误以为阻尼器是一个靠质量压住大楼的“大秤砣”，其实它更像一个“大摆锤”。只不过平时微风天，阻尼器位移不到1毫米，肉眼很难察觉而已。

　　它的学名是“电涡流摆式调谐质量阻尼器”，核心原理是“以动制动”。

　　这套系统由12根长约25米的特种高强度钢索，将重达1000吨的质量块悬吊于大厦顶部。当强风推动大楼向一侧倾斜时，质量块凭借巨大惯性向反方向摆动，通过钢索产生反向拉力，直接抵消一部分风致振动。

　　关键在于，工程师通过精确测试与调节，将阻尼器的调谐周期与大楼的自振周期（约9秒）进行匹配，直到两个数值基本吻合，两者形成反相位共振，从而将大楼的振动幅度减小近一半。

　　根据单摆原理，摆动周期仅取决于摆长与重力加速度，与质量无关。由大楼约9秒的自振周期可推算，实现同频摆动所需的悬吊长度在21米至25米之间。工程实际采用了近25米钢索，以提供足够的安全冗余。

　　既然同频摆动与质量无关，为何阻尼器重达千吨？

　　这涉及惯性原理：质量越大，惯性越强，产生的反向拉力越显著。

　　该阻尼器早期方案为1200吨，结构工程与防灾减灾专家吕西林教授带领团队反复计算分析、开展动力试验，发现过度增加质量反而会加重结构负担。最终优化为1000吨，在减振效果与结构负荷之间取得平衡。

　　计算分析表明，该系统可将大楼峰值振动加速度降低45%以上，即使遭遇14级强风，楼内人员也基本感觉不到强烈晃动。

　　电涡流阻尼“黑科技”降本增效

　　巨型摆锤摆动后如何平稳衰减？答案藏在质量块底部的“黑科技”——全球首个应用于超高层建筑的摆式电涡流阻尼技术。

　　在阻尼器质量块的底部，安装有125块强力永磁体，正对着铺设在楼板上的铜板。当质量块相对楼体运动时，永磁体与铜板发生相对位移，铜板内部因电磁感应产生涡电流（电涡流）。涡电流形成与原运动方向相反的磁场，产生阻碍运动的阻尼力，同时将机械动能转化为电阻热能，最终耗散到空气中。

　　如此一来，结构的动能不断被吸收耗散，其振动也就慢慢衰减，就像荡秋千不停蹭到空气，越荡幅度越小。

　　这一过程无需液压油，几乎无需机械接触，几乎零磨损，系统响应速度仅0.01秒。

　　值得一提的是，下一代产品已经在路上。我们团队与上海材料研究所有限公司联合，为在建的480米“浦西第一高楼”——北外滩中心大厦，紧锣密鼓地研发“半主动控制阻尼器”。

　　新一代阻尼器能实时感知振动变化，自动调节阻尼，风大风小都能匹配最佳工作状态。更神奇的是一套特殊油膜机构，上百吨重的质量块，几个人徒手就能推动，就像玩“乐高”一样。让我们拭目以待！

　　超高层减震的多元技术体系

　　并非所有摩天大楼都需要安装此类阻尼器。一般而言，建筑高度超过100米即进入超高层范畴，但是否设置阻尼器，需通过理论分析、风洞试验与仿真计算综合决定。

　　且超高层减震技术也不止一种：台北101大楼采用悬挂式钢球阻尼器，靠660吨钢球摆动配合黏滞阻尼抵消风振；深圳平安金融中心采用主动调谐质量阻尼器，通过主动发力减小振动；不少建筑还采用调谐液体阻尼器，利用水箱内水体晃动减振，成本较低且可兼作消防水源。

　　上海中心大厦的抗风设计更是一套“组合拳”。除千吨阻尼器外，通过对大厦建筑造型的优化，确定了建筑外表皮旋转120°，平面尺寸沿竖向收缩到底部尺寸的55%的最优结构受力形式，并应用基于空气动力造型抗风技术，让塔楼整体风荷载相比同等高度建筑减小25%；柔性钢结构允许适度形变以缓冲外力；传感器系统实现实时监测，为阻尼系统提供现场数据。

　　从全球视野看，超高层减震技术已发展近百年。

　　日本东京晴空塔借鉴五重塔智慧的“芯柱减震”、美国波士顿约翰·汉考克大厦的数百吨调谐质量阻尼器……各国工程界不断探索创新。

　　我国也在该领域快速创新：广州塔利用水箱液体振动实现“以水镇楼”；重庆来福士以柔性减震方案，完成四塔连体的“空中牵手”……

　　同时，AI赋能智能防灾前景广阔，如基于大模型的结构动力响应智能预测系统，可实现高层建筑群动力响应的秒级计算分析，为防灾减灾提供智能决策支持，助力未来“韧性城市”建设。

　　高楼外，风声呼啸；大楼里，人员安稳如常。这背后，是工程科学以精妙力学制衡风雨湍流，以硬核科技守护城市安宁，让摩天楼宇向高生长、向稳而立，构筑起韧性十足的城市安全屏障。（作者系同济大学特聘教授、土木工程防灾减灾全国重点实验室常务副主任周颖）