目前已建成排名前10名的世界高楼是:迪拜的哈利法塔,高828米;中国上海中心大厦,高632米;麦加皇家钟塔酒店,高601米;中国天津高银金融117大厦,高596.6米;韩国乐天世界大厦,高555米;美国纽约世贸中心一号楼,高541.3米;中国广州东塔(周大福金融中心),高530米;中国天津周大福金融中心,高530米;中国北京中信大厦,高528米;中国台北101大楼,高508米。
从上面的排行中,可以看出中国这些年突飞猛进的进步和发展,10大顶尖高楼中,就有6幢树立在中国。其中“周大福”就占有两幢,值得注意,但不在此文讨论之中。
当然这仅仅是目前已经建成的高楼排行,在不久的将来,就有许多新的高楼耸立起来,座次就会重新排定。
根据掌握的一些信息,未来的世界第一高楼依然是在迪拜,正在建造的万国大厦将达到1600米!届时哈利法塔只能屈尊第二了;而我国苏州的中南中心,将会以729米的身高位列第三;中国武汉绿地中心以636米的高度位列第四,上海中心只能屈居第五了;天津高银117大厦会以621米的高度位列第六。
在前六中,中国就占了四个。中国在不久的将来会建造世界最高楼吗?有可能,但尚没有准确消息,就不瞎扯了。其实有一幢高楼虽然现在没有排上号,但不得不谈,这就是美国纽约的帝国大厦。这幢大楼建成于1931年,至今已有88岁大寿了,曾经占据世界第一高楼的位置数十年,现在依然是纽约的地标建筑之一。
到过高楼的朋友都知道,其实这些看起来巍然屹立的大楼,并不是巍然不动的,而是越高摇晃得越厉害,它们随风摆柳,时刻都在摇曳着曼妙的舞姿。这些高楼为什么不能任凭风吹浪打,我自巍然不动呢?其实这是人们故意所为,只有这样,才更安全。
因为正是这些曼妙的舞姿,才能够舒缓高层强劲风力给高层的压力。就像我们打太极,四两拨千斤,摇摇晃晃中化解了风险。
如果真的做一幢宁折不弯的高楼,反而会被吹折。座高楼可不能宁为玉碎,不为瓦全。
因为在高空中,风力是很强劲的,高楼在风阻中受到的力很大,就会倾斜,而刚性太强,宁折不弯,只会承受越来越大的压力,最终只能以“折”来化解压力。随风摆柳,摇摇曳曳,反而释放缓解了压力,从而“不折”。
这个道理也告诉我们,人生旅途,在遇到一些过不去的坎时,也可以迂回一下,退一步海阔天空,与高楼在风中摇曳一样的道理。
所以在设计超高层建筑时,必须考虑高楼的摇摆系数。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》3.7.3条规定,高度不大于150米的建筑,根据结构不同,顶部位移限制在1/550~1000,高度不小于250米的建筑,位移应限制在1/500以内。
高楼在这个范围内的摇摆,称为安全摇摆。
为了确保高楼的安全,超出国家规范限制300米以上高度的大楼,需要特殊设计和专业审查,论证审批程序十分严格。
一般超高楼每栋都有独特的设计,所允许的晃动幅度也不同。
为了解决高楼晃动的安全问题,在材料和设计上需要作出非常专业的选择,比如比如选用延展性较好的优质钢材、幕墙结构保留适当缝隙等。
优质的材料和设计,能够保证超高楼在风中摇曳而结构稳定,不会出现断裂和破碎的现象,而且设计上还要保留相应的系数。如《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001中规定,一般建筑结构的安全系数为1.5,对于超高层建筑要求有更大的系数保障。
简单的说就是本来只需要承受100的压力,设计就要达到可以承受150的压力或更高。如果设计可以抵御12级台风,实际上就能够承受18级超级台风。
当然,大楼摇曳是必然的,但是幅度还是要控制的。如果不加控制任其在风中自由摇摆,幅度过大,或引起共振,大楼就会毁于一旦。现在世界各地控制大楼摇摆幅度最常见采用的是阻尼器。这个阻尼器就是超高层大楼的“定风丹”。
看过西游记的都知道,唐憎师徒西天取经途经火焰山,必须用芭蕉扇才能扇灭火焰山之火才能过去,而芭蕉扇在牛魔王的老婆铁扇公主手中,孙悟空软硬兼施的想借芭蕉扇一用,却被铁扇公主用芭蕉扇一扇就扇飞了十万八千里。
孙悟空到了须弥山,菩萨给了他一粒“定风丹”,他回去,铁扇公主就再也扇他不动了。
现在高楼的这个应对风压的阻尼器就是高楼的“定风丹”。
这个“定风丹”,说穿了就是一个很重很重的“秤砣”,规范的叫法是“质量块”,它被用复杂的技术吊在楼的高层中间,下部与一套复杂的阻尼系统相连。
当大楼遭到风的袭击产生晃动时,这个“秤砣”就像一个钟摆,随着大楼晃动也晃动,但晃动幅度比大楼幅度要小,而且会产生延滞效应,这样就会产生一种反向摆动。
在“定风丹”的拉扯作用下,大楼的摆动幅度就大大减小了。科学的解释就是大风作用在高楼上的机械能,通过阻尼系统,转化为热能消散了。
我们上海中心大厦的“定风丹”叫“电涡流摆设式调谐质量阻尼器”,重达1000吨,是目前世界上最重的一个阻尼器,也是一项创新技术成果。根据上海中心大厦施工方提供的数据,这种阻尼器可以降低风致峰值加速度,降幅可达43%以上,能够令大厦内90%的空间保持较大的舒适度。
还有一个阻尼器也是比较著名的,就是台北的101大厦,这幢大楼的阻尼器曾经为世界最重,现在已经被上海中心大厦打破了。
101大厦的调谐质块阻尼器重达680吨,外观为金色球体,吊在这幢101层大楼的第92层,是全球唯一一个外露式大楼阻尼器,供各地游客参观。其实,高楼的稳定阻尼器系统,根据楼体形状功能的不同,以及着落地方不同,可以采用因地制宜不同的设计。
如在10大高楼排行榜中名不见经传的广州塔,这座俗称“小蛮腰”的建筑实际高度达到了600米,本来应该位列第四,但这个建筑更多的是塔式结构,因此一般没有把它列入高楼排名。
这幢高楼坐落台风频繁的广州,如果采用上海中心或台北101大厦的质量块方案,就不适用。由此在设计时加入了中国首创的主被动复合调谐减震控制系统,用顶楼的两个可移动巨型水箱来稳定楼体,这两个水槽装水20万升,遇到台风时反方向移动,既能起到稳定楼体作用,还能充当高楼灭火水箱功能。
但世界第一高楼,迪拜的“哈利法塔”(原名迪拜塔)却没有设立阻尼器。这座高楼高828米,楼层总数162层,在风中最大摆动幅度为3米多。
“哈利法塔”之所以没有采用阻尼器,是因为这座楼的形状和设计有极好的抗风性能。
首先这座称之为“塔”的超高楼采用了三角形设计,在遭受强风袭击时,三角造型会分散开风力;从地面到塔顶面积的递减,底部宽大增强了基础抗力,而越到顶部受风面越小,高层压力是渐渐减轻状态。
这座塔的地基也做得十分坚固,钢筋混凝土浇筑了30米深,桩深70米,达到二十多层楼深。
即便如此,在大楼上还是做了很多重要的防风防震措施,如在大楼中心有一个六边形的核心筒,可以抗剪抗弯抗扭;外形三瓣花形状,又叫剪刀墙,风吹过在后面会形成涡流,减弱风的影响。
其实上海中心大厦即便做了阻尼器系统,在设计上还是采取了很多措施,才能够减轻大楼的摇摆,增强抵御风能的能力。如在外形设计上,采用了扭曲的“DNA”形象,这种“风环绕建筑”在遇到大风时,会形成旋涡陀螺效应,从而导致大楼摇晃,缓解风力能量,将大风侧力减少24%;为了保证低级的稳定,在打地基前,先打了深达86米的基桩980个,浇筑了6万立方米混凝土,形成6米厚的基础底板,是这幢大楼虽然选址在冲积层,但却是全上海最安全的建筑。
现代大楼为了安全,在设计结构和材料选用上也是非常重要的,比如幕墙就是一个很重要的选择。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》指出,150米以上的高层建筑宜采用各类建筑幕墙。这就说明在高层建筑,外层结构应该优先选用幕墙,而不是实体结构。
其实我们现在置身大都市,在高耸云天的林立大厦中穿梭,随便四顾,映入眼帘的都是各式各样的幕墙,其中更多的是玻璃幕墙,我们想过这是什么原因吗?
一些人很可能会认为这是现在的一种时尚,跟风呗。其实并非如此。
现代超高层建筑几乎千篇一律的采用幕墙包围,最主要的原因是出于安全和经济角度考虑,而重中之重的还是安全考量。
有人会说,这些幕墙既薄又脆,怎么会有填充墙安全?会比水泥砖块更牢固呢?
其实这种认识是错误的,幕墙的安全性在于它三个主要特点:其一,幕墙是由面板和支承结构组成的完整结构系统,有独立的受力能力;其二,自身平面内可以承受较大的变形,相对于主体结构有足够的位移能力;其三,不分担主体结构所受的荷载及其围护结构以外的冲击。
这样幕墙就有强大的抗风、抗压、抗震能力。
中国建筑科学研究院结构所曾经做过各种类型建筑幕墙振动台实验,结果表明,即使振动台输入加速度达到0.9g时,结构位移达到1/60,相当10度大震,幕墙依然没有损坏。而填充墙在1/1000位移时就会开裂,1/300位移时就会被破坏,如果发生地震,小震就会破坏,中震就会毁损。
这是因为实体填充墙资深平面内变形能力差,与主体结构结合紧密,无法实现相对位移,一有风吹草动,就会与主体一起振动,导致破坏。
而建筑幕墙板围宽缝合特别的连接结构,是它可以耐受100分之一甚至60分之一的位移,这种抗楼体变形能力非常惊人。
所以高楼在大风中摇曳,外围的幕墙丝毫无损,甚至在很多大地震中,高楼的幕墙也完好无损。而且也只有现代采用的幕墙,才能够保证高耸入云的大厦,在地震强烈的摆动中,不会倒塌坠落,避免了造成更大的伤亡事故。
幕墙当然不全部是玻璃,还有铝板、石板,以至陶瓷板和其它板材。但现代高楼的幕墙还是以玻璃为多,因为玻璃的透光性和美观是无与伦比的。有利有弊,从不利一面来说,玻璃幕墙给城市造成了巨大的光污染,如何克服这个问题,是建筑设计师们一直在设法解决的课题,这里不讨论。
幕墙还很够节约建设资金,这里也不讨论。
这就是世界最高楼能够保证安全的主要原因。
现代高楼的安全性还有很多方面,比如在考虑消防、逃生都需要严格考量。时空通讯相信随着人类科学技术文明的不断提升,楼房建设将会越来越大越来越高,越来越现代越来越安全。
就是这样,欢迎讨论。
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