高楼摇晃难道是“涡旋脱落”？摩天大厦顶部800吨“定海神针”了解一下
红星新闻
深圳赛格大厦18日突然出现晃动，引发诸多关注。当地媒体援引市应急管理局通报称，当日深圳并未发生地震。赛格大厦摇晃原因相关部门正在核查。
对此，中科建工有限公司华南大区总工程师陆建新在接受深圳卫视采访时分析称，排除地震因素后，比较大的可能是因为刮风引发大楼产生共振，情况类似去年虎门大桥发生晃动的情况。陆建新还补充说，赛格是目前世界上最高的钢管混凝土结构大厦，对于这次发生的情况，后期需要做详细的分析和检查。
事实上，除了赛格大厦外，媒体也报道过世界摩天大楼发生过的类似情况。据美国《商业内幕》报道称，位于美国纽约的400多米高楼“公园大道432号”早期测试显示非常容易受风的影响，会发生严重的“涡旋脱落”现象，即在风速很小的情况下，也能导致的建筑结构共振。
↑深圳赛格大厦晃动瞬间。图据网络
全球所有的摩天大楼都会晃动，美国《纽约时报》曾对此报道称，大多数建筑摇晃的程度非常轻微，人们不易察觉而已。为了抵抗风力带来的冲击，以及减缓人们的不适感，建筑设计者们想了不少办法以保证高楼大厦的安全。
楼越高越细 顶部就越容易摇晃幅度可达1.5米
《纽约时报》曾报道称，由于科技的发展、土地资源的稀缺，近年来地产开发商们更倾向于打造越来越高、越来越细长的摩天大楼。但这样导致的一个后果就是：楼越高越细，顶部就越容易发生摇晃。
↑阿联酋迪拜摩天大楼林立。图据《卫报》
据总部位于加拿大的国际知名风工程咨询公司RWDI的工程师们介绍，在正常的微风天气里，1000英尺（约合304米）高的大厦都可能会晃动几英寸。当遇到风速达到50英里每小时（约合80公里/时），大楼的晃动幅度会达到半英尺（约合0.15米）。如果特别罕见的情况下，比如50年一遇、风速达到100英里每小时的风可能会让大楼晃动2英尺（约合0.6米）。
据公开资料显示，赛格大厦高355.8米，总建筑层79层，地上75层，地下4层，总建筑面积达17万平方米。
美国纽约的“公园大道432号”高425.5米，曾被称为世界上最高的单功能住宅楼。据美国知名科技网站Gizmodo报道，住在这么高的公寓里，永远都有一种想吐的感觉。正如人们从楼层顶部拍摄到的视频显示一样，这个十分细长的摩天大楼晃动幅度大约有4-5英尺（约合1.2米-1.5米）。即便是在天气好的情况下，大楼顶部也会有这么大的晃动幅度。
↑“世界第一高楼”哈利法塔。图据视觉中国
其他摩天大楼也有类似情况，比如“世界第一高楼”哈利法塔。其高度为828米，几乎是“公园大道432号”的两倍，晃动幅度为5英尺（约合1.5米）；世界贸易中心一号楼高度为541米，晃动幅度为3英尺（约合0.9米）。相比之下，在1974年至1998年享有世界最高大厦称号的西尔斯大厦，晃动幅度要小得多。该大厦现在被称之为威利斯大厦，高442.3米。据杜邦公司的数据，其平均摇晃幅度为6英寸（约合0.15米），强风下会达到12英寸（约合0.3米）。
“涡旋脱落”——风速很低也会导致建筑结构共振
摩天大楼采用了不同的设计来保证它们的安全、增强防风防震。据美国媒体Science World报道，位于迪拜的哈利法塔共使用了50万吨的钢筋和混凝土。由于本身质量巨大，加上向下的巨大重力，给下层结构施加了难以置信的压力。为增加承重能力，建筑师们将哈利法塔建在了一个巨大的地基上。他们还给建筑的地基设计了翼型形状，排成巨大的Y字形，三个翅膀连接到中间的核心上。这种设计可以减轻建筑中心的重量，而且也能帮其抵抗100公里每小时的强风。
↑纽约的“公园大道432号”每隔12层设置一些空楼层，以减少共振。图据新华社
纽约的“公园大道423号”因为本身细长，特别容易受到风的影响。据《商业内幕》网站报道称，国际工程咨询公司WSP的工程师们说，早期的测试发现，该大楼结构会发生严重的“涡旋脱落”（vortex shedding，力学名词）现象，即风会导致建筑结构共振——即便风速很低也会发生这种情况。
虽然这样的晃动不会带来安全隐患，而且往往不会被人察觉，但它还是会导致人们头晕。参与修建设计该建筑的RWDI风力工程小组负责人称，“设计者们想要这样的形状，所以我们必须找出解决方案。”
其中一个解决办法是每隔12层就设置通风层，这几个楼层是空的，可让风直接穿过。这就减少了风荷载，也避免建筑物摇晃得太厉害。
第二种解决办法就是在楼层顶部安装两个重达数百吨的调谐质量阻尼器。这些装置可以减少建筑机构的共振，就像一个巨大的钟摆一样，它们被悬挂起来可以轻轻摆动。
高层防风减震神器——阻尼器 但并非建筑规范
如今，在大厦顶部安装巨大的平衡物或阻尼系统（TMD），是不少建筑开发商的选择之一。
↑有“世界上最瘦的摩天大楼”之称的曼哈顿西57街111号超高层大楼，顶部附近安装了阻尼器。图据《纽约时报》
↑曼哈顿西57街111号安装的阻尼器工作原理示意图：重达800吨，当风推动高楼时阻尼器朝相同方向运动，但晃动幅度更小。图据《纽约时报》
《纽约时报》报道称，阻尼系统中有一种叫做调谐质量阻尼器，正如“公园大道423号”使用的一样。它是由钢铁或混凝土制成，重量从300吨至800吨不等，通常和其他机械装备一起被安装在建筑楼顶。它会占据大约1000平方英尺的空间，大约是占两层楼高。通过一个由活塞和弹簧支架构成的系统连接到建筑墙壁上，阻尼器就像一个巨大的减震器，每当大风来袭时，就把建筑拉回原来的位置。
还有一种阻尼器，被称为“晃动减震器”或“晃动水箱”，它使用成吨的水而不是钢来增加建筑物顶部的重量。
↑台北101大厦安装的阻尼器。图据theconstructor.org
“这是一种比较隐蔽的做法，有点不可思议。”斯蒂芬·德西蒙是一家专门从事高层建筑设计公司的创建者。他说，他的公司就在使用质量阻尼器帮助减少高层建筑的晃动，包括纽约曼哈顿780英尺高的50 West公寓，以及710英尺（约合237米）高的东53街100号建筑。“一般人们都不知道有阻尼器在为大楼保驾护航。”
据悉，纽约市的建筑规范并没有要求使用阻尼系统，这种设备与建筑的完整性没有任何关系。“纯粹是为了舒适，”国际工程咨询公司WSP的建筑结构主管西尔维安·马库斯(Silvian Marcus)说道。
“没有阻尼器的话，建筑结构是否依然良好？答案是肯定的，”美国JDS开发集团的主管西蒙·科斯特说道，“所有的建筑都会晃动，阻尼器是为了居住者的舒适度而设计的。”而不少工程师们指出，重点不在于建筑是否会位移，而是当风起时建筑摇晃的加速和减速。
↑阿联酋迪拜帆船酒店阻尼器安装位置。图据theconstructor.org
对此，纽约知名工程公司的高级主管伊利·戈特利布打了个比方，“当你坐在一辆速度为60英里每小时的车里，你并不会有什么感觉。但每当这辆车加速或者减速的时候，你就能觉察到身体的晃动了。”
设计师为防风绞尽脑汁 再完善的设计仍可能出错
建筑公司会对摩天大楼进行了各种各样的测试，以确保它们在任何天气条件下都能表现良好。建筑模型会被放置于风洞机器中，以模拟建筑在受到极端风力下的情形。根据测试结果，建筑师们将对设计进行调整，比如使用更厚的墙体和柱子来支持建筑。
例如，有着“世界上最瘦的摩天大楼”之称的曼哈顿西57街111号超高层大楼，其东西立面上的赤陶板和青铜格栅的设计，在一定程度上正是为了减少建筑的风荷载。
↑阿联酋迪拜双子塔阻尼器安装位置。图据theconstructor.org
据Science World报道，如今全球有许多摩天大楼都超过了300米的高度。建筑师和工程师们必须将所有可能情况都考虑在内，以避免大楼倒塌的风险。他们设计建造的建筑必须能够抵挡得住一切，包括向下的重力，以及从各个角度吹来的强风。
然而，即使建筑师尝试考虑所有可能的情况，事情仍然可能出错。其中一个例子是位于纽约的一座摩天大楼——279米(915英尺)高的花旗中心。在建筑完工一年后，一位建筑专业的学生发现，如果有45度角吹来的强风袭击它，这座大楼可能会倒塌。这位女学生立即打电话给这座建筑的设计师，提醒他注意这个缺陷。
据悉，这座大楼在设计时使用了一个支撑系统，或斜向钢结构，为整栋建筑提供额外的支撑力量。但事情有点不对劲，这些支架是用螺栓固定而不是焊接在一起的，这就导致它们比预期的效果弱了许多。为了纠正错误，建筑师让工人们重新把它们焊接在一起，这座建筑才得以被“救”了下来。
红星新闻记者王雅林
编辑 张寻
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