台风地震中，为啥摩天大楼反而比一般建筑更安全？

制作|网易新闻

作者是清华大学土木工程博士。

随着摩天大楼越建越高，今天，这座1200米的建筑已经不是什么新鲜事了。

大城市已经建造了500多米高的超高层建筑作为他们的标志性建筑。有些城市甚至有不止一座超高层建筑，而在香港这样一个狭窄而人口密集的城市，几乎所有的建筑都是超高层建筑。

超高层建筑就像筷子一样粘在地上，形成了现代人造的奇迹，同时也引起了人们的怀疑:

这座反重力建筑真的安全吗？即使平时是安全的，当有台风或地震时，他们还安全吗？

(在香港市中心，几乎所有能看到的地方都是超高层建筑)

你不会说有了现代建筑技术的支持，这些看似脆弱的摩天大楼甚至比普通建筑更安全。这到底是怎么回事？

(一)想在风中生活，首先要用力的材料

人类建造“高层建筑”已经有几千年了。

埃及的胡夫金字塔高146米，就高度而言，可以称之为“高层建筑”。但是，胡夫金字塔没有任何技术含量。它所用的只是一种原始的“混凝土”，不如现在最差的烧结粘土砖坚固，甚至可以单手除渣。

它之所以能直立一千年，是因为它的结构小而稳定，墓的空间也很小。体积的绝大部分是实心巨砖。胡夫的整个金字塔看起来巨大无比，但实际上内部的压力非常小。金字塔的自重被巨大的体积转移到地面上。

建筑构件不怕压力，他们害怕弯曲。放在建筑物里的砖在任何压力下都不能被压碎，但是如果用手取出来并分开，一个有很大力气的人可以把它分开，这反映了这个原则。

现代建筑通常在受压混凝土中嵌入抗拉钢筋，形成抗弯能力强的钢筋混凝土结构构件，作为梁使用时能承受很大的竖向压力。把它作为支柱可以抵抗非常强大的侧向力，这也被称为飓风和地震。

在超高层建筑中，不仅仅是钢筋混凝土。

首先，与普通建筑相比，超高层建筑具有很高等级的钢筋和混凝土，其强度通常可以达到普通钢筋和混凝土的两倍。

其次，高层建筑通常采用预应力构件，在混凝土中嵌入预张拉的钢套，提前对混凝土施加很大的压力。这样，原本只能抵抗压力的混凝土将变成既能抵抗压力又能抵抗张力的材料，坚固而坚韧，其抵抗外力的能力比普通构件高35%。

此外，钢管混凝土常用于高层建筑。它用混凝土填充钢管，在外钢管的约束下，混凝土的抗压能力得到充分发挥，承载力与纯钢柱一样高。

正是有了这些先进的材料和结构部件，高层建筑才有了基础。

(2)材料本身是不够的，高层建筑的结构形式也是不同的。

对于几层或十层以上的普通建筑，通常采用框架-剪力墙结构。他们的分工非常明确。框架用于承受竖向压力，剪力墙用于承受侧向地震力和风力。

然而，对于超高层建筑，长细比远高于普通建筑，自重比普通建筑高100倍，因此地震力和风力远远大于普通建筑。在许多情况下，这些侧向力比垂直压力对建筑物的危害更大。因此，不再可能采用普通建筑的简单结构形式。

与各地刚度基本一致的普通建筑不同，超高层建筑通常采用核心筒结构，外“软”内“硬”。

在建筑内部，有一根与建筑高度相同的核心管。它不是一个四周都被严格封闭的“管子”，而是一个有许多开口的结构，但是非常厚的墙，许多内部加固和非常高的强度。就压力而言，它就像整个建筑的骨架，支撑着整个建筑。

由于壁厚和开口小，这种结构通常用作电梯井。然而，附在外面的框架可以为人们提供一个大的整体空间来使用。

(核心筒位于正在建设的大楼中间)

当台风和地震等巨大侧向力来袭时，核心筒可以与周围的稀疏框架配合形成双重抗震防线。

(3)一个“球”被放置在建筑物的顶部。重量不会白白增加。

尽管采取了这些措施，建筑的安全不再是问题，但建筑中还有另一个问题，那就是使用的舒适性。

这座超高层建筑的建筑高度太高了，所以毫不夸张地说，只要下层摇晃一厘米，屋顶就会摇晃一米。如果你这样摇摆，大楼的安全性会很好，但是它不能满足人们的需求。

这座超高层建筑的高度太高了。从机械的角度来看，这座建筑实际上是一个非常柔软的东西。软意味着很容易形成共振。

当2011年东日本海的地震到达日本西部城市大阪时，地震的强度实际上非常低，许多走在街上的人甚至没有感觉到。然而，由于距离远，地层过滤掉了快速振动的短波，留下了缓慢振动的长波。这些长波的频率与大阪摩天大楼的频率一致。因此，地震把摩天大楼震得一塌糊涂。最后，虽然建筑物很好，但建筑物里的人都被吓死了。

因此，在建筑设计过程中，必须始终考虑固有振动频率的问题。通过调整建筑物各部分的刚度，一旦被风吹或被地震摇动，建筑物不可能不自觉地振动。

然而，这些措施能够改变的固有频率非常有限，仍然需要阻尼器来解决这个问题。

(台北101大楼顶部的阻尼器)

所谓的阻尼器通常是悬挂在建筑物屋顶上的一个大钢球。我们最熟悉的阻尼器是在台北101大楼屋顶上供人们参观的。

这些大钢球通常重达500多吨。它们是球，但事实上它们是巨大的金属块，由许多厚钢板焊接而成，近似球形。如果他们倒下，他们将从头到脚冷却整个建筑。但别担心，悬挂它们的钢丝强度极高，是普通钢的十倍。即使有几块碎了，剩下的也足够装下钢珠了。

当地震或台风来临时，建筑会不由自主地向一端摇晃，而大钢球会因惯性而留在原地。这样，它就能托住建筑，让它轻轻摇摆。这相当于对建筑物的振动施加很大的阻尼，由此产生了“阻尼器”这个名称。

一些建筑设计师觉得挂这么一个又重又没用的大钢球很可惜，所以他们用一个同等重量的消防水箱代替了这个大钢球。这个巨大的水箱平时可以用作风门，在特殊情况下可以用来灭火。它只是“藏在宝藏里”。阻尼器和水箱合二为一，大大降低了建筑的成本和自重。

(4)为了抗风，高层建筑的外观也很重要

建筑由内部结构构件承载，而外观设计更应考虑美观。是不是因为不能用肩膀或手支撑的外墙表面的形状与建筑的压力无关？不完全是。它们与风力的作用密切相关。

当强风吹动时，同一级别的强风作用在不同形状的建筑物上，作用在建筑物上的力是不同的。圆柱形建筑上的风力比正方形或不规则形状的要小得多。因此，虽然建筑师设计外墙是为了追求美，但他们不能遵循一般的建筑设计规则。

在多风的沿海城市，当建筑物正面出现尖角时，有必要考虑将它变成圆角。一个小的操作可以大大减少风对它的影响。

(5)随着地震的到来，建筑仍然有失去“棋子”和保护“汽车”的伎俩

尽管一切都已完成，但意外的重大灾难仍有可能发生。当远远超过设计极限的大地震到来时，如何在倒塌前及时疏散建筑物内的人员，最大限度地减少人员伤亡也是工程师需要研究的问题。

在建筑设计中，经常会出现一些“延性设计”，即在一些不太重要的位置使用一些强度低但变形能力强的构件。

当发生大地震时，这些部件会变形，并在变形过程中吸收大量地震能量，从而减弱地震对建筑物其他部分的损害，牺牲自身并保护整个建筑物。

地震发生后，虽然建筑物发生了很大的变形，但不会倒塌，建筑物内的人员可以迅速疏散。如果检查后发现尤里卡塔的主体结构没有损坏，在更换这些损坏的部件后，该建筑可以重新投入使用。

(高延展性混凝土)

结论

超高层建筑通常是城市的核心建筑。它们的成本比普通建筑高得多，安全是最重要的。了解了这些超高层建筑背后的故事，“摩天大楼恐惧症”是如何缓解的？下一个台风要来了，请像狗一样躲在里面。人比普通建筑更安全。