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摩天大楼的防风

  2012年6月,远大集团计划在长沙建造一座838米的摩天大楼——天空城市,广受人们关注,其比现有的世界最高建筑——迪拜哈利法塔还要高10米。此外,北京的中国尊大厦(550米)以及苏州的东方之门大厦(302米,即网友戏称的“秋裤大楼”)等也备受瞩目。近年来,中国各地摩天大楼的建设犹如赛跑,发展速度十分惊人。由“摩天城市网”发布的《2012摩天城市报告》显示,目前中国在建摩天大楼有332座,另有516座已经完成土地拍卖、设计招标或已奠基。未来10年内,中国将以1318座的摩天大楼总数傲视全球。   

  “危楼高百尺,手可摘星辰”,中国古人的梦想,在当今社会变成了现实。摩天大楼是现代文明的标志,是科技高度发展的象征,也是商业社会的产物。摩天大楼以其独特的建筑造型和文化韵味,给城市带来了经济效益,受到不少大城市的青睐,同时也带来了很多安全隐患,比如防火,防风,防雷,防震,防恐等。本文将谈谈摩天大楼防风方面的问题。   

  风会对摩天大楼产生各种影响,遇到较强的风时摩天大楼顶部会发生摇摆,影响楼内人员舒适性。同时,摩天大楼会增加周围的街道和普通建筑物的风荷载,使附近地面及楼道内产生大风,给地面行人、车辆和其他建筑造成不利影响。另外,摩天大楼周围的风可脉动形成漩涡,与大楼产生摩擦,发出很大摩擦声音,进而形成风噪音污染。防止风产生的摇摆   

  摩天大楼的立面会受到风荷载(即风对工程结构所产生的压力)的作用,随着高度的增加,风荷载不断增大,摩天大楼的横向振幅也随之增大,这与长竹竿遇风一吹会摇摆道理相同。距地面越高,风所受阻力越小,风速会越大,摇摆就会越明显。当地面风速为10米/秒时,高空100米处风速可达22米/秒。一般地,距地面每高50米,风速平均增加1倍,这可通过气象方程式计算出来。据了解,几乎所有摩天大楼都会随风摇摆,纽约世贸中心(411米,在美国“9·11”事件中已倒塌)在刮风季节通常摇晃偏离中心0.15米~0.3米,在强飓风作用下,位移可达0.9米;芝加哥西尔斯大厦(443米)在大风情况下可偏离中心1.8米。   

  摩天大楼的抗风问题要求很高,它在风中既不能不晃(否则容易折断),也不能摆动幅度过大;既要考虑到结构所能承受的最大摆动力度,更要考虑人在大楼里生活的舒适度,防止摇摆时人员产生眩晕、呕吐,同时还要防范电梯的钢索是否会互相纠缠。迄今为止,几乎所有摩天大楼都被用做办公,很少有人选择强风下摇动的大楼作为住宅。此外,一些摩天大楼的部分表面因承受的风荷过大,大楼的玻璃幕墙会出现“雪崩”般的爆裂。这些玻璃幕墙碎片从高空掉落时,对于摩天大楼周围地面处的人们而言,非常危险。   

  为了解决大风引起的摇摆问题,有的摩天大楼会安装“风阻尼器”,如台北的101大厦,有世界最大且最重的“风阻尼器”——在88至92楼挂置一个重达660吨、直径5.5米的巨大钢球,像一颗秤锤稳镇中心,抵消或减缓风力所产生的摆动幅度。上海的环球金融中心(492米)在90楼(约395米)设置了两台风阻尼器,使用感应器测出大楼遇风的摇晃程度,通过计算机控制阻尼器移动的方向,减少大楼由于强风而引起的摇晃。另外提高大楼材料性能,发展高强、轻质、有韧性、多功能的建材,也是有效抗风、延长大楼使用寿命的重要方法。此外,摩天大楼设计者会在楼内设计特定装饰,抑制或减小大楼摇晃所引起的不舒服感。   

  摩天大楼的外形是否合理对于防风效果也有重要影响。大楼外部建成平状、圆状,还是尖状、锯齿状,这个很有讲究,事先的设计方案一定要适应当地风压环境,趋利避害,这样才能延长大楼的使用寿命,并提高楼内人员的舒适度。2007年,一位墨西哥建筑师设计了一座环状摩天大楼,环状大楼不规则的扭曲结构可以对抗大风(如飓风)的正面冲击,大楼的“大圆孔”可以让大风顺利通过,大大缓解了大风对大楼的压力。   

  另外,中国与加拿大合作的国内第一家“建筑风工程仿真技术研究中心”于2004年在上海成立,该中心通过仿真技术告知风从哪里来,测出不同摩天大楼将承受的最大风速,找出应该采取哪些措施保证大楼的防风安全,从而为摩天大楼营造适宜的“风环境”。   

  防止对地面产生强风   

  摩天大楼通常会给其周围的街道和普通建筑物带来风荷载的变化。由于摩天大楼体型高大,风力又不能透过大楼,必然会绕过大楼在它的周围形成较强的气流,因此摩天大楼将使周围的道路及低层建筑物所受风荷载加大,形成所谓的“高楼峡谷风”。这种“高楼峡谷风”使得大楼拐角处形成旋风,行人在经过大楼时会受到强风的冲击,也使得街道上某些地方的风速特别大,以致影响到路人和行车的安全。此外,摩天大楼还会将高空风引至地面,造成摩天大楼附近局地强风,对人们的生活形成威胁。

  

  不少专家已发出警告,在高楼密集的大城市,城区风灾已成为威胁安全的“隐形杀手”,有些地方摩天大楼聚集形成的楼群风杀伤力甚至超过台风“麦莎”。在北京市200米高的摩天大楼——京广中心附近就出现过大风中行人行走困难、被风吹倒等现象。国外的纽约、波士顿、多伦多等大城市都发生过摩天大楼附近行人被大风吹倒、摔伤、骨折的事故,并发生多起民事诉讼。因此,国外的许多城市都制定了高楼风环境评估的法规。目前,国内外已对这方面进行了研究,在建造摩天大楼之前,首先作出所在地周围的建筑物与街道的模型,根据当地的气象观测资料,模拟自然风力和风向进行试验,考察即将建造的摩天大楼对原有街区所造成的风向、风速的影响以及摩天大楼自身受风力情况,利用所得数据为摩天大楼的设计提供参考,尽量降低对原有街区行人和建筑物产生的影响。   

  防止风产生的噪音   

  摩天大楼会产生风噪音,当地面徐徐轻风时,几十米高的大楼里却能听到呼啸风声。有人曾试验,地面风力3级左右,摩天大楼26层一扇半开的窗口,扑面吹来的却是6级左右的大风。气象台预报的是4级风,在办公室内听到的却是呼呼作响的6级左右大风。楼内工作人员抱怨“大白天,听起来像鬼哭狼嚎,吵得人中午都没法休息”,他们甚至怀疑气象台是不是报错了。长时间生活在凄厉风声环境里的人,其情绪会受到干扰,如经常听到奇怪的大风会不自觉产生联想,继而引起心理紧张、血压升高等不良反应。   

  为什么摩天大楼内风声这么大呢?一方面摩天大楼很高风速很大,风声自然会大;另一方面主要与摩天大楼表面“风振效应”有关。简单地说,就是摩天大楼周围的风可脉动形成旋涡,与大楼产生摩擦,风力越大,摩擦声也就越大。大楼产生的风噪声,与人们吹空啤酒瓶的道理相同。吹空啤酒瓶时,扰乱了瓶口边沿空气的正常流动,这就在瓶颈处制造了一个个气体旋涡,从而发出噪音。而摩天大楼的设计、外部环境就起到了上面瓶口的作用,如室外窗户、格栅、围栏等都可能成为大楼“吹口哨”的瓶口,为风噪声的产生提供了“温床”。摩天大楼的风噪音污染问题有待进一步研究解决。   

  摩天大楼改变了城市的风景线,给城市增添了现代化的亮丽光彩,给人们的工作和生活提供了全新的空间,也促进了科技的发展。与此同时,摩天大楼的实用性存在一些不足,对城市环境造成了一些消极影响,给城市居民的生存安全带来了新的挑战。但是既然我们选择建造摩天大楼,我们就要找到应对它的“软肋”的方式。我们要发挥人类的智慧和创造力,重视摩天大楼的防风,从各个方面进行规划、设计、经验总结和科研工作,减少摩天大楼遇风产生的摇摆、噪音,以及对地面行人和其他建筑产生的影响,增强摩天大楼的舒适性,促进摩天大楼健康发展。同时,我们也应充分利用大楼顶部的大风,有关专家目前正在研究利用摩天大楼顶部大风发电为人类造福。

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