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摩天大楼应该如何设计和建造?

随着经济水平的不断提升,人们对建筑艺术也有了更高的要求,高楼林立变成了大城市的标志。自 2001 年 9 月 11 日双子塔遇袭以来,世界各地的高层建筑建设步伐加快,各个城市争相兴建摩天大楼这类标志性建筑。那么该如何设计建造这样一座摩天大楼呢?

摩天大楼应该如何设计和建造?

1、克服自重

第一个要克服的问题是“自重”,即无论建筑的设计如何,下层都必须能够支撑上层的重量。


由于这个原则,高层建筑物长期以来遵循着“金字塔”式的设计,即越靠近顶部的楼层越轻越小。当然,我们不可能在城市里建造个金字塔。


值得庆幸的是,我们现在可以使用防水聚合物和钢纤维加固的混凝土来建造大楼,而不是石头。这样建筑物就可以支撑自身重量,而不必将建筑物的造型设计成金字塔形。


除了能够支撑建筑物的重量外,地面还需要能够支撑建筑物。否则最终会像比萨斜塔一样倾斜。


2、抵御强风

第二个问题是“风载”。为了让摩天大楼能够直立,它不仅需要支撑自身重量,还要能够抵御强风。地面上感觉到的微风到了 300 米的高度,风速能达到数十米每秒。风的作用可使摩天大楼每平方米承受 8 公斤的力。这相当于保龄球的动能。


更严重的是,风绕过摩天大楼时,会在大楼后方形成不对称的漩涡,称为卡门涡街。漩涡从大楼两侧交替脱落时,会作用于大楼一个交变的周期激励,引起大楼的周期性振动。当流体流速达到某一程度,激励频率与大楼固有频率一致时,将引发共振。此种情况下,大楼的晃动幅度会越来越大,直至倒塌。


减少摩天大楼的摇摆和振动的方法有很多。首先,可以在设计大楼外形时纳入空气动力学的考虑。例如上海中心大厦利用不对称形体、锥形建筑轮廓和圆角设计使建筑风荷载减少了近 1/4。即使如此,如果受到强风的影响,高层建筑还是会不可避免地会晃动。


为此,许多高层建筑都有称为“调谐质量阻尼器”的配重。当风震动建筑物时,调谐质量阻尼器像钟摆一样晃动以吸收建筑物的动能。并由球体和建筑物之间的液压缸将动能转化为热能并释放出来,从而保持建筑物的稳定性。


3、快速通行

最后一个问题是如何在建筑物的不同楼层间快速通行。普通电梯的速度可高达 22 公里/小时。由于技术进步,现在的高速电梯速度越来越快。未来,采用无摩擦磁轨将实现时速70公里的电梯。此外,还可以通过优化电梯的调度算法,以实现最佳运行状态,可以大大减少乘客的等待时间。


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