随着人口数量的增加和建筑用地的减少,为了安置更多的人,人们倾向于建造更多的摩天大楼。但是,住在摩天大楼里不可避免成天遭遇“晕楼”的困扰:脚下摇摆不定、耳里噪声不绝,住在这样的房子里实在不是什么舒服的体验。摩天大楼为何如此“不稳”,我们该如何解决这些问题呢
楼越高越晃吗
我们都知道,越高的物体也就越容易倒。在物理学概念里,重心是一个均质物体的几何中心,如果该物体并非是均质的,则重心的位置与其形状、质量分布有着很大的关系,假设宽度不变的情况下,通常来说物体越高,重心也会越高,相应的稳度也就越小。
因此,大楼越高,暴露在空中的结构越多,就越容易发生晃动。事实上全球所有的摩天大楼都会晃动,根据一家加拿大工程公司的统计结果,在正常的微风天气里,300米高的大楼的晃动幅度约几厘米,当风速达到80千米/时的情况下,大楼的晃动幅度会达到十几厘米,如果遇到风速达到160千米/时的大风,大楼的晃动幅度可能会达到60厘米。
为了提高稳度,在建造摩天大楼时,人们需要遵循一些准则。比如,建筑结构要上小下大,建筑自重通过庞大的地基传给地面;在大楼的内部建造“核心筒”,这是一个厚墙体、多配筋的结构,就像是骨骼一样,撑起整座大楼等。
但是,即便如此,摩天大楼还是不太保险,因为它随时可能遭遇共振带来的危险。共振现象是指一个物理系统遇到与自身相同或整数倍频率的自然振动时,会从中吸收更多能量的现象。本来,摩天大楼的自身结构能够抵挡强风的力量,不会发生重心不稳而摇晃的现象,但如果遇到共振就会发生剧烈摇晃。
2021年5月,高达355.8米的深圳赛格大厦发生了剧烈的晃动,当时并没有地震或者台风,但是这栋大厦却出现了十几秒的摇晃,甚至能明显看见楼体摆动的幅度。事后,工程师们推测,赛格大厦可能是遇上了频率一致的大风发生了共振现象。
除了容易晃,高楼还可能遇上噪声大的问题。一般认为,大楼越高,声音越小,但实际上,这种说法并不太准确。研究表明,从5楼开始,噪音分贝会随着楼层增高而变大,当楼层达到一定高度时,噪音又会下降,大致上,11层到25层噪音最大,25层以上则较为安静。
马路噪声很大程度上都是由路面反射传播出去的,矮楼层只接收近距离的噪声、震动声,而楼层越高接收噪声的范围越广,远距离的交通噪声都可以传送到高层。所以,楼层越高,意味着越多地暴露在声波的立体传播下,从而接收到的反射声波就越多,再加上高层周围没有什么建筑物遮挡,完全暴露在声波的立体传播下,噪音相对就大。
此外,对于高层的住户而言,除了交通噪音,风声也会比平地更大,风声也就成为了噪音源。当某层的高度正好达到风声声波波长的整数倍时,就会发生共振现象,噪声就会表现得十分明显。
科学与艺术相结合的“阻尼器”
好在,虽然问题多多,工程师们也凭着聪明才智一点点解决了它们。
其中一个一箭双雕的方法是每隔几层就设置通风层,即空置一个或数个楼层,让风直接穿过。这就减少了风荷载造成的噪声,也能避免建筑物摇晃得太厉害。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,工程师就采用了每隔12层设置一些通风层的方法。
不过,通风层虽好,经济效益却不高,不是每家开发商都愿意空置楼层的。为此,工程师们又设计了新的方法——在楼顶吊一个或数个巨大的球。
大球的学名叫做“阻尼器”,它是由钢铁或混凝土制成的,重量从300吨至800吨不等,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。当大风吹过时,大球会像一个巨大的钟摆一样轻轻摆动,改变大楼的共振频率,还可以将摇摆不定的大楼拉回来,减少其摇晃幅度,这就相当于为大楼施加了巨大的阻尼,“阻尼器”由此得名。
许多大楼都会使用阻尼器来防风,其中一些阻尼器被设计得美轮美奂,还能作为特色景观吸引游客。中国台北101大厦的“定楼神球”是一个重达680吨的金黄色钢球,悬挂在88至92层楼之间。这个大球能抵抗12级的强台风,是全球最大的外露式阻尼器,可供游客参观,每一个到101大厦参观的游客都会来看一看这个“黄金球”。
藏在上海中心大厦第125至126层之间的阻尼器,是上海中心的“镇楼之宝”。工程师首次将以往用于磁悬浮列车的电涡流技术用于阻尼器,制造了世界上最重的阻尼器,质量高达1000吨。阻尼器上方放置有“上海慧眼”艺术雕塑,大厅中安装了136台激光器、244台全息音响,声影变幻,美妙绝伦,游客行走其间,犹如置身在一幅流动的画卷之中。
除了美观,有些大楼的设计者还希望赋予阻尼器一些实用性,于是他们把大钢球替换成了等重的消防水箱。这个巨型水箱平时可以充当阻尼器,发生火灾时就能从中取水灭火,一物两用。
降低噪声有妙招
对于减小高楼噪声,工程师们也进行了一些尝试。2014年,意大利的工程师设计了一种新型住宅——“垂直森林”。两栋相邻的住宅楼分别高76米和110米,楼体外的混凝土阳台相互错列,为在阳台上种植植物留出空间。两栋建筑共种植800棵乔木、4500棵灌木和约1万5千株草本植物,相当于将森林种在高楼上,“垂直森林”也因此得名。在楼层矮的情况下,声波会受周边绿化和建筑物的阻挡或吸收,经过多次折射、反射后,噪音就减小了,“垂直森林”同样能起到吸收和反射声波的效果,降低了噪声污染。
为了解决这个问题,诗尼塔使用了一种称为套管的结构,安装在内墙里能连接天花板和地板,该结构是柔性的,当楼层发生位移时也不会发出“咔哒”声。使用了套管后,大部分噪声都消失了。为了消除剩余的微弱噪声,诗尼塔还使用了一些小技巧,比如在建筑的金属部件之间的接头上涂上橡胶材料来抑制振动,减小摩擦声。
怎么样,知道了这些超高层建筑背后的故事,“晕楼”症状是不是减轻了很多超高层建筑通常都是城市的重点建筑,它的造价远远高于一般建筑,安全性更是重中之重,工程师同时也会尽可能地兼顾舒适性,让生活在高层建筑里的人们更舒心。