摩天大楼|如何设计并建造一座摩天大楼？_建筑

6月19日，全球最高的酒店——上海中心J酒店正式开业迎客。上海中心J酒店位于上海中心大厦的高区。上海中心大厦总高为632米，是中国第一高楼。那么该如何设计建造这样一座摩天大楼呢？

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早在1956年，建筑师弗兰克·劳埃德·赖特就计划建造一座一英里（1600米）高的建筑。如果建成，这座摩天大楼将会是埃菲尔铁塔的五倍高，是全世界最高建筑。

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当时，该计划招致了很多批评：不仅坐电梯上个楼就要几个小时，而且大楼根基还会被自身重量压得粉碎。正如大多数人所预料的那样， 1600米的高楼并没有建成。

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【摩天大楼|如何设计并建造一座摩天大楼？】直到70多年后今天，世界最高迪拜塔的高度也才828米。而沙特阿拉伯正在建造的下一个世界最高建筑吉达塔的设计高度也刚刚才1000米。要实现一座摩天大楼并不容易，需要克服的问题主要有三类：自重、风载和快速通行方式（电梯）。

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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。

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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。

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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。

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迪拜的哈利法塔是目前世界上最高的混凝土建筑，每平方米的压力约为 8,000 吨（按自重计算）。 8000吨相当于1200头非洲象。

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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。

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为了支撑约50万吨的总重量， 192根长度超过50m的钢筋混凝土桩被埋在哈利法塔下。这些桩让哈利法塔能够很好地站在松软的地基上。

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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。

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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。

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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 。

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韩国首尔的乐天世界大厦，顶部楼层使用了一种斜交网络桁架结构来分散风力作用。

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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。

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为此，许多高层建筑都有称为“调谐质量阻尼器”的配重。

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例如，台湾的台北101大楼的87层，就悬挂着一个巨大的金属球体作为调谐质量阻尼器。

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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。

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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。

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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。

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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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随着技术的进步，相信总有一天，建筑师弗兰克·劳埃德·赖特的一英里（1600米）高的建筑计划会得以实现。

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参考资料[1]
Movie explaining what kind of building will a skyscraper of 1,600 m in height become: https://gigazine.net/gsc_news/en/20190320-1mile-skyscraper
[2]https://www.youtube.com/watch?v=kF54-camgCg: https://www.youtube.com/watch?v=kF54-camgCg
[3]Burj Khalifa Wind Speed Contours (Slice Sections) I SimScale: https://www.youtube.com/watch?v=6BTmFMNrHhM
[4]How a Skyscraper Stays Upright in a Typhoon: https://www.popularmechanics.com/technology/design/a16819
来源：HiMCM
编辑：aloysius

摩天大楼|如何设计并建造一座摩天大楼？

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