摩天大樓如何防風？

薛巍

大樓越高、越細，它的頂部越有可能晃動。《紐約時報》去年的一篇文章說：“在微風的日子里，一個1000英尺（約305米）高的大樓可能會晃動幾英寸。對于每年大概會遇到一次時速50英里（約80公里）的風，大樓會晃動大約半英尺（約15厘米）。如果是50年一遇的時速100英里（約161公里）的風，大樓可能會晃動多達2英尺（約61厘米）。”

在紐芬蘭紀念大學的海事研究所，有一個模仿輪船在波浪較大的海面航行的裝置，它能讓人體驗到摩天大樓在風中的晃動。在接待建筑發展商時，模擬器中會擺放一些家具，包括沙發、吊燈和裝滿水的葡萄酒杯。墻上投射的畫面不是大海，而是城市風光。當顧客坐下或者靠在廚房的柜子邊站立時，操作人員打開開關，讓他們體驗大樓的搖晃幅度。

美國城市規劃師凱特·阿舍爾在《高度：摩天大樓剖析》一書中說，工程師會有意使大樓能夠擺動，以便減輕大風造成的壓力。如果大樓的頂部不能擺動，各種結構性部件可能會因為風的壓力而受損。在地震多發區，甚至大樓的地基也能略微晃動，這樣才不會像絕對穩定時受到那么大的壓力。鋼梁的連接處可以在天氣或風速變化時拉長或者收縮，以便樓頂輕微地晃動。

對于大樓在風中會擺動多大的幅度并沒有一個準確的計算公式，但是有一個最大的量：大樓高度的五百分之一。超過這個數值，并不是說大樓就會晃動或者倒塌，而是樓里的人會開始感覺有點想吐，所以一些摩天大樓的發展商會在樓頂安裝巨型的減振阻尼器。

調諧質量阻尼器由鋼鐵或混凝土制成，重量在300噸到800噸之間，一般會占據約1000平方英尺的空間，要用鋼索吊住。它像一個巨型的吸能裝置，使遭到大風吹拂的大樓復位。阻尼器能夠把大樓搖晃的加速度（以千分之一G計算）降低一半。阻尼器并不是政府法規要求的，它主要是為了提高舒適性。而且相對來說，阻尼器并不算昂貴，大約500萬美元，而頂層公寓就能賣1億美元。

即將開業的中國第一高樓上海中心大廈總高度632米，地上有127層，在遭遇強風時它的擺動幅度能達到1米，所以大廈在接近頂端處安裝了1000噸重的減振阻尼器。1000噸是什么概念呢？《紐約時報》的文章做過換算：一頭非洲象大約重8噸，一輛M4坦克大約重33噸，一頭鯨大約重40噸，一架波音787大約重130噸，800噸相當于100頭非洲象、24輛坦克、20頭鯨或者6架波音787客機的重量。

另外，摩天大樓附近的風很大，這是下沉氣流效應引起的。如果大樓的側面完全是方形的，當空氣撞到大樓后無處可去，就會往上、往下推。向下的氣流會提高街道上的風速。如果好幾個大樓挨著，還會形成風道，空氣在通過狹窄空間時被壓縮，導致風速加大。這是文丘里（Venturi）效應的一種形式，它是用18世紀意大利科學家文丘里（1746～1822）的名字來命名的。

建筑師史蒂夫·約翰遜說，這些都不是新問題，古希臘和羅馬人就認識到了風對大樓產生的效應，只不過他們沒有蓋巨大的摩天大樓。100多年前，紐約居民就抱怨福萊提榮大廈的立面造成的大風。由于下沉氣流效應主要發生于方形大樓附近，改變大樓立面的角度就能減輕這種效應，在英國肯特郡海邊度假勝地惠茨特布爾，一些街道被設計得跟常見的風向成45度，迎風面就沒那么寬了。