[分享]中国第一高塔“小蛮腰”和钢构的秘密：抗7.8级地震寿命100年

     中国的第一高塔是哪座？

   

   东方明珠？那已经是老黄历了。

   从2010年开始，中国的最高塔已经被广州新电视塔——“小蛮腰”刷新。它的总高度600米，远超东方明珠电视塔的468米。是中国第一高塔，世界第二高塔，仅次于东京晴空塔。

    广州塔的主塔体从一个椭圆形开始，向上逐渐延伸、旋转，先缩至极细处而后又逐步放大，整体浑然天成。纤细的外形和曼妙的“束腰”让广州塔充满了张扬和妩媚。从广州大剧院到广州塔，广州人民在建筑的创新上始终走在时代的前列。

   

    广州塔的塔体实际上分为两个部分。外部是显示出“小蛮腰”外形的钢结构外框筒，内部则是椭圆形的钢筋混凝土核心筒，二者之间通过楼层相互连接。内部钢筋混凝土结构的抗压能力强，可以承担整个建筑的重量；而外部钢结构弹性足，“能屈能伸”，可以抵抗地震、风力这些横向力。内外两个好兄弟各有所长，互相配合，保障了建筑物的安全。

    虽然这种内外差异化的结构在全球超高层建筑设计中被广泛使用，但用在“小蛮腰”的方案中时却遇到了全所未有的挑战，挑战来自“小蛮腰”的“腰”，这个纤细而动感的“腰”着实给结构工程师出了个大难题。

    我们知道，一座建筑如果要想要稳定、坚固，并且尽可能高，最重要的因素有这么几条：

这样，下面的结构承担得起上面的重量，万一发生了地震，左右摇晃，上面的结构也不容易垮塌。

不会有某一个方向上的薄弱环节，也就是“命门”，来破坏整栋建筑的稳定性。

这样才能维持建筑足够大的刚度，保证足够的抵抗变形的能力。古埃及人在五千年前就意识到了这一点，因此设计出了久经历史考验仍屹立不倒的金字塔。

    重心低、对称、密实，金字塔是最能体现稳定性原则的建筑

然而，广州人偏偏爱上了“小蛮腰”这个打破常规的方案。它中间细，顶端粗，上大下小，打破了重心低的原则；它椭圆形拉伸的钢框筒扭转偏心，打破了对称的原则；它通体镂空，打破了密实的原则。广州人为中国工程师们提出了一个颠覆建筑学历史的难题。

   为了盖好这座打破常规的建筑，清华大学、同济大学、广州大学等高校以及许多科研院所都参与其中。同济大学负责“小蛮腰”的抗风性能和对策的研究，广州大学则负责研究建筑物的抗震性能。科学家们按1比50的比例尺为“小蛮腰”制作了一个12米高的模型，然后对这个依然十分庞大的模型施加各式各样的外力，由此检测整座广州塔尤其是“小蛮腰”最薄弱的腰部会不会发生破坏，进而确定“腰”的具体形式和尺寸，以便获得抵抗外力作用的最佳状态，从而让“腰”更健康，让广州塔更安全。

    小蛮腰的结构稳定性模拟，中间腰部的突出部分意味着此处的失稳指数最高。图片引自熊伟. 广州塔结构稳定性设计分析，建筑结构.2012. 42(6)

    除了满足建筑安全的需求，人在建筑内的舒适需求也很重要。在400米以上的高空，强风导致的建筑物最高处摇摆位移可能会达一米多。这个数字听起来吓人，但其实与600米高度建筑的最高点位移相比，这个数字并不大。只要建筑不会来回往复地晃动，不论是处于安全考虑，还是满足正常使用要求，就都不会有问题。

    可无论是风还是地震，都不会以一个固定的大小均匀地作用在建筑身上，它们的行为极其多变。一旦风或地震的频率恰好与建筑物的自振频率重合了，建筑物就会来回震荡，轻则使人感到晃动，重则造成安全问题，“小蛮腰”可不能这么任性地扭起来！

  

    抗风神器的名字叫做阻尼器，外形是一个巨大的球体，体重可达数百吨，位置在高层建筑的楼顶部位。例如在台北101大楼的楼顶，就有这样一个重达660吨的大钢球。它被悬挂在建筑的顶端，在大风吹来的时候缓解大楼的振动。

    可是如果在没有风的时候，这样硕大的钢球悬在这里，除了给建筑物增加了额外的负担以及供游人拍照以外，便没有什么用处。如何“变废为宝”，利用起这个大铁球呢？

    台北101大楼使用的阻尼器，是一个重达660吨的大钢球，通过钢索悬挂在楼顶

    小蛮腰的工程师们想到了一个聪明的办法：与其让这块几百吨重的大配重就这么闲着，不如让它来做消防水箱。

    工程师们在顶层的安装了两个各540吨容量的铁质消防水箱，水箱下面装有轨道并带有控制装置。水箱平时当阻尼器用，当塔身晃动时，水箱受计算机控制向反方向滑动以消除塔身的晃动。而一旦建筑发生了火灾，在外部消防无法到位时，这两个水箱可便可以承担两个小时的喷淋灭火任务，为人员的逃生争取到宝贵的时间。

     另外，对于电视塔146米高的信号发射塔尖，工程师们还额外采用了两个18吨重的“小”钢球，同样作为钟摆式的阻尼以减弱天线的振动。通过四两拨千斤，工程师们用这个“巧劲儿”解决了阻尼这“笨重”的问题。

     细腰的问题解决了，下一道题就是“偏心”。小蛮腰的钢结构外筒自下而上扭转了45°，结构三维倾斜，没有一根钢构件是垂直或者水平的，上万根构件每个都不同，这为施工带来了无尽的麻烦，构件的拼接越复杂，便越是要求精密。

      施工是在冬天还是夏天，天气是下雨还是晴天，都会造成构件轻微变形即热胀冷缩。这一点点变形不要紧，累积在一起可就要命了。为此，工程师们布置了温度监控系统，对每一个微小的误差实施监控。一旦稍有变形，马上进行针对性的调控。扭曲的构件逐渐形成了一个整体，在结构师们的精心设计下，表面看起来扭曲的钢结构外筒实则十分坚固，不会再有“命门”的出现！

    广州塔的钢结构外筒施工过程中，每一个微小的误差都得到了监控。图片来自网络

   

    广州塔的镂空外形经过抗风专家的巧妙设计，不仅没有成为影响建筑安全的缺点，反而是一个有益于结构抗风的优点。由于它透风，所以受到的风力会比较小。由于结构复杂，在风吹过的时候，广州塔的四周会形成乱流，不容易形成某个单一方向的风或者强烈的风漩涡对塔施加过于强烈的侧向力。镂空的形式同样大大降低了建筑物的自重，使得广州塔在面临地震时能够以更轻盈的姿态面对，抗震能力得到了很大的提升。

   

    小蛮腰颠覆建筑学常理的三大问题解决了。最终，广州塔以其能够抵御7.8度烈度地震和12级台风的超高强度，以及超过100年使用寿命的超长耐久性赢得了世界的赞叹。

    然而，小蛮腰毕竟不是像普通的摩天大楼那样，只需安全地容纳人办公、住宿就可以。作为广州的地标，它还肩负着商业休闲、观光游览的功能，每天迎来送往的人员多的时候能达到两三万人。他们中有的是在楼内办公的上班族，效率至上；有的则是悠闲的游客，想要在电梯内欣赏景色。针对这两种不同的需求，广州塔内设计了高速和低速两组电梯。高速电梯供楼内工作人员使用，速度极快，只需一分多钟就可以把人从地面送上楼顶；而观光电梯则速度很慢，可以让游客尽情领略窗外广州城的风光。

    两组电梯相互分开，互不影响。而在火灾等紧急状态下，所有都可以迅速转化为消防电梯，四部同时工作，可以在2小时内疏散两千多人。要知道，在高层建筑中，电梯能够救助的恰恰是跑不动楼梯的弱势群体，是最需要救助的那群人。

    当今，“小蛮腰”已经成为广州市当之无愧的地标建筑，是如今广州向全世界传播广州文化的窗口。2011年，“小蛮腰”获得了中国建筑工程最高奖项——鲁班奖。这是对“小蛮腰”工程师团队的肯定，也是对所有参与“小蛮腰”研究工作的科研人员的肯定。

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