受一级方程式赛车启发 科学家构想出能抵御超强风的“针状”摩天大楼

最近发表在《工程结构》杂志上的一篇论文，对现代摩天大楼的结构提出了新的设想。该论文指出，受方程式1赛车灵感启发，未来或许我们能建造出“针状”摩天大楼。

如今，高耸入云的摩天大楼已经成为现代化大都市的标配，世界最高的摩天大楼迪拜楼甚至高达828米。但为何即使在摩天大楼的高层，我们也不会感觉到摇晃呢?要知道建筑越高，它经受的强风就越大。

一般来说，在正常的风压状态下，距地面高度为10米处，如风速为5米/秒，那么在90米的高空，风速可达到15米/秒。若高达300-400米，风力将更加强大，即风速达到30米/秒以上时，摩天大楼会产生晃动。

而这就是摩天大楼里广泛应用的“定楼神球”--调谐质量阻尼器在起作用。

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)，是超高层建筑应对风致振动，在强风时降低加速度响应、降低大楼晃动幅度，提高建筑内部人员舒适度的一种装置。一般由几百上千吨的质量块、吊索、常规阻尼器、限位阻尼器组成。

一旦建筑物因强风产生的摇晃可以通过传感器传至风阻尼器，此时风阻尼器的驱动装置会控制配重物的动作进而降低建筑物的摇晃程度。通过引入风阻尼器，将能使强风时加在建筑物上的加速度(重力)降低40%左右。另外，风阻尼器也可以降低强震对建筑物，尤其是建筑物顶部的冲击。

但是这种设备的安装成本很高，一般在几百万英镑(约人民币900万元)，并且它还大量占用了建筑本身的宝贵空间。

于是，科学家们从方程式1赛车中汲取灵感，借鉴F1悬挂系统技术——使用轻型和紧凑的惰器减震器——可以将阻尼器的重量要求降低至多70%。

这款革命性的摩天大楼减震器是由伦敦城市大学的结构动力学专家Agathoklis Giaralis及其同事研发的。它使用了一个由一组齿轮驱动的旋转圆盘，通过旋转可以平衡任何建筑物的晃动。

研究人员表示，如果他们能设计出更小、更轻的调谐质量阻尼器，那么他们就能建造更高、占地面积更小的建筑，而且即使在高空强风中，大厦内的人也不会感动头晕目眩。

这种瘦长的建筑将需要更少的材料和资源，因此成本更低，更可持续，同时占用的空间也更少，看起来也更美观。

根据研究人员的测试，在一栋20层的钢结构建筑中安装新的减震器，将使梁和柱所需的钢材减少至多30%。

此外，研究人员通过计算机模拟研究了在现有的一座伦敦摩天大楼——位于南华克的48层楼高的Newington Butts大厦——安装这种装置的影响，结果表明，这种做法可以将楼层摇晃降低30%。

而且，新的减震器还可以为摩天大楼提供动力。虽然安装这类减震器的大楼无法做到电力供应自给自足，但通过收集风力还是能够为内部建筑气候控制的无线传感器供电。