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文
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要
新清福建网络讯【作者:林 智 通讯员王嘉悦 文/图】7月29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？
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。
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。
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 *** 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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
为此，许多高层建筑都有称为“调谐质量阻尼器”的配重。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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. *** .com/watch?v=kF54-camgCg: https://www. *** .com/watch?v=kF54-camgCg
[3]Burj Khalifa Wind Speed Contours (Slice Sections) I SimScale: https://www. *** .com/watch?v=6BTmFMNrHhM
[4]How a Skyscraper Stays Upright in a Typhoon: https://www.popularmechanics.com/technology/design/a16819
主编丨林 智
校对丨王嘉悦
供稿丨中科院物理所
原标题丨《全球高楼丨如何设计并建造一座摩天大楼》版权声明丨本文图授权发布。
