探索丨建筑阻尼器的應用與發(fā)展

建筑減震器是一種將建筑物的振動能量轉化為熱能或其他形式的裝置，以保障建筑安全。其通過阻尼材料的消耗來減少振動，分為粘性、金屬、摩擦以及調諧質量等多種類型。在高層建筑、橋梁等大型構造中有著廣泛的應用。未來其發(fā)展趨勢將更注重高效、智能、多樣化及環(huán)保等方面的提升。

▏風阻尼器的工作原理

風阻尼器的工作原理，是基于牛頓第三定律的精髓，即“作用力與反作用力相互對立且等價”。當高樓大廈遭遇風力的沖擊時，風阻尼器則能以巧妙的反向運動回應。它通過產生與風力方向相反的阻力，來減少大廈的晃動幅度，維持其穩(wěn)定。風阻尼器的構造極其復雜，通常由精密的金屬板、油缸以及活塞等部件組成。當風力作用于大樓上時，油缸內部的阻尼力便會啟動，以減緩大廈的搖晃。具體而言，活塞在風力的推動下，會在油缸內進行運動，從而將油液擠出或吸入，這種運動不僅消耗了部分風力的能量，也有效減小了大樓的晃動幅度。除了風阻尼器的應用，現代摩天大樓還借助了其他技術手段來強化其穩(wěn)定性。在建筑設計階段，工程師們會進行詳盡的結構計算和模擬，以確保建筑能夠抵御各種自然災害的力量。同時，建造過程中也會采取多種措施，如強化大樓的骨架結構、增加高強度鋼筋混凝土的使用等，以提升其抗風能力。值得一提的是，部分先進的風阻尼器采用了液壓減震技術，不僅有效控制了大樓的穩(wěn)定性，還具備了一定的減震效果。隨著科技的發(fā)展，風阻尼器的材料和結構設計也在不斷升級。新型材料如碳纖維、高強度鋼材的采用，使風阻尼器更加輕便，同時提高了其承載能力。在結構設計上，更復雜的動力學模型和結構被引入，以更好地適應大樓的結構特性和自然環(huán)境。時至今日，風阻尼器的發(fā)展已經從單一功能向智能化控制邁進，為摩天大樓的穩(wěn)定性和安全性提供了更為可靠的保障。

▏建筑阻尼器的分類

為了確保一座座摩天大樓的安全與穩(wěn)定，工程師們設計出了各式各樣的建筑阻尼器，它們默默地吸收并消散著外部力量帶來的沖擊。今天就來介紹一下當下一些主流建筑阻尼器。

一、粘彈性阻尼器

想象一下，當你輕輕按壓一塊橡皮泥時，它既能變形吸收力量，又能逐漸恢復原狀，這種特性正是粘彈性阻尼器的核心所在。粘彈性阻尼器利用高分子材料的粘彈性特性，在受到外力作用時，通過材料的變形來吸收和耗散能量。它們通常被安裝在建筑結構的關鍵部位，如樓層之間或梁柱節(jié)點處，就像是為建筑穿上了一層柔軟而堅韌的“防護服”。在地震或強風來襲時，這些阻尼器能夠有效地減緩結構的振動幅度，保護建筑免受破壞。其獨特的柔中帶剛的特性，讓它在眾多阻尼器中脫穎而出，成為提升建筑抗震性能的重要工具。

二、金屬阻尼器

如果說粘彈性阻尼器是柔中帶剛的守護者，那么金屬阻尼器則更像是身披鎧甲的勇士。這類阻尼器主要利用金屬材料的塑性變形能力來耗散能量。在受到外力沖擊時，金屬阻尼器會發(fā)生可控的塑性變形，將一部分動能轉化為熱能或其他形式的能量耗散掉。常見的金屬阻尼器有屈服型、彎曲型等，它們的設計往往簡潔而高效，能夠在極端條件下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。金屬阻尼器的應用，不僅增強了建筑結構的整體剛度和穩(wěn)定性，還提高了建筑的抗震減震能力，為高層建筑的安全保駕護航。

三、摩擦阻尼器

摩擦阻尼器，顧名思義，是通過摩擦力來吸收和耗散能量的。這類阻尼器通常由兩個或多個相對滑動的部件組成，當建筑結構受到外力作用時，這些部件之間會產生摩擦力，從而減緩結構的振動速度。摩擦阻尼器的設計巧妙之處在于它能夠根據外力的變化自動調整摩擦力的大小，實現動態(tài)平衡。這種自適應的特性使得摩擦阻尼器在應對不同類型的振動時都能表現出色。此外，摩擦阻尼器還具有結構簡單、安裝方便、維護成本低等優(yōu)點，因此在許多建筑項目中得到了廣泛應用。

四、調諧質量阻尼器

如果說前三種阻尼器是建筑內部的“守護者”和“戰(zhàn)士”，那么調諧質量阻尼器（TMD）則更像是建筑外部的“調音師”。它通過在建筑頂部或特定位置安裝一個大型質量塊（如水箱、混凝土塊等），并利用彈簧或懸吊系統(tǒng)將其與建筑結構相連。當建筑受到外部激勵（如風振、地震）時，質量塊會因慣性作用而產生與建筑結構相反的振動，從而抵消或減弱結構的振動幅度。調諧質量阻尼器的工作原理類似于鐘擺或秋千，它利用物理學的共振原理，通過調整質量塊的質量和頻率，使其與建筑結構的振動頻率相匹配，實現最佳的減震效果。這種高科技的減震手段，不僅提高了建筑的抗震性能，還賦予了建筑一種獨特的科技美感。

▏摩天大樓的其他防風措施

摩天大樓的防風措施遠不止于建筑阻尼器，讓我們來看看其他的防風、抗風措施。

一、風洞試驗

在摩天大樓的設計初期，風洞試驗是不可或缺的一環(huán)。通過建造巨大的模擬風環(huán)境設施，工程師們能夠模擬出不同風速、風向條件下建筑物所受的風力作用。這些試驗不僅幫助設計師優(yōu)化建筑外形，減少風阻和渦旋脫落效應，還能預測并避免潛在的結構振動問題。風洞試驗的精確性，為摩天大樓的安全穩(wěn)固奠定了堅實的基礎。

二、流線型設計

觀察自然界的鳥類和魚類，我們不難發(fā)現，它們流線型的身體設計能夠最大限度地減少空氣或水流的阻力。摩天大樓設計師從中汲取靈感，采用流線型或漸變截面設計，使得建筑外觀更加平滑，減少風在建筑物表面的分離和再附著，從而降低風壓和振動。這種設計不僅美觀，更是科學與藝術的完美融合。

三、剛性結構體系

摩天大樓的穩(wěn)定性和安全性，很大程度上依賴于其結構體系的設計。采用高強度鋼材、混凝土等材料構建的框架體系，能夠有效抵抗風荷載。特別是核心筒與外框筒相結合的結構形式，如筒中筒、巨型框架等，通過增加結構的整體剛度和穩(wěn)定性，使摩天大樓在強風下依然能夠保持屹立不倒。此外，合理布置斜撐、剪力墻等構件，也能進一步提高建筑的抗風能力。

四、智能監(jiān)測系統(tǒng)

隨著物聯網技術的飛速發(fā)展，智能監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛應用于摩天大樓的安全管理中。通過在建筑物關鍵部位安裝傳感器，實時監(jiān)測風速、風向、建筑振動等數據，系統(tǒng)能夠迅速分析并預警潛在的風險。一旦發(fā)現異常，立即啟動應急預案，包括調整阻尼器工作狀態(tài)、加強結構支撐等，確保摩天大樓的安全運行。這種智能化的管理方式，讓摩天大樓的防風措施更加高效、精準。

五、綠色生態(tài)設計

除了傳統(tǒng)的工程手段外，綠色生態(tài)設計也為摩天大樓的防風提供了新的思路。例如，通過設計合理的建筑布局和綠化植被，引導風流路徑，減少風對建筑物的直接沖擊。同時，利用屋頂綠化、空中花園等設計，不僅美化了城市環(huán)境，還能通過植被的蒸騰作用降低周圍環(huán)境溫度，減少熱島效應對風場的影響。這種與自然和諧共生的設計理念，讓摩天大樓在防風的同時，也為城市帶來了更多的生態(tài)福祉。

▏建筑阻尼器的發(fā)展趨勢

隨著建筑高度的不斷增加，風荷載、地震波等自然因素對建筑安全構成的威脅也日益加劇。在此背景下，建筑阻尼器作為提升建筑抗震、抗風能力的重要裝置，其發(fā)展趨勢正引領著建筑行業(yè)向更高效、更智能、更多樣、更環(huán)保的方向邁進。

一、高效化

高效化是建筑阻尼器發(fā)展的首要趨勢。傳統(tǒng)阻尼器雖已在一定程度上緩解了高層建筑在極端天氣條件下的晃動問題，但面對日益嚴峻的自然挑戰(zhàn)，其性能提升成為必然。新一代高效阻尼器通過采用更先進的材料科學和設計理念，如磁流變阻尼器、形狀記憶合金阻尼器等，實現了更快速的響應速度和更強的能量耗散能力。這些技術革新不僅提升了阻尼器的工作效率，還使得高層建筑在遭遇強風或地震時能夠更加穩(wěn)定，為居民和設施提供更加堅實的安全屏障。

二、智能化

智能化是建筑阻尼器發(fā)展的另一大亮點。隨著物聯網、大數據、人工智能等技術的飛速發(fā)展，建筑阻尼器正逐步融入智能建筑體系之中。智能阻尼器能夠實時監(jiān)測建筑物的振動情況，通過內置的傳感器收集數據，并運用算法進行分析預測，從而自動調節(jié)阻尼力，以最優(yōu)狀態(tài)應對各種外界擾動。此外，智能阻尼器還能與建筑的消防、安防等系統(tǒng)聯動，形成全方位的安全防護網。這種智能化的轉變，不僅提高了建筑的自主應對能力，還為實現建筑的精細化管理提供了可能。

三、多樣化

多樣化是建筑阻尼器適應不同建筑類型和需求的必然結果。從摩天大樓到橋梁隧道，從體育場館到文化地標，每種建筑都有其獨特的結構特點和安全需求。因此，建筑阻尼器的設計也呈現出多樣化的趨勢。比如，針對超高層建筑設計的巨型液壓阻尼器，能夠有效抑制高層建筑的側向位移；而針對歷史建筑保護的柔性阻尼器，則能在保護古建筑風貌的同時，提升其抗震性能。

此外，還有針對特殊環(huán)境（如海洋環(huán)境）設計的耐腐蝕阻尼器等，這些多樣化的產品滿足了不同建筑領域的個性化需求，展現了建筑阻尼器技術的無限可能。

四、環(huán)保化

環(huán)?；墙ㄖ枘崞靼l(fā)展不可忽視的方向。在全球氣候變化的背景下，綠色建筑已成為行業(yè)共識。作為建筑安全系統(tǒng)的重要組成部分，建筑阻尼器的環(huán)?；瑯泳哂兄匾饬x。一方面，研發(fā)過程中注重材料的選擇與利用，采用可再生或低環(huán)境影響的材料，減少生產過程中的碳排放；另一方面，通過優(yōu)化設計和制造工藝，提高阻尼器的能效比，降低能耗和運營成本。

此外，一些創(chuàng)新的阻尼器設計還融入了生態(tài)元素，如利用植被覆蓋的屋頂或墻面作為附加阻尼層，既美化了建筑外觀，又增強了建筑的自然調節(jié)能力，實現了建筑與環(huán)境的和諧共生。

▏樓房阻尼器的具體應用實例

一、上海中心大廈

作為中國第一高樓，上海中心大廈采用了先進的阻尼器技術——雙環(huán)軌道式阻尼器，這是全球首創(chuàng)的。該阻尼器位于大廈125-126層之間，重達1000噸，形似一對巨大的“阻尼擺”。在強風作用下，這對阻尼擺能夠沿預定軌道滑動，通過動態(tài)調節(jié)自身位置來吸收并消耗建筑物受到的震動能量，確保大廈在極端天氣下依然穩(wěn)如泰山。上海中心大廈的這一創(chuàng)新應用，不僅展示了中國在高超層建筑領域的科技實力，也為全球超高層建筑的安全防護提供了新的思路。

二、廣州周大福金融中心

坐落在廣州珠江新城的周大福金融中心，也是一座運用了先進阻尼器技術的標志性建筑。該建筑在頂部安裝了高性能的液壓阻尼器系統(tǒng)，能夠在遭遇強風或地震時，通過液壓系統(tǒng)內部的油液流動和阻尼器自身的運動，將外部作用力轉化為熱能消散，從而有效減少建筑物的搖晃幅度。這一技術的應用，不僅保障了建筑本身的結構安全，也為樓內辦公和居住的人們提供了更加穩(wěn)定舒適的環(huán)境。建筑阻尼器作為一種重要的建筑安全裝置，在現代建筑中的應用越來越廣泛。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，建筑阻尼器將不斷提高減震效果和能量消耗效率，為保障建筑物和人員的安全穩(wěn)定發(fā)揮更加重要的作用。同時，建筑阻尼器的發(fā)展也需要注重環(huán)保和可持續(xù)性，推動建筑行業(yè)的綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。（圖片源自網絡）

作者 | 幾維鳥 畢業(yè)于新西蘭林肯大學。對大眾科普知識擁有濃厚興趣，曾在多個科普期刊上發(fā)表過科普文章。關注事實，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦

復審 | 魏星華

終審 | 周 陽