探索丨建筑阻尼器的应用与发展

建筑减震器是一种将建筑物的振动能量转化为热能或其他形式的装置，以保障建筑安全。其通过阻尼材料的消耗来减少振动，分为粘性、金属、摩擦以及调谐质量等多种类型。在高层建筑、桥梁等大型构造中有着广泛的应用。未来其发展趋势将更注重高效、智能、多样化及环保等方面的提升。

▏风阻尼器的工作原理

风阻尼器的工作原理，是基于牛顿第三定律的精髓，即“作用力与反作用力相互对立且等价”。当高楼大厦遭遇风力的冲击时，风阻尼器则能以巧妙的反向运动回应。它通过产生与风力方向相反的阻力，来减少大厦的晃动幅度，维持其稳定。风阻尼器的构造极其复杂，通常由精密的金属板、油缸以及活塞等部件组成。当风力作用于大楼上时，油缸内部的阻尼力便会启动，以减缓大厦的摇晃。具体而言，活塞在风力的推动下，会在油缸内进行运动，从而将油液挤出或吸入，这种运动不仅消耗了部分风力的能量，也有效减小了大楼的晃动幅度。除了风阻尼器的应用，现代摩天大楼还借助了其他技术手段来强化其稳定性。在建筑设计阶段，工程师们会进行详尽的结构计算和模拟，以确保建筑能够抵御各种自然灾害的力量。同时，建造过程中也会采取多种措施，如强化大楼的骨架结构、增加高强度钢筋混凝土的使用等，以提升其抗风能力。值得一提的是，部分先进的风阻尼器采用了液压减震技术，不仅有效控制了大楼的稳定性，还具备了一定的减震效果。随着科技的发展，风阻尼器的材料和结构设计也在不断升级。新型材料如碳纤维、高强度钢材的采用，使风阻尼器更加轻便，同时提高了其承载能力。在结构设计上，更复杂的动力学模型和结构被引入，以更好地适应大楼的结构特性和自然环境。时至今日，风阻尼器的发展已经从单一功能向智能化控制迈进，为摩天大楼的稳定性和安全性提供了更为可靠的保障。

▏建筑阻尼器的分类

为了确保一座座摩天大楼的安全与稳定，工程师们设计出了各式各样的建筑阻尼器，它们默默地吸收并消散着外部力量带来的冲击。今天就来介绍一下当下一些主流建筑阻尼器。

一、粘弹性阻尼器

想象一下，当你轻轻按压一块橡皮泥时，它既能变形吸收力量，又能逐渐恢复原状，这种特性正是粘弹性阻尼器的核心所在。粘弹性阻尼器利用高分子材料的粘弹性特性，在受到外力作用时，通过材料的变形来吸收和耗散能量。它们通常被安装在建筑结构的关键部位，如楼层之间或梁柱节点处，就像是为建筑穿上了一层柔软而坚韧的“防护服”。在地震或强风来袭时，这些阻尼器能够有效地减缓结构的振动幅度，保护建筑免受破坏。其独特的柔中带刚的特性，让它在众多阻尼器中脱颖而出，成为提升建筑抗震性能的重要工具。

二、金属阻尼器

如果说粘弹性阻尼器是柔中带刚的守护者，那么金属阻尼器则更像是身披铠甲的勇士。这类阻尼器主要利用金属材料的塑性变形能力来耗散能量。在受到外力冲击时，金属阻尼器会发生可控的塑性变形，将一部分动能转化为热能或其他形式的能量耗散掉。常见的金属阻尼器有屈服型、弯曲型等，它们的设计往往简洁而高效，能够在极端条件下保持稳定的工作状态。金属阻尼器的应用，不仅增强了建筑结构的整体刚度和稳定性，还提高了建筑的抗震减震能力，为高层建筑的安全保驾护航。

三、摩擦阻尼器

摩擦阻尼器，顾名思义，是通过摩擦力来吸收和耗散能量的。这类阻尼器通常由两个或多个相对滑动的部件组成，当建筑结构受到外力作用时，这些部件之间会产生摩擦力，从而减缓结构的振动速度。摩擦阻尼器的设计巧妙之处在于它能够根据外力的变化自动调整摩擦力的大小，实现动态平衡。这种自适应的特性使得摩擦阻尼器在应对不同类型的振动时都能表现出色。此外，摩擦阻尼器还具有结构简单、安装方便、维护成本低等优点，因此在许多建筑项目中得到了广泛应用。

四、调谐质量阻尼器

如果说前三种阻尼器是建筑内部的“守护者”和“战士”，那么调谐质量阻尼器（TMD）则更像是建筑外部的“调音师”。它通过在建筑顶部或特定位置安装一个大型质量块（如水箱、混凝土块等），并利用弹簧或悬吊系统将其与建筑结构相连。当建筑受到外部激励（如风振、地震）时，质量块会因惯性作用而产生与建筑结构相反的振动，从而抵消或减弱结构的振动幅度。调谐质量阻尼器的工作原理类似于钟摆或秋千，它利用物理学的共振原理，通过调整质量块的质量和频率，使其与建筑结构的振动频率相匹配，实现最佳的减震效果。这种高科技的减震手段，不仅提高了建筑的抗震性能，还赋予了建筑一种独特的科技美感。

▏摩天大楼的其他防风措施

摩天大楼的防风措施远不止于建筑阻尼器，让我们来看看其他的防风、抗风措施。

一、风洞试验

在摩天大楼的设计初期，风洞试验是不可或缺的一环。通过建造巨大的模拟风环境设施，工程师们能够模拟出不同风速、风向条件下建筑物所受的风力作用。这些试验不仅帮助设计师优化建筑外形，减少风阻和涡旋脱落效应，还能预测并避免潜在的结构振动问题。风洞试验的精确性，为摩天大楼的安全稳固奠定了坚实的基础。

二、流线型设计

观察自然界的鸟类和鱼类，我们不难发现，它们流线型的身体设计能够最大限度地减少空气或水流的阻力。摩天大楼设计师从中汲取灵感，采用流线型或渐变截面设计，使得建筑外观更加平滑，减少风在建筑物表面的分离和再附着，从而降低风压和振动。这种设计不仅美观，更是科学与艺术的完美融合。

三、刚性结构体系

摩天大楼的稳定性和安全性，很大程度上依赖于其结构体系的设计。采用高强度钢材、混凝土等材料构建的框架体系，能够有效抵抗风荷载。特别是核心筒与外框筒相结合的结构形式，如筒中筒、巨型框架等，通过增加结构的整体刚度和稳定性，使摩天大楼在强风下依然能够保持屹立不倒。此外，合理布置斜撑、剪力墙等构件，也能进一步提高建筑的抗风能力。

四、智能监测系统

随着物联网技术的飞速发展，智能监测系统被广泛应用于摩天大楼的安全管理中。通过在建筑物关键部位安装传感器，实时监测风速、风向、建筑振动等数据，系统能够迅速分析并预警潜在的风险。一旦发现异常，立即启动应急预案，包括调整阻尼器工作状态、加强结构支撑等，确保摩天大楼的安全运行。这种智能化的管理方式，让摩天大楼的防风措施更加高效、精准。

五、绿色生态设计

除了传统的工程手段外，绿色生态设计也为摩天大楼的防风提供了新的思路。例如，通过设计合理的建筑布局和绿化植被，引导风流路径，减少风对建筑物的直接冲击。同时，利用屋顶绿化、空中花园等设计，不仅美化了城市环境，还能通过植被的蒸腾作用降低周围环境温度，减少热岛效应对风场的影响。这种与自然和谐共生的设计理念，让摩天大楼在防风的同时，也为城市带来了更多的生态福祉。

▏建筑阻尼器的发展趋势

随着建筑高度的不断增加，风荷载、地震波等自然因素对建筑安全构成的威胁也日益加剧。在此背景下，建筑阻尼器作为提升建筑抗震、抗风能力的重要装置，其发展趋势正引领着建筑行业向更高效、更智能、更多样、更环保的方向迈进。

一、高效化

高效化是建筑阻尼器发展的首要趋势。传统阻尼器虽已在一定程度上缓解了高层建筑在极端天气条件下的晃动问题，但面对日益严峻的自然挑战，其性能提升成为必然。新一代高效阻尼器通过采用更先进的材料科学和设计理念，如磁流变阻尼器、形状记忆合金阻尼器等，实现了更快速的响应速度和更强的能量耗散能力。这些技术革新不仅提升了阻尼器的工作效率，还使得高层建筑在遭遇强风或地震时能够更加稳定，为居民和设施提供更加坚实的安全屏障。

二、智能化

智能化是建筑阻尼器发展的另一大亮点。随着物联网、大数据、人工智能等技术的飞速发展，建筑阻尼器正逐步融入智能建筑体系之中。智能阻尼器能够实时监测建筑物的振动情况，通过内置的传感器收集数据，并运用算法进行分析预测，从而自动调节阻尼力，以最优状态应对各种外界扰动。此外，智能阻尼器还能与建筑的消防、安防等系统联动，形成全方位的安全防护网。这种智能化的转变，不仅提高了建筑的自主应对能力，还为实现建筑的精细化管理提供了可能。

三、多样化

多样化是建筑阻尼器适应不同建筑类型和需求的必然结果。从摩天大楼到桥梁隧道，从体育场馆到文化地标，每种建筑都有其独特的结构特点和安全需求。因此，建筑阻尼器的设计也呈现出多样化的趋势。比如，针对超高层建筑设计的巨型液压阻尼器，能够有效抑制高层建筑的侧向位移；而针对历史建筑保护的柔性阻尼器，则能在保护古建筑风貌的同时，提升其抗震性能。

此外，还有针对特殊环境（如海洋环境）设计的耐腐蚀阻尼器等，这些多样化的产品满足了不同建筑领域的个性化需求，展现了建筑阻尼器技术的无限可能。

四、环保化

环保化是建筑阻尼器发展不可忽视的方向。在全球气候变化的背景下，绿色建筑已成为行业共识。作为建筑安全系统的重要组成部分，建筑阻尼器的环保化同样具有重要意义。一方面，研发过程中注重材料的选择与利用，采用可再生或低环境影响的材料，减少生产过程中的碳排放；另一方面，通过优化设计和制造工艺，提高阻尼器的能效比，降低能耗和运营成本。

此外，一些创新的阻尼器设计还融入了生态元素，如利用植被覆盖的屋顶或墙面作为附加阻尼层，既美化了建筑外观，又增强了建筑的自然调节能力，实现了建筑与环境的和谐共生。

▏楼房阻尼器的具体应用实例

一、上海中心大厦

作为中国第一高楼，上海中心大厦采用了先进的阻尼器技术——双环轨道式阻尼器，这是全球首创的。该阻尼器位于大厦125-126层之间，重达1000吨，形似一对巨大的“阻尼摆”。在强风作用下，这对阻尼摆能够沿预定轨道滑动，通过动态调节自身位置来吸收并消耗建筑物受到的震动能量，确保大厦在极端天气下依然稳如泰山。上海中心大厦的这一创新应用，不仅展示了中国在高超层建筑领域的科技实力，也为全球超高层建筑的安全防护提供了新的思路。

二、广州周大福金融中心

坐落在广州珠江新城的周大福金融中心，也是一座运用了先进阻尼器技术的标志性建筑。该建筑在顶部安装了高性能的液压阻尼器系统，能够在遭遇强风或地震时，通过液压系统内部的油液流动和阻尼器自身的运动，将外部作用力转化为热能消散，从而有效减少建筑物的摇晃幅度。这一技术的应用，不仅保障了建筑本身的结构安全，也为楼内办公和居住的人们提供了更加稳定舒适的环境。建筑阻尼器作为一种重要的建筑安全装置，在现代建筑中的应用越来越广泛。通过不断优化和创新，建筑阻尼器将不断提高减震效果和能量消耗效率，为保障建筑物和人员的安全稳定发挥更加重要的作用。同时，建筑阻尼器的发展也需要注重环保和可持续性，推动建筑行业的绿色发展和可持续发展。（图片源自网络）

作者 | 几维鸟 毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦

复审 | 魏星华

终审 | 周 阳