減震抗風利器 千噸水箱助廣州塔抵禦「山竹」

千噸水箱：減震抗風利器

毀滅性的颱風最高風速可達到每小時一百多千米，可輕易吹倒高樓大廈，不過在廣州塔上隱藏著一對抗颱風的利器：兩臺各裝滿10萬公升水的巨型水槽……9月16日，「山竹」來襲之後，在網上流傳的「廣州塔塔頂竟然裝了20萬公升水，知道為什麼嗎？」的一段視頻不免讓人驚嘆。

譚平，廣州大學工程抗震研究中心教授，正是這一裝置的設計者，他解釋道：網傳20萬公升水的說法並不嚴謹，實則是兩個各650噸水箱，每個水箱的水約350噸，另外300噸是混凝土水箱重量。

「山竹」到來的當日，他像日常一樣「輕描淡寫」：「只派了一名年輕的老師去塔頂採集數據」，如果放在以前，「要派一大隊人上去」。

「按照我們的設計，再來兩個『山竹』也不怕」，在位於廣園路28號的辦公室內，譚平說話的語氣堅定。

文、圖/廣州日報全媒體記者 杜安娜、羅嘉妮

位於廣園路28號的廣州大學工程抗震研究中心，牆上的牌匾字跡已經斑駁發黃，譚平的辦公室就在這棟老樓裡。在與辦公室相鄰的實驗室內，堆積著包括廣州塔、港珠澳大橋橋墩、高鐵橋墩在內的抗震實驗模型。

600多米廣州塔的抗震裝置就誕生在這棟有些年代的樓裡。

因廣州塔回國

譚平從沒有想到過自己的人生會與廣州塔聯繫起來。然而，2006年，正是廣州塔讓當時在美國做博士後的譚平下定決心回國。

2005年中，譚平在美國做博士後時，接到自己國內導師周福霖院士的電話，動員他做一點實際的工程項目。老師所說的這次機會指的就是廣州塔的抗震系統。

在美國留學做理論研究多年的譚平有些動心：「可能一輩子就只有這一次難得的機會。」

當時，譚平的學術之路可謂順風順水，他的導師正是當時美國減震控制學會的主席，憑著自身的研究實力，譚平很快就在美國學術界嶄露頭角。

在很多人看來，譚平未來之路順其自然會留在美國發展。譚平卻志不在此，「在美國這種發達國家，做理論做實驗比較多，但真正用到實際工程的機會非常少」。

「像紐約、芝加哥，城市建設已經基本完成，新建建築很少；而中國正是建設的高潮，現在全球最高的二十多棟建築，有十幾棟都是中國的。」譚平心中的天平早已傾斜。他暗自下定決心：「要做出點事才行。」

老師周福霖的電話就像給他點了一把火，「一著就燃」。在譚平回國前的半年時間裡，他就開始在學研之餘查閱各種相關資料。他記得很清楚，2006年1月6日回到祖國。不過周末，他沒有休息，也沒回湖南老家探望父母，而是直接去了辦公室開始了籌備工作。

「對那一年的春節沒什麼印象了」，譚平隱約記得當時已經接近年關，人們都逐漸進入到放假模式，然而對譚平來說，「緊張的日子剛剛開始」。

譚平及早地開工，正是預料到了整件事的難度，「僅廣州塔的減震方案就做了兩年」。此項方案的原理說起來並不難，但在廣州塔這一獨特造型內具體實施時，「難題就出來了」。

「摳門」設計師不斷優化方案

當時，譚平去了臺北101大廈取經。一研究，他就發現難有借鑑之處。「臺北101大廈給了五層樓高的空間做抗震系統，而廣州塔只『給』了兩層，還不是完整空間，要與一些觀光遊樂設施共享。」譚平說，最後他拿到的「地盤」只有不到9米，水平距離�1.2米。

「空間的高度不夠，水平方向的位置也不足，這給我們的挑戰非常大。」譚平心裡有些打鼓，「基本沒有先例可循。」

更讓譚平覺得「雪上加霜」的是，「作為觀光塔，要求設備不能用混凝土弄得黑乎乎的，還要具有一定的觀賞性」。所以，現在看到的這個水箱造型，既要滿足減震功能，又要好看，「這一項，我們花了三個月時間來優化」。

從剛開始幾個不同的方案，到最後確定一個最可行的方案，譚平說：「我們計算分析花了一年多時間。」最後把這一方案確定後，譚平團隊又花了數年時間來完成各細部的深化設計，試驗與現場調試。

譚平滿眼自豪：「臺北101大廈是一個被動控制系統，而廣州塔加入了人工智慧的元素，有主動控制也有被動控制系統。整個塔遍布傳感器，能即時把數據傳遞到電腦，再根據內置的實時智能算法，可以下指令讓減震系統始終處於最優的工作狀態，把整個塔的震動減到最小。」

還讓譚平更驕傲的是，廣州塔的這套減震系統還是個「摳門」的方案：把塔內原有的消防水箱的質量變成整個減震系統的組成部分。「臺北101大廈減震系統的金球花了400萬美元，廣州塔不可能花這麼多錢來做。我們用混凝土增加消防水箱的重量，通過優化外形，結果看起來也還不錯。」譚平笑道，「混凝土和水都花不了什麼錢。」

逼出來的方案

這些年來，減震系統也遭遇了好幾次大颱風的正面「宣戰」，這次的「山竹」是風力最大的一次，不過，譚平卻沒有2012年「韋森特」來訪時那麼緊張，當時塔頂風速達到35米/秒，這次的塔頂風速超過了40米/秒。

前幾天「山竹」到來，譚平說：「大家都在感嘆，減震系統都運行八年時間了。」

「從2006年開始到確定減震方案， 花了1年多時間，各關鍵子系統模型的性能測試試驗，在實驗室裡又花了近兩年時間；在廣州塔頂的原型控制系統的現場安裝與調試，又花了兩年時間。」譚平說，直到2010年，整套減震系統才正式啟用。

譚平感嘆，子系統測試時，全部人擠在狹窄的空間裡工作，特別是炎炎夏季，塔頂上也沒有空調設備，常常在裡面一待就是一整天。

不過，這些在譚平看來也「算不得什麼」。2008年，整體方案的計算已經完成，但「設計每一個子系統，精確到每一個零部件」讓他非常頭疼。「我們確定採用世界首創的主被動複合質量調諧控制技術後，要把這個理念落實到每一個子系統，包括調諧所需質量如何利用現有消防水箱達到？怎麼把水箱支承起來又不能偏離中心？怎樣讓系統運行時的摩擦最小？採用何種驅動裝置來實現國內首例主動控制。」譚平形容走的每一步都「揪心」。

比如他們最初設計的兩個正交的阻尼器，在水箱下部的有限空間運行時極有可能會「打架」。「好在還有一絲可能性」，後來，他們把整套系統的每一寸空間都進行了優化，把空間「擠到極致」。然而，牽一髮而動全身，一丁點空間的騰挪往往要對整個系統進行重新調整，這個工作量就極大了。

他拍著辦公桌說：「好多個晚上就在這裡，覺得做不下去了。」不過，心裡還是想著：絕不能放棄。「好在不是一個人，大家一起想點子，把它堅持做下來了。」譚平說，「有好的想法要去真正實現並不容易。最後出來這樣一個方案，完全是逼出來的。」

廣州塔減震系統介紹：

根據廣州塔的實際情況確定採用兩級主被動複合調諧控制技術，減震控制效果約40%以上，為國內首創，達到世界一流水平。

在塔頂對稱設置了兩套混合調諧控制系統。每套控制系統由被動調諧子系統與主動調諧子系統組合而成，採用該塔中固有的消防水箱(每個消防水箱，含水箱與水總重量約650噸)調諧質量。

風再大塔都吹不倒

廣州日報：廣州塔的減震系統還會不斷更新嗎？

譚平：我們會不斷地更新。因為人工智慧發展越來越快。其實，我們已經更新過一次了。

在過去，我們的目標是能夠做成就行了，現在則會更多考慮到它的安全可靠。譬如裝了這麼多傳感器，萬一有一個傳感器失靈，我們就會把這個傳感器的信息屏蔽掉，不會因為錯誤信息而誤導控制系統。

再過兩年我們設計的系統就十年了，到了這個十年的階段我們會為系統做一次全面的「體檢」。

廣州日報：假設有比「山竹」更猛的颱風，會不會擔憂廣州塔的抗風能力？

譚平：沒有什麼擔憂的。首先廣州塔本身沒有安全性的問題，風再大塔都是吹不倒的。

其次，系統現在的這個潛力才用了不到一半。整套系統都有�1.2米的位移，這次「山竹」颱風系統的位移才40釐米左右，即便到了80釐米，系統進入第二級工作狀態，系統的阻尼會增大，減震效果稍有下降，但整套系統的安全裕度還很大。

「山竹」已經是個足夠猛烈的颱風了，要比「山竹」大一倍的風力才能達到我們第一級優化的極限，我覺得我們(的系統)是絕對安全的(笑)。

廣州日報：為什麼當時下定決心回國？

譚平：我的家人都想不通。他們覺得國外好一些。我跟家人說我到哪裡工作都餓不死，在美國也能過得很好，但是人不僅僅是謀生的問題，還是要做點事情。在國外可能只能做研究，但是回國後可以學以致用。

廣州日報：回國之後就一直待在這裡做工程防震研究嗎？

譚平：是的，我從2000年參加工作之後就一直待在這裡。你看到的是破破爛爛的實驗室，我倒是覺得這裡是紮實做學問的地方。當時回國也有些學校邀請我，但我還是回到了廣州大學。一方面我的導師在這裡，另一方面是廣州大學在這一塊領域做得非常好。

廣州日報：現在國際交流有沒有共同合作的空間和方向？

譚平：廣州市給我們投了3.6億元在大學城建立新的實驗室。建好後的實驗室在全世界都是一流的，我們希望藉助這個平臺，和更多同行交流和合作。

現在提倡「一帶一路」，我們也希望通過這種交流，看看別人怎麼做的。我們馬上要去訪問義大利減震方面世界知名企業，我們中國也有一些相當規模的企業。希望藉助這種平臺能把國外的先進產品引進來，同時把國內好的產品帶出去。