導讀
今年第22號颱風「山竹」（強颱風級）已於16日17時在廣東臺山海宴鎮登陸，登陸時中心附近最大風力14級（45米/秒，相當於162公裡/小時），中心最低氣壓955百帕！深圳市氣象局於09月16日20時01分將深圳市颱風紅色預警降級為橙色預警，請繼續做好防禦。
日前，廈門市建設局巡視員、副局長、教授級高工林樹枝博士授權我刊發布的「高層建築結構抗風設計」報告，就風洞試驗、風荷載取值、抗風措施、提升高層建築舒適性及提高結構抗風能力等內容進行詳細的解讀，內容豐富、分析透徹，獲大量轉載轉發，詳情點擊:建築結構丨高層建築結構是如何抗風的？。
9月16日，「史詩級」颱風「山竹」登陸我國東南沿海，微博、微信被這張圖刷屏了......
當然，從事相關行業的大家都知道，這種高層建築的晃動是正常的，而且是必須的，視頻中這種幅度並不大，大家不必擔心。
但是也可以看出，「山竹」的威力真是不容小覷，颱風肆虐時那些超高層建築還安好嗎？
1、闢謠：平安大廈擺動達到設計最大值？
圍繞平安金融中心，有一些片狀物飄動，有傳言稱外圍玻璃幕牆或窗戶出現被颱風破損的情況。平安集團相關人士介紹，截至目前，平安金融中心幕牆玻璃沒掉，是附近飛起的雜物。
另外網上流傳一封平安內部的電子郵件，平安大廈最大擺幅是兩米，已經觸及到危險值了！
平安集團稱，目前，大樓阻尼器擺幅在設計值的50%左右。大樓各項情況正常，安全。感謝對平安金融中心的關注。
2、闢謠：深圳騰訊濱海大廈颱風天掉玻璃？
微博有消息稱，騰訊濱海大廈的外牆玻璃被颱風吹掉幾塊。對此，騰訊公關總監張軍在朋友圈和微博回應稱，玻璃完好無損。
張軍表示，朋友圈盛傳騰訊濱海大廈外牆玻璃被吹掉，趕緊請有關團隊去檢查，「看到它們完好無損」。張軍還稱為了對抗山竹，公司行政團隊已做好充分準備，嚴陣以待，並戲稱，「山竹，你溫柔點吧」。
在朋友圈評論區，張軍進一步解釋，濱海大廈表面為玻璃幕牆結構，在各個樓層有新風排風各種通風口，同時為節能也有遮陽板的設計，這些部份造成在樓體表面視覺效果上呈現為少許不同，「不用擔心，沒有任何玻璃或構件從濱海大廈上破損或掉落」。
張軍還曬出濱海大廈在颱風之中與颱風到來之前的兩張照片，看上去，確實是網友們多慮了。
可見，這些地標性建築的表現還算優秀~但是颱風對高層建築結構的影響不容忽視，建築結構抗風設計的重要性也擺在工程師們面前。
近期，廈門市建設局巡視員、副局長、教授級高工林樹枝博士，結合高層建築抗風設計特點及多年的研究心得，詳細分析了2016年「莫蘭蒂」強颱風對廈門市高層建築的影響，在此分享給大家。
2016年9月15日，廈門遭遇建國最強颱風--「莫蘭蒂」颱風，颱風登陸時最大陣風17級，中心最大風力15級，風速48米/秒。整個廈門大面積斷電停水，65萬株行道樹倒伏，566家企業受災，17907間房屋倒塌，經濟損失超過100億元。颱風在廈門境內持續3個小時。風荷載超出國家標準較多，造成幕牆抗風壓性能、水密性能、氣密性能、耐撞擊性能等各項性能大大超出限值。高層鋼結構建築、幕牆支撐鋼結構經受了嚴峻考驗。
廈門海峽明珠廣場地上50層，總高度232m，鋼結構建築。受「莫蘭蒂」颱風襲擊，石材幕牆角部區破損脫落，部分為撞擊物撞擊破損，有少數玻璃面板破損脫落。
廈門五緣灣某寫字樓玻璃面板從上到下全部損壞。屬於玻璃面板強度超限，未能抵抗此次颱風。
強颱風過後，廈門市建設局組織對全市房屋建築受損情況進行調查，掌握第一手資料。全市幕牆多數表現良好，經受住強颱風的考驗。但有約有5萬m2的幕牆破損，發生破損的幕牆，其幕牆的支撐鋼結構基本完好，主要為石材、鋁板、或玻璃破損，個別開啟扇掉落和五金件失效等。外維護結構損壞主要由下列原因造成：（1）由於風力太大，高層建築，特別是高層鋼結構建築層間側移過大；（2）群樓的狹管效應引起；（3）風致效應引起；（4）面板強度不夠引起；（4）設計不合理引起（包括：造型奇特、迎風面太大、玻璃沒有夾膠等）。
▼ 提升高層建築抗風能力的措施
1、控制建築物的造型：最好的建築平面就是最沒有特色的圓柱體或者正多稜柱。若是正方形，角部宜切掉了一小部分，使平面形狀沒有直角或者銳角。建築外表面也要儘量的光滑，各種裝飾性的突起要儘量避免。仔細觀察一下全球400米以上的超高層建築，絕大多數也都是這個造型。
2、優化結構構件：高層建築一般是結構柔度大，自振頻率比較低，如果與風振頻率接近，在風的作用下振幅就會很大（共振）。改變自振頻率有很多辦法，最直接的辦法就是通過優化結構構件（梁、柱、剪力牆、支撐）的尺寸和布置，把結構的自振頻率控制在合理的範圍內，使得建築在風的作用下保持較好的舒適性。
3、增加減振裝置：超高層建築，因為高寬比太大，結構太柔，僅通過結構設計調節，難於有效改變結構的自振頻率。特別是鋼結構建築，阻尼比較小，需要在一些特殊的部位設置風阻尼器（TMD、質量調節阻尼器），或設置阻尼牆、偏心支撐、屈曲約束支撐等耗能構件，達到減少風致效應、提高舒適度的目的。
一、控制建築物的造型
風是紊亂和隨機的，風對建築物的作用十分複雜，規範中關於風荷載值的確定，適用於大多數體型較規則、高度不太大的單幢高層建築。對風敏感的高層鋼結構建築，及高層鋼結構建築群，其體型宜做專項設計：
單體建築的體型係數應儘量小。其體型應有利於建築物減少受風面積，從而減少風荷載對建築物的影響。單體建築要有合理的流線，使風產生不了風旋渦，避免建築物產生風振，即使產生渦流，也要能減少建築物的搖擺振動。
建築群應綜合考慮群體內建築物的體型。建築群中的建築單體造型，對群體效應、狹管效應、風場流向等均有較大影響。複雜的建築體型，會對相鄰建築產生不利影響，還會影響風的流向，加上建築密度大，鱗次櫛比，易引發狹管效應，使城市街道風速加大，危及行人和行車安全。特別是當強颱風來襲時，峽管效應會使高層建築的部分外牆表面因風速過大而產生巨大負壓，玻璃幕牆或大塊牆板像雪崩一樣脫落，高檔門窗等也會突然崩塌、墜落傷人。
避免設計迎風面偏大的超高層建築
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避免設計立面造型複雜的高層建築
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廈門特房波特曼大廈：216米，鋼-混凝土組合結構。玻璃幕牆設計成外凸的直角三角形，通過三角形長短邊方向變化形成立面線條，其玻璃外牆形狀和防浪堤類似，狂風撞到玻璃外牆時，力量瞬間分散，不易形成集中壓力和吸力。
▲避免出現狹管效應
城市高樓間的狹窄地帶風力特強，易造成災害，城市「峽谷風」是各大城市面臨的新問題。風洞試驗經過數值模擬後發現，平地上3—4級的風，在城市高樓之間，經過「狹管效應」放大後，可達10級以上，颳起六七級大風時，狹管效應能使通過高樓之間的瞬間風力達到12級。「狹管效應」的威力大小，與一個城市高層建築的數量、間距、建築物的位置有著密切關聯。高層建築物越多、體積越大、間距越近，出現「狹谷效應」的機會越大。
▲2016「莫蘭蒂」颱風--狹管效應
廈門中航紫金廣場。塔樓A、塔樓B均為寫字樓，地面以上總層數41層，屋面高度為180.7m，採用鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結構體系。A、B兩幢樓距離較近，周邊建築群密集，建築風環境極其複雜。
▲2016「莫蘭蒂」颱風--狹管效應
對於密集區域高層建築，其建築體型係數放大較明顯。颱風風眼或近中心附近移動路徑經過建築結構所在位置時，風速和風向都發生劇烈變化，若未充分考慮群體風乾擾係數，則會大大降低建築物的安全性。
▲狹管效應造成幕牆局部破壞嚴重。
▲《建築結構荷載規範》50009-2012
密集高層建築群造成的狹管效應、風致幹擾效應等原因均會造成局部瞬時風壓增大。此種狀況下玻璃破壞表現為中空玻璃內、外二層同時破壞；如廈門兩岸金融中心旁邊的二幢高層，由於二幢高層間距較近，從東北向吹過來的颱風經過第一幢時，風從角部經過造成的脫落旋渦直接作用在第二幢高層幕牆上，局部風壓增大，造成玻璃內、外片同時破壞。
▲這種造型，狹管效應明顯：
群體風相互幹擾，風荷載增大較多。計算時，風荷載取值應按風洞實驗。
幕牆的支撐鋼結構的剛度要足夠大，以抵抗巨大風壓。
每塊玻璃在大風下均不能破壞，否則，局部玻璃破碎後產生的碎片在建築間複雜風環境的作用下，四處飛射並撞擊到其他玻璃，造成原本不會破壞的其他玻璃破碎。
推薦採用夾膠玻璃。膠片可以增加玻璃抗穿透性能，同時還可以有效控制玻璃碎片飛散，防止碎片被颱風捲起對玻璃造成二次打擊。
▼「莫蘭蒂」颱風的教訓
處於「狹管效應」位置的玻璃，若反向安裝，颱風時損失嚴重。單片玻璃位於外側，夾膠層在內側，外側玻璃面板易發生碰撞損壞，破損的玻璃碎片，還會擊破其他玻璃。應採用夾膠中空玻璃，且夾膠玻璃位於外側。
▲複雜體型，應做風洞試驗
（外型極其複雜，體型係數和風振係數難於確定）
複雜的建築表皮，風荷載難於確定，數值計算、加工製作、施工安裝難度也大。
廈門天語舟雷達工程
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▼有特殊要求的建築，抗風設計應專門研究
（廈門氣象雷達科普觀景塔）
建築物坐落在海拔120米的山上，風力較大。地上20層，建築頂部高度77.6米，塔樓結構採用帶部分鋼支撐的鋼框架一鋼砼組合筒體結構，外框柱採用12根φ450x15曲線鋼管柱。
氣象雷達用於對颱風、龍捲風、冰雹、雷暴、暴雨等災害性天氣的觀測和監視。建築物的側移不能太大，還要確保颱風等災害來臨時，監測儀器能正常工作，因此，風荷載取值需做專門研究。
二、減小高層建築在風荷載下的水平側移
▼減小高層建築在風荷載下的水平側移
增設加強層，對解決高層建築抗風問題十分有效。設置水平加強層後，將引起結構主要內力重分布，使結構構件更能發揮抗側潛能，從而減少層間側移。
加強層設置要綜合考慮數量、位置、伸臂結構形式、伸臂結構剛度等因素。宜在適當的樓層設置適宜剛度的水平伸臂構件。太柔作用不明顯，太剛又會剛度突變，不利於抗震。必要時，也可同時設置周邊水平環帶構件。
廈門世茂海峽大廈，兩棟超高層鋼結構建築（總高度300米）。「莫蘭蒂」颱風後，主體結構及幕牆完好無損。
三、重視幕牆支撐鋼結構的設計
▼幕牆的支撐鋼結構
進入二十一世紀，鋼結構大量應用於幕牆骨架。十多年來，我國已建成的採用焊接鋼結構支承的玻璃、鋁板和石材幕牆，這類工程甚至經歷了多次12級到14級強颱風的吹襲而完好無損。但應重視以下問題：
幕牆的大型支承鋼結構是鋼結構的一部分，應按鋼結構規範執行，其結構設計使用年限宜按主體結構考慮。
焊接是鋼結構最可靠的連接方式之一。國外也有許多幕牆的鋼橫梁、鋼立柱採用焊接，並非全用螺栓。但高空焊接，如何檢測，質量如何保證，是個大問題。（鋼結構專業施工隊伍？焊工持證上崗？）
支承鋼結構同樣存在溫度應力，存在防火、防鏽蝕等問題，應高度重視。
▼幕牆的支撐鋼結構（全明框架式幕牆大樣圖）
系統說明：
鋼框架外包鋁型材，豎向裝飾扣蓋60mm寬，出玻璃面20mm高
玻璃最大尺寸：
1800*4500（W*H）
玻璃配置：
8+1.52PVB+8+12A+10mm
藍灰色鋼化LOW-E玻璃
四、提高幕牆的抗颱風能力
▼廈門國際中心超高幕牆應對超強颱風的措施
廈門國際中心總建築面積18.56萬平方米，建築高度339.88米，地下4層，地上61層，是福建省最高的超高層鋼結構大樓。建築幕牆總面積約62000平方米，採用了豎明橫隱的單元式結構幕牆體系。「莫蘭蒂」颱風來襲時，結構已經封頂，幕牆已施工4/5。
廈門國際中心幕牆工程在前期設計、後續施工以及颱風肆虐期間均進行了周密考慮和預案應對，施工期間強颱風來襲，幕牆完好無損。這是典型的超高層鋼結構建築幕牆工程預防強颱風的成功案例。
1、安全等級。本工程幕牆的結構安全等級按1級進行設計。埋件系統、轉接件和單元掛件系統、龍骨系統、橫豎框連接、上下單元插芯、結構膠以及豎向裝飾框的連接系統等在結構計算時均提高了安全係數。
2、風荷載取值。除了基本風壓、場地粗糙度、抗震設防烈度、設計地震基本加速度均按規範給定的參數進行選取外，還嚴格按照工程的風洞試驗報告進行標準風荷載取值，最大設計風荷載WK=6.6kN/m2。
3、玻璃：在提高安全係數的前提下，經過嚴格計算，幕牆透視部位採用HS10+1.52PVB+HS10+12A+HS10夾膠中空玻璃，層間玻璃採用HS10+1.52PVB+HS10夾膠玻璃。不但中空玻璃的內外片進行了等強度設計，而且夾膠玻璃的採用，大幅度提高了玻璃的安全性。
4、結構膠。採用超高性能矽酮結構密封膠。
「莫蘭蒂」颱風來襲時，幕牆正在施工。颱風對未封閉建築有很不利的影響，未上牆的材料眾多，現場機具、設施很多，情況複雜，提前做好防範措施很關鍵。強颱風過境，廈門國際中心工地沒有發生任何人員和財產損失，是一個奇蹟。
颱風來之前，現場清理場地，不再進行施工。
對堆放在樓內和風口的材料，集中轉移到避風處，保證樓內及風口處無散落材料。
對於已經安裝的開啟窗逐個檢查，並全部關閉鎖死，保證開啟不被風吹落。
對最上層單元板塊的防跳動裝置逐個檢查，並全部安裝且緊固，保證頂層單元不被掀起掉落。
颱風到來之前，將所有吊藍的鋼絲繩每隔10米與裝飾框捆綁一次，吊籃副繩和生命繩通過地面的打地錨固定。
2016年，超強颱風「莫蘭蒂」襲擊襲擊廈門，廈門中心大廈還處於施工階段，由於施工垂直運輸的需要，玻璃幕牆的周圈沒有閉合，颱風來襲，強風穿膛而過，玻璃需要承受巨大的正風壓和負風壓作用，相當於兩面受風。這時候，幕牆處於最危險的狀態，受力是最為不利的，在這種情況下，玻璃幕牆很容易遭受重創，歷史上，這樣的例子很多。但颱風過境後，出乎意料，玻璃幕牆幾乎完好無損。這是個奇蹟，非常值得驕傲！
施工中的玻璃幕牆，能經受考驗，關鍵是幕牆設計與施工的精細化。為什麼這個項目的玻璃幕牆能承受這麼大的風力？一是它的幕牆骨架做得非常牢靠；二是選用的玻璃比較厚，外側2層玻璃夾膠，內側1層玻璃，雙層鍍銀Low-E中空；三是它的流線型設計也減少了風的阻力；四是採用BIM技術，幕牆設計、施工一體化集成。應該說，這個項目捨得投資，在設計的時候，風荷載也考慮得比較足。
▼提高幕牆的抗颱風能力
玻璃幕牆高度大於200m或體型、風荷載環境複雜時，宜進行風洞試驗確定風荷載。建議超高層、臨海密集區高層建築、異型建築應進行風洞試驗。
控制隱框玻璃幕牆的使用高度。建議高度超過100m的玻璃幕牆採用明框、半隱框的做法。
控制板塊的尺寸。建議隱框幕牆板塊的面積不宜超過4m2，開啟扇板塊面積不大於1.5m2。現在許多工程的隱框板塊，尺寸非常大，甚至超過6m2，這些板塊承受的風力使得膠縫寬度達到無法接受的程度，只能使用超高強度結構膠才能過關。
玻璃品種。有脫落風險部位應採用夾層玻璃，明確玻璃材料選用要求。高層玻璃幕牆優先選用超白玻璃和均質鋼化玻璃，降低玻璃內部缺陷率。
五、增加減震裝置
▼風阻尼器（TMD、質量調節阻尼器）
減小風力對超高層建築的影響，最新的技術是在超高層建築設置一種風阻尼器（TMD、質量調節阻尼器）的裝置，能有效地減小強風力對超高層建築產生的搖晃。
上海環球金融中心，安裝了兩臺用來抑制建築物由於強風引起搖晃的風阻尼器。當遭遇6級以上強風時，建築內的人會有輕微搖晃感。考慮到上海時常遭遇颱風襲擊，設計時，特別安裝了這樣的風阻尼器。
▼臺北101
建築高度508米。採用新式的「巨型結構」，在大樓的四個外側分別各有兩根巨柱，共八根巨柱，每根截面長3米、寬2.4米，自地下5層貫通至地上90層，柱內灌入高密度混凝土，外以鋼板包覆。大樓的外形設計成鋸齒狀，經由風洞測試，能減少30-40%由風所產生的搖晃。為減少風荷載下的側移，每隔8層設一道剛桁架加強層。
為了因應高空強風及颱風吹拂造成的搖晃，大樓內設置了風阻尼器（質量調節阻尼器），即在88至92樓掛置一個重達680噸的巨大鋼球，利用擺動來減緩建築物的晃動幅度。
▼風阻尼器（TMD、質量調節阻尼器）
2015年第13號超強颱風「蘇迪羅」，08月08日凌晨，以中心附近最大風力15級（48m/s），在臺灣省花蓮登陸，臺北101大樓內的風阻尼器擺動幅度達100cm，擺動幅度創歷史最大。風阻尼器設計的最大擺幅可達正負150cm，用來平衡大樓左右搖晃，可減少大樓約40%的晃動幅度。
▼廈門國際中心
廈門國際中心總建築面積18.56萬平方米，建築高度339.88米，地下4層，地上61層，集超甲級寫字樓、單元式辦公、高檔會所、觀光等為一體，是福建省最高的鋼結構大樓。
消能減振方案採用粘滯阻尼牆進行風振控制。X向和Y向共布置68個170T粘滯阻尼牆。有效滿足結構舒適度要求。
▼廈門帝景苑
廈門首個超高層住宅項目，5幢62層，258米高，（Ⅰ期+Ⅱ期）50萬平方米，全鋼結構精品住宅。
為減小風荷載作用下的層間側移，全樓設置了約束屈曲支撐。
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▼結論
高層建築的風荷載包括三部分：平均風壓產生的平均風力（靜態荷載）；脈動風壓產生的隨機脈動風力（動態荷載）；由於風致建築物振動產生的慣性力（動態荷載）。高層建築的動態荷載不容忽視，但要準確地確定風荷載，必須依靠風洞試驗。
廈門市風荷載大，許多高寬比較大的高層建築，層間側移由風控制，抗風設計尤其重要。建築方案應儘量採用體型係數較小的建築平面（如近似正方形、圓形等），避免採用迎風面較大的建築平面。
高層建築的外維護結構在歷次強颱風襲擊中，均遭受較大的損壞。地處颱風風口、或出現狹管效應的建築群內、以及風致效應明顯的區域，外維護結構的破壞特別嚴重。外牆、外窗、幕牆應進行專門的抗風設計。外立面應儘量光滑平順、簡約簡潔，避免採用外型複雜或造型奇異的建築立面。
來源：土木吧、中國基金報，鋼結構，建築結構綜合整理。
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