北京
伦敦帝国理工学院与奥雅纳联合开展的一项研究提出了一种全新的超高层建筑设计理念，利用建筑自身重量参与结构响应控制，在提升建筑抵御强风和地震能力的同时，有望降低碳排放与建造成本。
研究表明，与传统设计相比，该方案可将强风作用下的建筑摆动降低高达70%，将结构受力降低超过50%，并使地震引起的顶部位移平均减少42%。通过同一套系统同时应对风荷载和地震作用，为高层建筑提供更安全、更具韧性且更可持续的解决方案。
长期以来，高层建筑抵御强风、地震等极端荷载，主要依赖提高结构刚度。为了限制建筑摆动，通常需要增加结构尺寸和材料用量。此次研究则提出了一种截然不同的思路：不再试图完全消除建筑运动，而是将其转化为提升结构性能的资源。通过充分利用建筑自身质量参与响应控制，在保证舒适度和安全性的同时，提高材料利用效率。该方案已通过风洞试验和地震模拟验证，结果显示可显著降低风致振动和地震响应，从而提升超高层建筑的安全性、韧性与可持续性。
该研究近期获《Nature》自然期刊遴选发表，由伦敦帝国理工学院土木与环境工程系、航空工程系携手奥雅纳工程师共同完成。
帝国理工学院土木与环境工程系博士研究员、奥雅纳资深结构工程师Miguel Martínez Pañeda表示：“建筑产生一定程度的运动并不意味着存在缺陷。与其通过增加结构尺寸或额外配重来限制摆动，不如将建筑自身质量转化为设计资源，在应对强风和地震时同步提升舒适性、安全性和材料效率。”
一套系统，应对两类风险
目前，许多超高层建筑通过设置调谐质量阻尼器来控制风致晃动。这类装置通常需要设置大型悬挂配重，不仅占用宝贵空间，对提升抗震性能的帮助也十分有限，因此往往还需额外配置独立的抗震系统。
研究人员采用了新的解决方案：不再额外增加阻尼装置，而是将建筑顶部部分可使用楼层设计为可控运动单元。该单元与核心筒之间通过弹簧和阻尼装置连接，在保持正常使用功能的同时，可产生微小且独立的运动，并利用自身质量吸收风荷载和地震输入的能量。换言之，建筑本身既是被保护对象，也成为了减振系统的一部分。
为验证这一设计理念，研究团队以一座300米高层建筑为原型，制作了1:300比例的模型，在伦敦帝国理工学院风洞设施及结构实验室开展测试。结果显示：峰值加速度降低高达70%，基底倾覆力矩降低超过50%，地震作用下建筑顶部位移平均减少42%。同时，在日常使用条件下，建筑使用者几乎不会察觉这些微小运动。
由于同一系统可同时应对风荷载和地震作用，对于香港、马尼拉、台北、厦门和汕头等同时面临台风和地震风险的高密度城市而言，具有显著应用潜力，并进一步降低材料用量与建造成本。研究团队下一步计划开展更大规模试验，并推动真实项目中的示范应用。
该研究获得英国土木工程师学会资助，并得到奥雅纳、世界垂直城市学会的支持。帝国理工学院国家风洞设施的使用权由英国工程与物理科学研究委员会协助支持。研究团队汇集了土木与环境工程、航空工程及结构工程等领域的专业力量，包括帝国理工学院土木与环境工程系研究人员、奥雅纳首席结构工程师 Miguel Martínez Pañeda，帝国理工学院土木与环境工程系 Ahmed Y Elghazouli教授，帝国理工学院航空系 Kevin Gouder博士，以及奥雅纳 William Algaard博士。在奥雅纳创研院的支持下，这项研究进一步体现了帝国理工学院与奥雅纳将前沿研究转化为实际工程解决方案的共同承诺。奥雅纳创研院致力于推动公司技术创新、未来能力建设及集体智慧的发展。
帝国理工学院航空学系高级研究员、Kevin Gouder博士表示：“这些测试让我们确信，这一设计方法不仅具有扎实的理论基础，在工程上也切实可行，且能够依托现有技术实现建造。当风洞实验中的模型响应与数值模拟结果一致时，我们意识到这一研究实现了关键一步。”
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