目前在**，超高層建筑的數(shù)量正以前所未有的速度在增加。為確保一棟幾百上千米的摩天大樓屹立不倒，其結構體系除了要承受得住自身的重力外，更重要的是要抵擋得住地震和臺風的考驗。那么，什么樣的超高層建筑和結構設計才是好的設計？
要討論超高層建筑的結構設計，首先當然要從它要承受的荷載說起。超高層結構抗風抗震問題，實際上是結構動力學隨機振動問題，在分析這些動力隨機荷載時，我們應該從時域和頻域這兩個角度對其進行分析。
首先討論一下地震作用，為了說明問題，通過MATLAB計算了所選地震波的功率譜，如下圖所示：
兩段地震波時程下面的兩個圖分別用頻率和周期的方式表示，實際上是同一個譜，這樣做是因為后面便于與規(guī)范反應譜比較。
從上圖中我們可以比較清楚地了解到地震作用在時域和頻域上的特性。在時域上來看，地震波短時間內(nèi)迅速增大，但持續(xù)時間短，大概在15s左右。而從頻域上看，地震波能量的主要周期范圍在0.1~1.5s之間，周期較短。
這個譜其實與抗震規(guī)范里的反應譜類似，只是這里是激勵譜，規(guī)范里的反應譜應該是對不同周期下結構的加速度響應譜，并做了概況和總結并取其包絡，當然也是可以根據(jù)地震作用的功率譜計算出來的（據(jù)動力學課本上描述是用時域方法Duhamel積分求出，其實當然也可以用頻域方法求出），所以形狀相似。
看了下規(guī)范，Tg大為0.9s，與上面分析相對應。
分析完地震波之后，我們來看看風荷載。特選取CAARC標準建筑模型的風洞試驗數(shù)據(jù)進行了類似地分析，請看下面三個圖：
上面三個圖給出的分別是CAARC標準建筑模型三個方向的基底彎矩時程和功率譜（順風向，橫風向和扭轉(zhuǎn)方向分別對應My，Mx和Mz）。
從時域上看，風荷載當然是持續(xù)不斷地吹的，作用時間較長并且有一定的周期性。從頻域上看，順風向風荷載隨著周期的增大逐漸增大，沒有明顯的峰；橫風向有明顯的峰，峰值對應的頻率在7~9s之間，特征周期較長（要注意這只是CAARC模型的，不同外形的建筑有所不同，不過形狀規(guī)整且高寬比不***的超高層建筑大概也在這個范圍）；扭轉(zhuǎn)方向風荷載也隨周期增大而增大，且也具有峰，但相比其他兩個方向的荷載較小。
至于橫風向和扭轉(zhuǎn)方向功率譜的峰的行成機理與空氣流動的漩渦脫落現(xiàn)象有關，其實作用在某個建筑上的風荷載，不**與這個建筑所在的風場地貌有關，也與這個建筑的建筑外形有關，這也是風與地震不同的地方。在這里簡單說一下，風吹過建筑后，會在建筑后方兩端產(chǎn)生漩渦，而這兩個漩渦往往以一定地頻率交替脫落的，這個頻率就是上面橫風向風荷載功率譜峰值所對應的頻率，漩渦脫落現(xiàn)象也是這個峰形成的原因。
在對荷載有了一定的認識之后，我們再對荷載對結構的影響進行討論。由結構動力學我們知道，每個結構體系都有自己的自振頻率。在對結構進行模態(tài)分析之后，我們可以得到結構不同振型下的自振頻率，在眾多振型中，往往是前幾階起控制作用。當這些起控制作用振型所對應的自振周期與上面分析的荷載的特征周期相等或足夠接近時，結構將會在荷載的作用下發(fā)生共振。共振將會產(chǎn)生巨大的力，對結構造成驚人的破壞！
抗震規(guī)范中為了考慮結構共振的影響提供了一個反應譜，根據(jù)不同的場地類型和結構自振周期來確定地震力的大小。現(xiàn)在我們再大膽地往前走一步，把風荷載的譜和地震結合在一起，放在同一個坐標系中，在這里，我們即便把它稱為“風震反應譜”吧，如下圖：
參考CAARC標模的風荷載譜，其實這個譜跟建筑外形有很大關系，對于形狀規(guī)整上下沒有多大變化的超高層建筑大概是這個樣子的。圖中風和地震數(shù)量上的大小關系還有待商榷，這里只提出大概的概念，主要看兩種荷載在周期上的分布。
從圖中我們看到，地震作用的主要作用周期范圍在0.1~1s之間，而風荷載主要作用周期比較長，順風向隨周期增大而增大，橫風向大約在7~9s之間。
至此，你有沒有一種想法，這就給結構設計提供了一個很好地參考，在對超高層結構體系進行設計的時候，如何可以把結構的自振頻率控制在兩個峰之間的低谷附近，那么這個結構所受的地震和風荷載將**減小，將是一個十分明智的決策！
基于上面的討論和分析，斗膽地對超高層的設計總結出兩點策略
1）對建筑體形的優(yōu)化
上面提到，建筑所受風荷載與建筑外形有關，所以我們完全可以對建筑外形進行有意識地優(yōu)化以減少所受風荷載。
其實上面“風震反應譜”中橫風向風荷載的峰是可以通過對外形的處理消掉和減弱的。通過對建筑體形進行一定的處理，如扭轉(zhuǎn)和增加錐度，可以有效減少所受風荷載。另一方面，通過增加多邊形邊數(shù)或者切角或者做成圓角，可以有效改善超高層建筑附近的風環(huán)境。其實在設計時，除了結構所受風荷載外，風環(huán)境也是一個很重要的考慮因素。你有沒有嘗試過從某些超高層建筑底下走過，是不是發(fā)現(xiàn)風特別大（國外已經(jīng)有案例由于風太大使一位奶奶摔倒然后把設計方告上了法庭），這就是超高層建筑對風環(huán)境的影響。
因此可以對建筑體形進行扭轉(zhuǎn)、增加錐度和切角等措施進行優(yōu)化，通過外形優(yōu)化后的超高層建筑，橫風向的峰**減弱或沒了，其“風震反應譜”可能會變成下面這個樣子：
所以，對建筑進行體形優(yōu)化對抗風十分有利，但從抗震的角度看，形狀也不能太復雜，變化不能太多，結構平面的質(zhì)心和剛心還是要盡量靠近或重合等等。需要相互協(xié)調(diào)。
2）結構自振周期的調(diào)整
建筑的外形被設計出來之后，我們便得到這個建筑的“風震反應譜”。從圖上看，當然你可以把結構做得非常剛，使自振周期在0.1s以下，這樣地震和風荷載都很小，然而現(xiàn)實中的超高層建筑是不大可能做成這樣的，要做成這么剛也不知道要耗費多少材料。而通過增加結構的柔度，可以有效減少地震力，大家都聽過柔性抗震了吧，這里就不展開說了。但是考慮到抗風的情況，功率譜隨周期增大而增大，所以也不能太柔，我們應該選擇通過有意識地對結構的振型和頻率進行調(diào)整，使得自振周期落在反應譜的低谷附近，將十分有效地減少所受地震和風荷載。
這里說得簡單，實際上操作起來很難，要考慮很多的因素。很多超高層建筑結構其實都比較柔，但是也要想方設法使自振周期落在反應譜低谷。
回到文章開頭提出的問題：
什么樣的超高層建筑和結構設計才是好的設計？
大概就是這樣：
建筑體形要有變化，但不能變化太多；結構體系要柔，但不能太柔~~
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