中國的第一高塔是哪座？
東方明珠？那已經是老黃曆了。
從2010年開始，中國的最高塔已經被廣州新電視塔——“小蠻腰”刷新。它的總高度600米，遠超東方明珠電視塔的468米。是中國第一高塔，世界第二高塔，僅次於東京晴空塔。
廣州塔的主塔體從一個橢圓形開始，向上逐漸延伸、旋轉，先縮至極細處而後又逐步放大，整體渾然天成。纖細的外形和曼妙的“束腰”讓廣州塔充滿了張揚和嫵媚。從廣州大劇院到廣州塔，廣州人民在建築的創新上始終走在時代的前列。
小蠻腰的難，關鍵在“腰”上
廣州塔的塔體實際上分為兩個部分。外部是顯示出“小蠻腰”外形的鋼結構外框筒，內部則是橢圓形的鋼筋混凝土核心筒，二者之間通過樓層相互連接。內部鋼筋混凝土結構的抗壓能力強，可以承擔整個建築的重量；而外部鋼結構彈性足，“能屈能伸”，可以抵抗地震、風力這些橫向力。內外兩個好兄弟各有所長，互相配合，保障了建築物的安全。
雖然這種內外差異化的結構在全球超高層建築設計中被廣泛使用，但用在“小蠻腰”的方案中時卻遇到了全所未有的挑戰，挑戰來自“小蠻腰”的“腰”，這個纖細而動感的“腰”著實給結構工程師出了個大難題。
我們知道，一座建築如果要想要穩定、堅固，並且儘可能高，最重要的因素有這麼幾條：
一是重心要低，最好是上細下粗。這樣，下面的結構承擔得起上面的重量，萬一發生了地震，左右搖晃，上面的結構也不容易垮塌。
二是結構要對稱，結構當中受力均衡，不會有某一個方向上的薄弱環節，也就是“命門”，來破壞整棟建築的穩定性。
三是結構要“敦實”，越往下的部分越厚重，這樣才能維持建築足夠大的剛度，保證足夠的抵抗變形的能力。古埃及人在五千年前就意識到了這一點，因此設計出了久經歷史考驗仍屹立不倒的金字塔。
重心低、對稱、密實，金字塔是最能體現穩定性原則的建築
然而，廣州人偏偏愛上了“小蠻腰”這個打破常規的方案。它中間細，頂端粗，上大下小，打破了重心低的原則；它橢圓形拉伸的鋼框筒扭轉偏心，打破了對稱的原則；它通體鏤空，打破了密實的原則。廣州人為中國工程師們提出了一個顛覆建築學歷史的難題。
建造“小蠻腰”，首先得抗風、抗震
為了蓋好這座打破常規的建築，清華大學、同濟大學、廣州大學等高校以及許多科研院所都參與其中。同濟大學負責“小蠻腰”的抗風性能和對策的研究，廣州大學則負責研究建築物的抗震性能。科學家們按1比50的比例尺為“小蠻腰”製作了一個12米高的模型，然後對這個依然十分龐大的模型施加各式各樣的外力，由此檢測整座廣州塔尤其是“小蠻腰”最薄弱的腰部會不會發生破壞，進而確定“腰”的具體形式和尺寸，以便獲得抵抗外力作用的最佳狀態，從而讓“腰”更健康，讓廣州塔更安全。
小蠻腰的結構穩定性模擬，中間腰部的突出部分意味著此處的失穩指數最高。圖片引自熊偉. 廣州塔結構穩定性設計分析，建築結構.2012. 42(6)
除了滿足建築安全的需求，人在建築內的舒適需求也很重要。在400米以上的高空，強風導致的建築物最高處搖擺位移可能會達一米多。這個數字聽起來嚇人，但其實與600米高度建築的最高點位移相比，這個數字並不大。只要建築不會來回往復地晃動，不論是處於安全考慮，還是滿足正常使用要求，就都不會有問題。
可無論是風還是地震，都不會以一個固定的大小均勻地作用在建築身上，它們的行為極其多變。一旦風或地震的頻率恰好與建築物的自振頻率重合了，建築物就會來回震盪，輕則使人感到晃動，重則造成安全問題，“小蠻腰”可不能這麼任性地扭起來！
如何防止“小蠻腰”風中亂扭？我們有抗風神器
抗風神器的名字叫做阻尼器，外形是一個巨大的球體，體重可達數百噸，位置在高層建築的樓頂部位。例如在臺北101大樓的樓頂，就有這樣一個重達660噸的大鋼球。它被懸掛在建築的頂端，在大風吹來的時候緩解大樓的振動。
可是如果在沒有風的時候，這樣碩大的鋼球懸在這裡，除了給建築物增加了額外的負擔以及供遊人拍照以外，便沒有什麼用處。如何“變廢為寶”，利用起這個大鐵球呢？
臺北101大樓使用的阻尼器，是一個重達660噸的大鋼球，通過鋼索懸掛在樓頂
小蠻腰的工程師們想到了一個聰明的辦法：與其讓這塊幾百噸重的大配重就這麼閒著，不如讓它來做消防水箱。
工程師們在頂層的安裝了兩個各540噸容量的鐵質消防水箱，水箱下面裝有軌道並帶有控制裝置。水箱平時當阻尼器用，當塔身晃動時，水箱受計算機控制向反方向滑動以消除塔身的晃動。而一旦建築發生了火災，在外部消防無法到位時，這兩個水箱可便可以承擔兩個小時的噴淋滅火任務，為人員的逃生爭取到寶貴的時間。
另外，對於電視塔146米高的信號發射塔尖，工程師們還額外採用了兩個18噸重的“小”鋼球，同樣作為鐘擺式的阻尼以減弱天線的振動。通過四兩撥千斤，工程師們用這個“巧勁兒”解決了阻尼這“笨重”的問題。
細腰的問題解決了，下一道題就是“偏心”。小蠻腰的鋼結構外筒自下而上扭轉了45°，結構三維傾斜，沒有一根鋼構件是垂直或者水平的，上萬根構件每個都不同，這為施工帶來了無盡的麻煩，構件的拼接越複雜，便越是要求精密。
施工是在冬天還是夏天，天氣是下雨還是晴天，都會造成構件輕微變形即熱脹冷縮。這一點點變形不要緊，累積在一起可就要命了。為此，工程師們佈置了溫度監控系統，對每一個微小的誤差實施監控。一旦稍有變形，馬上進行針對性的調控。扭曲的構件逐漸形成了一個整體，在結構師們的精心設計下，表面看起來扭曲的鋼結構外筒實則十分堅固，不會再有“命門”的出現！
廣州塔的鋼結構外筒施工過程中，每一個微小的誤差都得到了監控。圖片來自網絡
精巧的結構輕盈面對地震和颱風
廣州塔的鏤空外形經過抗風專家的巧妙設計，不僅沒有成為影響建築安全的缺點，反而是一個有益於結構抗風的優點。由於它透風，所以受到的風力會比較小。由於結構複雜，在風吹過的時候，廣州塔的四周會形成亂流，不容易形成某個單一方向的風或者強烈的風漩渦對塔施加過於強烈的側向力。鏤空的形式同樣大大降低了建築物的自重，使得廣州塔在面臨地震時能夠以更輕盈的姿態面對，抗震能力得到了很大的提升。
科學家們製作了小蠻腰的模型以模擬透風實驗。圖片引自熊偉. 廣州塔結構穩定性設計分析，建築結構.2012. 42(6)
小蠻腰顛覆建築學常理的三大問題解決了。最終，廣州塔以其能夠抵禦7.8度烈度地震和12級颱風的超高強度，以及超過100年使用壽命的超長耐久性贏得了世界的讚歎。
然而，小蠻腰畢竟不是像普通的摩天大樓那樣，只需安全地容納人辦公、住宿就可以。作為廣州的地標，它還肩負著商業休閒、觀光遊覽的功能，每天迎來送往的人員多的時候能達到兩三萬人。他們中有的是在樓內辦公的上班族，效率至上；有的則是悠閒的遊客，想要在電梯內欣賞景色。針對這兩種不同的需求，廣州塔內設計了高速和低速兩組電梯。高速電梯供樓內工作人員使用，速度極快，只需一分多鐘就可以把人從地面送上樓頂；而觀光電梯則速度很慢，可以讓遊客盡情領略窗外廣州城的風光。
兩組電梯相互分開，互不影響。而在火災等緊急狀態下，所有都可以迅速轉化為消防電梯，四部同時工作，可以在2小時內疏散兩千多人。要知道，在高層建築中，電梯能夠救助的恰恰是跑不動樓梯的弱勢群體，是最需要救助的那群人。
當今，“小蠻腰”已經成為廣州市當之無愧的地標建築，是如今廣州向全世界傳播廣州文化的窗口。2011年，“小蠻腰”獲得了中國建築工程最高獎項——魯班獎。這是對“小蠻腰”工程師團隊的肯定，也是對所有參與“小蠻腰”研究工作的科研人員的肯定。
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