上海中心大厦126层，一座重达千吨的阻尼器，如何让632米高的摩天大楼在强风中保持稳定？面对地震等极端情况，高层建筑又如何守护安全？
本期科创实景思政课堂对话中国工程院院士、同济大学教授、2024年度上海市科技功臣奖获得者吕西林。来自上海格致初级中学等学校的同学们走进上海中心大厦，又来到同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室、上海材料所，亲手触摸重大工程背后的科学：看千吨阻尼器怎样“稳住”高楼，在振动台上感受模拟地震，也追问一项工程技术如何经过十多年研究、试验，最终走进真实建筑。来看文字实录↓
01
大家和“大家伙”
主持人：今天这堂课，我们来到了上海中心大厦126层。这里有一台很特别的装置，就是千吨级电涡流调谐质量阻尼器。上海中心这么高，大楼会不会晃？这台大家伙又是怎样帮助高楼抵御强风的？
吕西林：大家上楼的时候可能感觉不到，实际上上海中心每时每刻都在晃动。高层建筑在风的作用下都会产生摆动，调谐质量阻尼器可以减小建筑的晃动，帮助保证建筑安全。
这套装置是我们团队和上海材料所等单位共同研制的。接下来大家可以看看，这个大家伙是怎样一步一步做出来的。
02
这些“小房子”
是干什么的？
离开上海中心，同学们走进同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室。实验室里摆着一栋栋“小房子”。
上海材料研究所有限公司减振技术事业部副总工程师、高级工程师 朱唯丰：这些小房子可不是模型摆件，而是真实建筑的“缩小版替身”。很多建筑在真正建起来以前，会先通过模型进行试验。模型经受住各种测试，我们才更有把握判断真实建筑会有什么表现。
Q：这么大的振动台，是怎么动起来的？
朱唯丰：台面下面有作动器，用液压系统推动振动台。可以把它想象成一个很大的“打气筒”，只不过里面推动的是油。这个作动器的推力可以达到250吨，大约相当于200辆普通小汽车的重量。
随后，振动台开始输入模拟地震波。原本静止的建筑模型明显摇晃起来。
朱唯丰：我们现在看到的还只是模型地震试验，但已经能够直观感受到地震对建筑的影响。为什么建筑要进行抗震和减震设计？原因就在这里。
安装了减震装置和没有安装减震装置的模型，在振动中的摆幅会有明显区别。地震和大风到来时，减震装置帮助结构消耗一部分能量，降低建筑的晃动。
Q：为什么阻尼器要放在这么高的位置？放在地基附近不行吗？
朱唯丰：建筑在晃动时，越靠近顶部，摆动通常越明显。阻尼器需要靠自身的运动来抵消一部分建筑晃动，所以放在摆动最明显的位置，作用会更充分。
设计做得再好，最后还要靠材料把它实现出来。阻尼器能不能长期稳定工作，材料本身也必须可靠。
随后，同学们又来到上海材料所，解锁更多材料的秘密。
朱唯丰：这一站，我们来到增材制造，也就是3D打印部门。细小的金属粉末被铺在打印设备表面，再通过激光逐层加工、堆叠，最后烧结成一个整体，形成所需的金属3D打印零部件。金属3D打印的一个优势，是可以在相同尺寸下设计出复杂的内部镂空结构，从而优化材料使用和结构设计。
这里还有几组模型，用来演示减震产品的作用。地震能量传递到建筑结构后，会引起楼体晃动；安装减震器后，可以减小建筑的振动幅度。
大家可以看到，这里有两组建筑和桥梁模型，一组安装了减震器，另一组没有安装。设备启动后，两者的晃动幅度差别很明显。减震的原理，就是在地震、大风等情况出现时，帮助建筑结构减小振动，提高整体安全性。
03
失败以后找原因，
然后继续再去做
Q：这么重的阻尼器，是怎么搬到126层的？
吕西林：它并不是做好以后整体搬上来的。生产时是一块一块制造，再由工人一块一块运上来，最后在现场拼装。
拼装的要求非常高。因为阻尼器本身需要运动，安装的位置、精度都要经过严密的计算分析。装好以后还要反复调试，看看能不能达到设计效果。工程安全不能有任何闪失。
像上海中心这样的重大工程，会有很多单位和研究人员共同参与。整个过程就是不断研究、不断验证，再不断调整。
Q：如果上海中心真的遇到台风或者地震，楼里这么多人，该怎么办？待在楼里安全吗？
吕西林：从地震工程的角度，我们并不希望大家在地震发生时慌乱地往外跑。
上海地区按照相应的抗震设防要求进行建筑设计。上海中心属于超级工程，在设计时又进一步提高了抗震要求，可以经受更高烈度地震的考验。高层建筑的安全，靠的是设计、计算、试验以及施工质量等一整套体系。
Q：在外人眼里，土木抗震这个是非常冰冷枯燥的，但是您却坚守一生。在这份科研事业当中，有没有哪一个瞬间让您觉得非常治愈，或者说非常有成就感？
吕西林：土木建筑工程是一个民生工程，长期的坚持是非常必要的。在人类衣食住行基本的生活需求当中，土木建筑工程和住和行有关。这个工作对我来说，非常有意义。我们做的事情就是让老百姓住得更舒适、更安全，让交通系统大家更便利。
要提高这个城市和建筑的安全，首先就是要保证建筑本身的安全。现在的研究，对于建筑的抗震安全，国际上也比较成熟了。但是我们会不断有新的结构，新的材料出现，就需要不断进行研究。另外，随着城市更新的发展，老的建筑怎么让它更舒适、更安全，这个也需要不断的研究。
比如说，对一些优秀历史保护，不能拆掉，又要保护，怎么办呢？我们就发明了建筑移位技术。最典型的是上海音乐厅，当时造延安东路绿地的时候，把它离了四十多米远。我们可以通过移位来把它保护下来。我觉得这个事情我们做了一辈子，从来没有后悔的感觉。
每当我们完成一项重要的工程，我们就感觉到非常有成就感。比如说，我到上海中心118层环绕一圈，看到下面那些建筑工程，绝大部分我们都参与过它的其中的抗震研究或者是建设，我们都非常开心。
Q：一个科研想法，怎样判断有没有真正的价值？
吕西林：想法走到实际应用，需要很长的过程。
以上海中心的相关技术研究为例，我们很早就开始做基础研究和专利布局，后来针对上海中心继续进行分析、试验，一直到现场安装成功，中间经历了很多年。
我经常跟学生说，做完一次实验，数据是不是理想、实验是不是成功，都不要太着急。更重要的是怎样面对失败。失败以后找到原因，再继续做下去，这是科研里非常重要的品质。
Q：普通人能够看出自己住的楼抗震好不好吗？
吕西林：普通人很难从外观直接判断一栋建筑的抗震能力。建筑在设计和建设时都有相应的规范要求。
居民自己特别需要注意的一点，是不要进行破坏结构的装修。装修时随意拆改承重结构，会直接影响建筑安全。这个问题我一直比较担心。
04
既要独立思考，
也要互相成就
问完现实里的建筑，问题又转向未来。这一次，吕西林把问题交给同学们。
吕西林：大家觉得，未来城市里的建筑会是什么样子？
A：我希望未来的房间更舒适，不需要人在不同地方来回跑。
A：我想把房子变成像哆啦A梦口袋里的胶囊一样，可以带着走，到哪里都能展开。
A：我想到的是大树。建筑可以像树一样形成自己的循环系统，在上面获得能源，也能向地下“扎根”，寻找新的能源和空间。
A：我希望未来的建筑能主动应对灾害。比如台风来了，它可以调整自己的形态，变成更适合抵御强风的样子。
A：很多动物在地震前会有一些反应。未来的房子能不能也拥有类似的“感知能力”，提前发现台风、地震等风险，再主动调整自己的状态？
这些想象里，有胶囊建筑、仿生建筑，也有能够主动感知环境的房子。很多今天仍停留在想象里的功能，背后依然绕不开一个最基本的问题：建筑怎样安全地面对环境变化？
Q：天气特别热的时候，阻尼器的材料性能会不会发生变化？
吕西林：正常的气温变化一般都在建筑材料能够适应的范围内，对材料性能影响有限。
真正需要特别考虑的是火灾等高温情况。建筑工程对耐火性能有明确要求，在规定时间内，要尽量保证结构不发生倒塌，为人员安全争取时间。
课程最后，同学们把自己对未来建筑的想象画了出来。有人提出“建筑体检仪”，希望机器人能够随时检查高楼健康状态；有人画出“云巅之盾”，希望建筑拥有抵御风浪的能力；也有人把材料、减震和城市安全放进同一幅图里。
看到“云巅之盾”，吕西林说，它与自己近些年的研究方向很接近：“最近十年，我们也在打造城市的‘安全之盾’，目前还在努力。”
离开课堂前，吕西林又把一个问题留给同学们：对于重大工程的建设和创造，既要有独立思考，也要有团队协作的精神。大家互相成就，才能完成大的事业。
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来源：看看新闻knews《WHY星人大会》
编辑：蓝悦
