她的性感很复杂：揭秘“广州塔”技术细节（组图）

设计者海默尔夫妇是在荷兰阿姆斯特丹家中的厨房，完成了第一个塔的模型。他把一些弹性橡皮绳绑在两个椭圆形的木盘之间。“当我开始旋转顶部椭圆的时候，一个复杂的形状出现了！我开始激动起来，从这个简单的想法开始，我们把它发展成一个建筑物。”

“电视塔的审美疲劳已经延续了很长时间。历史上的摩天建筑都很阳刚，棱角分明，简洁沉重，楼层重复，而我们设计的电视塔曲线轻盈，空间和楼层平面的尺度具有多样性，具有阴柔的感觉，简单地说就是性感和复杂兼备。”马克•海默尔把自己的设计定位为“女性化”“有点像是女式礼裙”。

这个灵光一现的设计，在2004年广州举办新电视观光塔的的竞标中，从14家国际竞标者中脱颖而出。那时候，广州塔具备了现在的基本特征：塔身和天线桅杆总高610米(后因航空要求缩短10米)，用数十根柱子连接的两个椭圆平面，以及腰部扭转的形态。

“一般的塔，都是比较单一对称的形式，下面大一些，上面小一些，比较常见，但是我们完全把塔的概念突破了，它是一个扭转不对称的形式，这个形式是非常独特的，这也是塔在概念上的很大突破。”桌上放着水晶广州塔模型，对着南都记者，赵宏，奥雅纳工程顾问公司深圳分公司的副总工程师，熟练地开始了他五年来无数次演示中的一次。作为一名结构专家，他有20年的工程设计经验，主要参与的项目包括上海静安嘉里和北京央视住楼。这次，他是广州塔项目的工程设计总负责人。

建筑设计师的诗意，要真正如他描绘的那样，在珠江边屹立起来，转动城市的风水能量，需要工程技术上的严谨表达。赵宏从这里开始，进入这个故事。

腰到底能多细塔的腰围一直在变化，最后确定了一个能够保证结构安全的核心筒大小，在腰部，这个内筒跟外筒之间只有1米到1•5米不等

海默尔夫妇的荷兰IBA事务所才开业5年，默默无闻。他们的设计非常新颖，但单单如此，没有把握中标。他们因此联系了阿姆斯特丹的奥雅纳工程顾问公司(A R U P)寻求合作，奥雅纳是全球著名的工程公司，当时正在进行鸟巢、水立方项目等奥运设施的建设。

双方的联合，是IBA出设计方案，奥雅纳提供具体工程方案，评标过程中，广州市设计院加入合作。荷兰建筑师做到方案阶段，结构和机电工程由奥雅纳从方案阶段做到初步设计，把设计成果给广州市设计院做施工图。三方在每个阶段角色不同。

当“小蛮腰”方案入围最后三名决选，海默尔夫妇刚刚迎接二女儿的出生。然而，即便是他们有经验的合作伙伴，此时也对这个方案相当怀疑。

“计算机可以形成各种各样的形状，这个形状能不能站立起来，由什么组成，性能是什么样的，这些最初是完全不知道的。”赵宏告诉南都记者，“在概念竞赛的时候认识还是很粗浅的，完全是从建筑的角度给人家看，后来随着塔的结构和建筑之间的互动，一步一步把它每一点怎么实现进行落实，到了方案的后期信心才慢慢建立。”

海默尔夫妇制作了一个电脑模型，演算环梁的数量，支柱的数量和腰身的尺寸。最后他们发现，把笨重的36根柱子减为24根，“少女”就能拥有完美尺寸。

“大家都希望这个腰很细，最初是设计师希望腰细，业主看到后也希望腰细。但是细到什么程度才能够使塔站起来，这是重要的问题。对于结构来说，到了一定程度，再细就有安全问题了。另外每细一点，用到的钢材费用也要增加。”赵宏说，设计图每缩减1米，就要多加2000到4000吨钢材。于是，塔的腰围一直在变化，很晚才确定下来———塔底的椭圆大小是60×80米，顶部是40.5×54米，最细的腰部是280米的位置，20.88×36米，是用计算机找到的最佳数据。

腰围并不能随意剪裁。在“礼裙”的内部，一个混凝土的核心内筒贯穿塔体始终，与网格的柱子共同支撑起整个结构。

“这个腰能细到多少，有几个限制条件，一个塔底的稳定性，另外一个呢，就是中间核心筒的尺寸。因为核心筒的这个尺寸不定下来的话，这个腰做得再细，人上不去也是没有用的。于是我们把这个核心筒，从圆变成椭圆，适应这个围合力。”

数部电梯和逃生梯，给排水系统、电力和广播电视系统等各类管线，林林总总的设备，都必须包含在这核心筒的截面中。最后，确定了一个能够保证结构安全的核心筒大小，在腰部，这个内筒跟外筒之间只有1米到1•5米不等的距离。

在方案评审的时候，很多专家都怀疑塔能不能建出来。核心筒，如此细长的主体，专家们认为做到450米高不可能，混凝土不可行，一定要用钢结构来做。“后来我们特意做了方案比较，证实混凝土是可以做出来的。”工程团队认为，钢结构固然坚固，但从防火安全性来说，混凝土更佳；从材料造价来说，也节省较多。对整体的塔的刚度贡献来说，混凝土也比钢有利。“因为她是一个薄壁的椭圆，很多地方都封闭，封闭的结构很难破坏，但是网格状的破坏起来相对容易。”为了让结构更加稳定，每隔40米，外钢构和内筒之间就加装腹构材。

和评审专家的拉锯一直在持续。专家们认为，钢的网格和混凝土的核心筒之间，塔的变形会造成拉力。这个拉力对柔韧的钢结构来说，是很容易解决的，但混凝土结构可能承受不了。作为对专家们要求的回应，在最容易出现拉力的地方，工程设计者设置了一些钢结构藏在混凝土墙体里。

“很多人都说这么细的腰，对结构来说肯定是不合理的。”赵宏说，在说服专家和自己的过程中，他越来越相信这个结构的优越性：“它的结构就是建筑本身。”不同于一些标志性建筑将结构隐藏，这个塔是把建筑的东西收进去了，特意让结构成为建筑的外在形象。这个结构的优点在于，核心筒满足了塔的多元功能空间的需要，容纳了5个功能区相当于37个楼层，这在其他的电视塔上是难以做到的。

一切都安全吗由于其特殊的风环境，广州塔“把能做的风测试全做了”；健康监测系统，仿佛给建筑结构挂上了一部24小时的动态心电图扫描仪

对细腰结构的安全性质疑贯穿项目评审始终。如此玲珑剔透的一个结构，以前所未有的高度屹立，在台风频繁的华南地区，或者万一发生地震灾害的情况下，能否保证安全？

结构设计了两个重要荷载(外部影响在建筑物表面产生的力)，一个是风的荷载，另一个是地震的荷载。为此，在施工之前，进行了一系列安全性研究，其中主要是抗震和抗风研究。

在同济大学桥梁工程系教授朱乐东眼里，纤细的“小蛮腰”，“从抗风的角度讲，(结构)并不差。”因为它是透风的，受力会变小；有实心也有空心，风会比较乱，因此不会引起大的漩涡。不过，朱乐东的团队要完成这个建筑的风荷载报告，“是没地方抄的。”相对同样高度的建筑，它抗风能力会更好；然而它又有着世界第二的高度———“但这个建筑的关键是高得多，柔度大，风荷载就大。”

由于其特殊的风环境，广州塔“把能做的风测试全做了”，包括将一种叫做“蒙特卡罗”风环境研究方式，也在这里被初次引入工程项目。

“而越高的建筑结构越柔性，频率就越低，越向风的频率靠近。在这个意义上讲，对于越高的建筑，风比地震更重要。”

为了测试强风中“小蛮腰”的承受力，朱乐东团队进行了“气动弹性模型”实验。“气弹模型”实验模拟广州塔对振动反应贡献最大的结构，譬如核心筒、天线的运动和腰部的扭转，观测它跟风之间相互影响作用，通过技术手段，把力算出来。

这些复杂的运算，一是为了结构的牢固，二是为了人的舒适。

“空中漫步走道和顶上的观景台，人在走的时候是不是会感到不舒服？”这样就要进行“行人高度(2米左右)风环境实验”，此外，塔的几个入口也要进行实验，以免高楼风把行人吹倒。

“这个方面国内没有一定的规范，只能根据国外有关标准来参照。”譬如，人休息的场所，逗留时间长，标准就是风速每秒超过4米的时间，一年中不能超过5%；而逗留时间比较短的入口，可放宽到6%；塔的中段，“空中漫步走道”这样专门提供给冒险游客娱乐的空间，要求可以更加放松。

在400到600米的高空，因为强风导致的建筑摇摆位移可能达到一两米。“位移是不怕的，就怕来回猛烈荡。”引起来回猛烈摇荡的，是加速度。控制加速度，需要一个设施——— 阻尼器——— 一种缓和振动加速度的装置。

在很多建筑上，阻尼器往往是花费巨大的金属球或混凝土块，造价高昂、浪费空间。而这个阻尼装置，利用了靠近顶层的中央核心筒安装的两个各540吨容量的铁制消防水箱，水箱的下面安装有轨道，以便水箱可以滑动。当塔身晃动时，水箱可以通过传感器向反方向滑动，以此来消减塔身的晃动幅度，这可以使晃动位移降低40%。

广州大学工程抗震研究中心主任周福霖院士率领团队进行广州塔的抗震研究。他的副手谭平研究员还记得，有人专门写了一封信给周福霖，认为这个结构很不安全，会产生灾难性后果。

周福霖团队制作了一个超过12米高的比例尺模型，是塔楼尺寸的1/50，他们让模型在地震台上，接受7.8度的地震烈度测试。在广州，建筑物设防标准是地震烈度7度，7.8度在广州会是极为罕见的。不过实验的结果是，这“24根筷子”的结构堪称巧妙，相当稳固而柔韧，只有细腰部和主塔和天线桅杆连接部发生局部损坏。实验的结果是，天线加强，细腰不得不加粗———这个设计标准则是地震烈度7.8度。

还有更多实验，譬如广东省建科院，把塔模型分成了11截，把每截都放到实验室里去吹，吹完把整个塔的数据在计算机里合成，测量风压。而在清华大学做的两组实验，则主要是针对构件稳定性：拿出来一小块看柱子、斜撑的稳定性如何，并把整个腰部节选了一块，拿到实验室，模拟三维的力，加到构件上测试……

在周福霖团队那里，438米处的阻尼装置成为“主被动混合调谐控制系统”，不同于上海国际金融中心和台北101大楼的类似设备，是谭平引以为豪的国内首创，并且是兼有“被动”“主动”控制的混合控制系统。在“被动”的水箱上，加了一个小的主动控制系统。水箱一直在工作；小的主动控制系统则处于待机状态，只有在极端天气或灾难导致建筑反应特别大时才会启动，它“推着水箱动”，将水箱的缓振效果再加强8%到10%。

谭平如数家珍地告诉南都记者，这个系统采用“直线电机”的新技术，响应速度很快，装置小、寿命长、噪声小；很好地纠正了同类系统时间滞后的问题，且耗能极少，只有日本同类产品的20%都不到。此外，在天线上面做了两个18吨的金属球，作为钟摆式的阻尼，限制天线的变形和振动。

如此一来，在8级风力作用下，塔的顶部可能达到1.5米的水平移动，这是建筑的极限值，相当于建筑本体高度的1/300。“一般对建筑物的变形要求是1/500，对构筑物(人们一般不直接日常逗留的建筑物)的要求是1/100，我们这个是介于两者之间的，很足够了。”赵宏说。

几个参与安全性实验的团队都提出建议：作为国家投资的建筑，广州塔应该设置健康监测系统，为将来建设超高建筑提供宝贵资料。这个建议被采纳，一般用来检测桥梁的健康监测系统，通过数百个传感器，仿佛给建筑结构挂上了一部24小时的动态心电图扫描仪，实时监测电视塔的环境参数(温度、湿度、降雨等)、荷载(风和地震)和响应(关键部位的受力、水平位移、加速度、倾斜、沉降、腐蚀等)。

让她站起来钢结构专家吴欣之用“高”“扭”“偏”“柔”“外”来总结广州塔施工技术上的难点

在说服专家的过程中，工程设计者形成了一套直观的演示系统，演示塔的形状的变化规律。

塔的形成有几个过程，它从一个圆柱体通过拉伸，变成一个椭圆柱，椭圆柱体通过上下变化，下面变大，上面变小，再通过一个点，上下扭转45度。但这时候，连接上下两个椭圆的线是垂直地面的。再把上面椭圆的中心和下面椭圆的中心偏离了10米，不对称的扭腰形状终于成型。

然后，46道的椭圆环梁被安放在柱子编织的网格里，随着网格直径的扩大而扩大，环与环之间的距离也逐渐扩大，形成了疏密变化，从8米到10米间距不等，最后，环所在的平面又倾斜，与地面形成了15度的夹角。这是塔的外轮廓。而中间的椭圆柱体核心筒则是上下粗细不变的。

赵宏表示，作为结构工程师，工作过程里最大的成就感，“就是找到了几何数字的关系。找到这个关系之后，你任何的变化，都可以很快了解到，变成什么样子，对结构来说行还是不行。”

网格状的外围筒，环梁和斜撑和柱子是空心的，是用钢板卷成的钢管，焊接完成后，再往里面灌混凝土。做一层，浇一层。外框结构的每个接连点都不一样，总共有大约2000个连接点。这些连接点处的部件都是先在工厂做好，再进行焊接。

难题再次发生，支撑外结构的24根钢管本是设计成上下一般粗的筒状，随着高度上升，每个环梁区间的钢管逐渐变细。这便于施工。但有关领导要求更美观，把管子做成渐变式的，也就是喇叭状的。最底下柱子直径是2米，最上面柱子是1.2米，每段钢管上面和下面仅仅差了几毫米，要求极度精确——— 然而确实对外观颇有改善。

赵宏认为，业主选择上海建工集团施工是明智的，因为施工的难度很高，而这个施工单位进行了多项技术创新。

钢结构专家、上海建工项目总工程师吴欣之在学术交流场合，曾经用“高”“扭”“偏”“柔”“外”来总结广州塔施工技术上的难点：超高度带来施工高风险；外筒自下而上扭转45度，使结构呈三维倾斜，无一条线垂直或者水平，万余构件无一相同。施工变形控制难度大；钢结构底座与核心筒偏心9.3米，而顶部钢结构又与底座偏位9米，使结构在自重作用下发生侧移；结构细长，内外框筒连接较弱，核心筒截面只有14×17米，高度却达450余米；外钢构位于功能层外侧，因此施工时不能依靠楼层作为操作面，大大增加了施工难度。

柔性的钢构对阳光照射非常敏感，有太阳的时候，本对施工最有利，但是日照很容易引起结构弯曲。为此，施工方布设了温度实时监测系统，温度传感器均匀分布在8根立柱、3道环梁上和核芯筒的6根测轴上，然后对其数据进行分析和处理，指导施工。

“它既是一个塔，又是一个楼。”吴欣之说。造房子，一层层上去，即便很高，也不会太难，然而，核心筒和外钢构之间的功能楼层并不是连贯的，而是分段依附于核心筒，有很长的空腔没有楼。这需要一个特殊的施工平台。在楼层缺失的地方，在外钢构的环梁和核心筒的钢骨之间架设临时性的横梁，作为作业的依托。同时，施工单位设计了专用的操作平台，保证高空作业的安全。

即便操作平台够安全，在长达3年的施工过程中，遇到华南常见的暴风雨和雷电天气，也是致命的。因此，广州市气象站负责工程周边地区的近地和高空的气象监测，并在特殊施工时间点进行实时监测和即时报告。

整个施工过程，需要向越来越高的建筑上传递5.5万吨的钢材———北京鸟巢也只用了4.2万吨。常规的处理方案无法有效率地起吊如此大量的钢构件。两台法福克M 900D塔吊作为主力起重设备，分别安装于南北两侧，它们每次可以吊起64吨的重物；而100米以下的吊装则使用两台300吨的履带吊，构成四条快速的作业线。

每一圈环梁组装完毕后，就用混凝土填充钢柱，混凝土泵送机能以每秒30米的速度把混凝土泵送到塔顶，时速将近110公里。这种特殊设计的混凝土称为自充填混凝土，很容易流动摊铺开来，靠本身的重量沉淀，是目前高层建筑通用的建材。

到了最高处，施工方遇到了高度极限——— 桅杆顶部六七十米是塔吊无法达到的。于是，制定了天线桅杆整体提升技术，以计算机控制八组液压千斤顶及钢绞线，实现了天线顶端的超高空连续提升并就位安装。

此外，外框筒的涂装，超高空垂直运输，垃圾清理等都需要采用创新的专项技术才能解决。如广州塔钢结构的喷漆，很像是造船业的喷漆作业，必须达到很严格的防锈蚀要求。

让她动起来要降低速度，却不能牺牲运力，于是，观光电梯被设计成双轿厢，若发生火灾，在2个小时的安全期内能够疏散2000多人

奥雅纳工程顾问公司助理董事、机电工程师黄志宏负责整体的机电设计：电梯、空调、消防、给排水、市政配套、电力、管井协调等，他对这些听起来沉闷无比的工作，有一个浪漫的比方：“那是一位扭腰的少女，这样一个动感、飘逸和不规则的造型，结构工程师要让这少女亭亭玉立地站起来；而机电工程师则要给她身体里的血管神经，让建筑体的真正功能能运作起来。”

对于黄志宏，这位少女给他的挑战是多重的。原本预估的人流量，是每日7000到1万人，然而，上海东方明珠的人流高峰是两万人，于是，广州塔的竖向运输运力设计必须满足1.5万到2万人，甚至最高峰可以到3万。这些人不能长时间拥挤在塔下。

“造型相当优雅———但收腰的设计对于大楼的运输来说，是一个挑战。”黄志宏告诉南都记者，在设计过程中，奥雅纳公司和业主方不约而同有一个共识：人不是为了上去而上去，而是要在上去的过程中有所体验，看风景，“我们不是跑车和高铁。”

要降低速度，却不能牺牲运力，于是，观光电梯被设计成双轿厢，可以在同一楼层载运两倍的人。这样两倍的观众，可以以相对比较慢的速度，来欣赏城市景观；而非观光的乘客虽然也是双轿厢，却可以更高的速度，来满足工作、商务的效率要求。两部双层高速电梯把访客送上顶楼，只要一分多钟就到了，第二组双层电梯步调比较悠闲，让访客深切体会大楼的高度和特殊结构。

电梯不只是向上运输那么简单。自美国“9.11”恐怖袭击发生之后，高层建筑常常面对质疑：如何在发生灾难的时候成功疏散人群？也正是这次灾难，为高层建筑的设计者提供了疏散的新思路。黄志宏告诉南都记者，“以前的概念是火灾的时候不能坐电梯。但是高层建筑里的人通过楼梯疏散，人的体力消耗很大，要很长的时间，对于老弱不一定可行。在‘9•11’后，世界上———主要是出现在亚洲的新超高建筑，譬如上海的环球金融中心，就提出一个概念：电梯辅助疏散。”

9•11后的研究显示，在紧急状况发生时，电梯和楼梯并用，超高建筑需要的疏散时间几乎可以减半。这两组可以用来疏散的电梯是双轿厢的乘客电梯，在受保护的空间，将烟雾挡在门外；与报警和紧急用电系统联动。建筑设定的耐火极限是两小时，在火灾发生之后两个小时的安全期内，能够疏散2000多人———那些对体力没有信心，宁愿在恐惧中等待电梯也不愿意即刻走楼梯逃生的人。

发生火警的时候，一部分人可以走楼梯；而两部双轿厢的乘客电梯和供消防员使用的消防电梯，必须在60秒内要到最高处。电梯的速度设计有所不同：观光电梯为4.5米/秒，而其他的电梯则是10米/秒，相对于台北101大楼的17米/秒，更加有舒适度，而又不影响功用。

广州最高的消防云梯只有53米，这样的高度只够得着“少女”的“小腿”。因此，广州塔的消防不能全部依靠消防水车，自救成为很重要的一部分。在停水停电的情况下，有一个够用、稳定和安全的消防水源是安全的重要保障。“这是我们这样多工种公司的长处，能够把抗震防风和消防需求结合。”540立方米储水量的两个消防水池本身就是抗风抗震的阻尼装置，突破了高层建筑通常不把水源放到高区的惯例。“这个安全度大得多，不要水泵和电力，有一盆水，顶在脑门上，发生事情就洒下来了。”黄志宏说。

如此高空的水池，当然不能“兜头泼下来”。这样的高度，意味着有极大的水压，对需要扑救的地点和途经管道的破坏力惊人。因此，在每一个功能区，都设置了分区减压水箱，这些18吨的水箱缓冲了高空的压力，并提供了更多的储水量。

对于挑高的大空间，广州塔的“大空间智能型主动喷水灭火系统”当时领风气之先——— 有一个红外探测头，不停旋转探测空间中温度异常区域，如果有异常高温，则就会响起警报；第二级警报就朝向高温区，启动喷水系统。“当时设计的时候是比较新的，现在已经成为国家规范的一部分了。”黄志宏说。

依靠自身的水量，“大空间智能型主动喷水灭火系统”和自动喷淋可以持续工作1小时，而室内消防栓可以坚持3小时，能为消防提供足够的条件。

高的节能思维“在450米高空就能节约40%的能耗”，但前提是不能按照传统的方式做空调系统的设计

黄志宏更喜欢分享他在环保建筑上的构思。“地那么多，为什么要花那么多材料去盖那么高的楼？事实上，高楼可以节省用地，而功能竖向集中，能源、资源通常也能节省很多。高层建筑必须探索可持续发展的可能。”

广州是亚热带地区，常年天气暖热，使用空调较多；一个超高建筑，如果用传统建筑作风暖空调系统的思路，意味着超高的能耗。

但广州塔的优点在于，高度本身有利于降低温度。黄志宏介绍，“室外温度降低我们做过研究，当广州地面温度33 .5℃时，450米高空只有30.6℃，因为热量在高空容易发散，且没有地面热辐射。以国家提倡的室内空调温度26℃为参照，在450米高空就能节约40%的能耗。”

但前提是，不能按照传统的方式做空调系统的设计。因为超高的输送会浪费大量能源。

广州塔的空调设计分为两部分：低于150米的部分，采用传统的水冷塔空调系统。而330米以上的功能区，则采用风冷机组式空调，充分利用高空相对凉爽的空气和大风散热，并且节省了从地面提升输送空气所需要的大量能源。

常规的中央空调，是通过在天花板上的风管送风，清洁不易。并且，风从上面下来，必须经过不需要冷却的空间，才能达到人的活动范围，这样容易造成能源浪费。尤其在挑高的公众空间，需要提供很大的喷嘴送风，更是耗能巨大。天花板上的空调管道也不符合广州塔的建筑结构。

最后设计出的广州塔中央空调，采用地板送风：管道铺设在架空的地板下面，风可以直接到达有人的地方。同时，将地板掀起就可轻松用吸尘器清洗，没有死角，不会藏污纳垢——— 这也是近年来的高楼项目处理空调的新方式。

作为地标建筑，广州塔还进行了小规模的再生能源示范。越高的地方风速越强，400米左右比地面风速高一倍，用来风力发电，则产出电力是地面的8倍。在广州塔的高区空腔中，装设了若干组风力发电设施，而功能区的南侧面幕墙，则装了太阳能板。这些用电并不能解决高塔本身的主要用电，但仍然能够用来作为景观照明和绿化浇灌用电，也能解决一些楼层的热水。“一加一减之间，我们有了很多机会为环保做贡献。如果我们一点一滴因为微不足道就放弃的话，我们就一步都走不动。”黄表示，这些装置更多是作为一种公众教育，让观光者知道，“可再生能源并非遥不可及。”

明日，已经被大众习惯地昵称为“小蛮腰”的广州塔正式开放。

在游客看不到的地方，很多技术工作并未结束。周福霖团队即将在塔身安装许多传感器，进行一项将持续到年底的实验。实验室里得出的结果、根据图纸计算出来的数据，都难免与真实结构的实际会有差别，需要进一步验证塔体的动力特性；而控制装置也要进行调试。即便调试结束，根据每年监控的台风应对，必须进行跟踪、调整和技术更新。今后，电视塔还准备在顶层开辟科普馆，游客可以参观这两个“镇塔水箱”，并通过计算机模拟系统看到塔身的实时晃动数据。

而健康监测系统，将伴随广州塔的整个生命历程。在未来漫长的岁月中，它所记录的一切，会成为所有广州塔建设者交给历史的成绩单。