千吨水箱：减震抗风利器

　　毁灭性的台风最高风速可达到每小时一百多千米，可轻易吹倒高楼大厦，不过在广州塔上隐藏着一对抗台风的利器：两台各装满10万公升水的巨型水槽……9月16日，“山竹”来袭之后，在网上流传的“广州塔塔顶竟然装了20万公升水，知道为什么吗？”的一段视频不免让人惊叹。

　　谭平，广州大学工程抗震研究中心教授，正是这一装置的设计者，他解释道：网传20万公升水的说法并不严谨，实则是两个各650吨水箱，每个水箱的水约350吨，另外300吨是混凝土水箱重量。

　　谭平 图片来源：广州日报

　　“山竹”到来的当日，他像日常一样“轻描淡写”：“只派了一名年轻的老师去塔顶采集数据”，如果放在以前，“要派一大队人上去”。

　　“按照我们的设计，再来两个‘山竹’也不怕”，在位于广园路28号的办公室内，谭平说话的语气坚定。

　　广州塔减震系统施工现场 图片来源：广州日报

　　文、图/广州日报全媒体记者 杜安娜、罗嘉妮

　　位于广园路28号的广州大学工程抗震研究中心，墙上的牌匾字迹已经斑驳发黄，谭平的办公室就在这栋老楼里。在与办公室相邻的实验室内，堆积着包括广州塔、港珠澳大桥桥墩、高铁桥墩在内的抗震实验模型。

　　600多米广州塔的抗震装置就诞生在这栋有些年代的楼里。

　　因广州塔回国

　　谭平从没有想到过自己的人生会与广州塔联系起来。然而，2006年，正是广州塔让当时在美国做博士后的谭平下定决心回国。

　　2005年中，谭平在美国做博士后时，接到自己国内导师周福霖院士的电话，动员他做一点实际的工程项目。老师所说的这次机会指的就是广州塔的抗震系统。

　　在美国留学做理论研究多年的谭平有些动心：“可能一辈子就只有这一次难得的机会。”

　　当时，谭平的学术之路可谓顺风顺水，他的导师正是当时美国减震控制学会的主席，凭着自身的研究实力，谭平很快就在美国学术界崭露头角。

　　在很多人看来，谭平未来之路顺其自然会留在美国发展。谭平却志不在此，“在美国这种发达国家，做理论做实验比较多，但真正用到实际工程的机会非常少”。

　　“像纽约、芝加哥，城市建设已经基本完成，新建建筑很少；而中国正是建设的高潮，现在全球最高的二十多栋建筑，有十几栋都是中国的。”谭平心中的天平早已倾斜。他暗自下定决心：“要做出点事才行。”

　　老师周福霖的电话就像给他点了一把火，“一着就燃”。在谭平回国前的半年时间里，他就开始在学研之余查阅各种相关资料。他记得很清楚，2006年1月6日回到祖国。不过周末，他没有休息，也没回湖南老家探望父母，而是直接去了办公室开始了筹备工作。

　　“对那一年的春节没什么印象了”，谭平隐约记得当时已经接近年关，人们都逐渐进入到放假模式，然而对谭平来说，“紧张的日子刚刚开始”。

　　谭平及早地开工，正是预料到了整件事的难度，“仅广州塔的减震方案就做了两年”。此项方案的原理说起来并不难，但在广州塔这一独特造型内具体实施时，“难题就出来了”。

　　“抠门”设计师不断优化方案

　　当时，谭平去了台北101大厦取经。一研究，他就发现难有借鉴之处。“台北101大厦给了五层楼高的空间做抗震系统，而广州塔只‘给’了两层，还不是完整空间，要与一些观光游乐设施共享。”谭平说，最后他拿到的“地盘”只有不到9米，水平距离±1.2米。

　　“空间的高度不够，水平方向的位置也不足，这给我们的挑战非常大。”谭平心里有些打鼓，“基本没有先例可循。”

　　更让谭平觉得“雪上加霜”的是，“作为观光塔，要求设备不能用混凝土弄得黑乎乎的，还要具有一定的观赏性”。所以，现在看到的这个水箱造型，既要满足减震功能，又要好看，“这一项，我们花了三个月时间来优化”。

　　从刚开始几个不同的方案，到最后确定一个最可行的方案，谭平说：“我们计算分析花了一年多时间。”最后把这一方案确定后，谭平团队又花了数年时间来完成各细部的深化设计，试验与现场调试。

　　谭平满眼自豪：“台北101大厦是一个被动控制系统，而广州塔加入了人工智能的元素，有主动控制也有被动控制系统。整个塔遍布传感器，能即时把数据传递到电脑，再根据内置的实时智能算法，可以下指令让减震系统始终处于最优的工作状态，把整个塔的震动减到最小。”

　　还让谭平更骄傲的是，广州塔的这套减震系统还是个“抠门”的方案：把塔内原有的消防水箱的质量变成整个减震系统的组成部分。“台北101大厦减震系统的金球花了400万美元，广州塔不可能花这么多钱来做。我们用混凝土增加消防水箱的重量，通过优化外形，结果看起来也还不错。”谭平笑道，“混凝土和水都花不了什么钱。”

　　逼出来的方案

　　这些年来，减震系统也遭遇了好几次大台风的正面“宣战”，这次的“山竹”是风力最大的一次，不过，谭平却没有2012年“韦森特”来访时那么紧张，当时塔顶风速达到35米/秒，这次的塔顶风速超过了40米/秒。

　　前几天“山竹”到来，谭平说：“大家都在感叹，减震系统都运行八年时间了。”

　　“从2006年开始到确定减震方案， 花了1年多时间，各关键子系统模型的性能测试试验，在实验室里又花了近两年时间；在广州塔顶的原型控制系统的现场安装与调试，又花了两年时间。”谭平说，直到2010年，整套减震系统才正式启用。

　　谭平感叹，子系统测试时，全部人挤在狭窄的空间里工作，特别是炎炎夏季，塔顶上也没有空调设备，常常在里面一待就是一整天。

　　不过，这些在谭平看来也“算不得什么”。2008年，整体方案的计算已经完成，但“设计每一个子系统，精确到每一个零部件”让他非常头疼。“我们确定采用世界首创的主被动复合质量调谐控制技术后，要把这个理念落实到每一个子系统，包括调谐所需质量如何利用现有消防水箱达到？怎么把水箱支承起来又不能偏离中心？怎样让系统运行时的摩擦最小？采用何种驱动装置来实现国内首例主动控制。”谭平形容走的每一步都“揪心”。

　　比如他们最初设计的两个正交的阻尼器，在水箱下部的有限空间运行时极有可能会“打架”。“好在还有一丝可能性”，后来，他们把整套系统的每一寸空间都进行了优化，把空间“挤到极致”。然而，牵一发而动全身，一丁点空间的腾挪往往要对整个系统进行重新调整，这个工作量就极大了。

　　他拍着办公桌说：“好多个晚上就在这里，觉得做不下去了。”不过，心里还是想着：绝不能放弃。“好在不是一个人，大家一起想点子，把它坚持做下来了。”谭平说，“有好的想法要去真正实现并不容易。最后出来这样一个方案，完全是逼出来的。”

　　广州塔减震系统介绍：

　　根据广州塔的实际情况确定采用两级主被动复合调谐控制技术，减震控制效果约40%以上，为国内首创，达到世界一流水平。

　　在塔顶对称设置了两套混合调谐控制系统。每套控制系统由被动调谐子系统与主动调谐子系统组合而成，采用该塔中固有的消防水箱(每个消防水箱，含水箱与水总重量约650吨)调谐质量。

　　风再大塔都吹不倒

　　广州日报：广州塔的减震系统还会不断更新吗？

　　谭平：我们会不断地更新。因为人工智能发展越来越快。其实，我们已经更新过一次了。

　　在过去，我们的目标是能够做成就行了，现在则会更多考虑到它的安全可靠。譬如装了这么多传感器，万一有一个传感器失灵，我们就会把这个传感器的信息屏蔽掉，不会因为错误信息而误导控制系统。

　　再过两年我们设计的系统就十年了，到了这个十年的阶段我们会为系统做一次全面的“体检”。

　　广州日报：假设有比“山竹”更猛的台风，会不会担忧广州塔的抗风能力？

　　谭平：没有什么担忧的。首先广州塔本身没有安全性的问题，风再大塔都是吹不倒的。

　　其次，系统现在的这个潜力才用了不到一半。整套系统都有±1.2米的位移，这次“山竹”台风系统的位移才40厘米左右，即便到了80厘米，系统进入第二级工作状态，系统的阻尼会增大，减震效果稍有下降，但整套系统的安全裕度还很大。

　　“山竹”已经是个足够猛烈的台风了，要比“山竹”大一倍的风力才能达到我们第一级优化的极限，我觉得我们(的系统)是绝对安全的(笑)。

　　广州日报：为什么当时下定决心回国？

　　谭平：我的家人都想不通。他们觉得国外好一些。我跟家人说我到哪里工作都饿不死，在美国也能过得很好，但是人不仅仅是谋生的问题，还是要做点事情。在国外可能只能做研究，但是回国后可以学以致用。

　　广州日报：回国之后就一直待在这里做工程防震研究吗？

　　谭平：是的，我从2000年参加工作之后就一直待在这里。你看到的是破破烂烂的实验室，我倒是觉得这里是扎实做学问的地方。当时回国也有些学校邀请我，但我还是回到了广州大学。一方面我的导师在这里，另一方面是广州大学在这一块领域做得非常好。

　　广州日报：现在国际交流有没有共同合作的空间和方向？

　　谭平：广州市给我们投了3.6亿元在大学城建立新的实验室。建好后的实验室在全世界都是一流的，我们希望借助这个平台，和更多同行交流和合作。

　　现在提倡“一带一路”，我们也希望通过这种交流，看看别人怎么做的。我们马上要去访问意大利减震方面世界知名企业，我们中国也有一些相当规模的企业。希望借助这种平台能把国外的先进产品引进来，同时把国内好的产品带出去。