巴林世贸中心

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巴林世贸中心,高度超过240m (787 ft) 、直入云霄的两栋50层大楼,屹立在波斯湾岸。这座独特的建筑有部分供电来自风力发电─对此种摩天大楼而言,实为革命性的设计。在这一个小时的节目里,我们将探索这个概念背后的科学原理,看看工程师和施工团队如何应付这么大胆的计划。身处全球石油蕴藏最丰富的地区,工作人员把愿景变成了真实,展望未来,采用再生能源,成就伟大工程。

【英文片名】National Geographic – Megastructures: World Trade Centre Bahrain

)是一座高240米(787英尺)、双子塔结构的建筑物。大楼位于巴林首都麦纳麦的费萨尔国王大道,可以一览无遗地欣赏巴林湾景色。这座楼高50层的建筑耸立在King Faisal公路旁,与众多的地标相邻,如巴林金融港、巴林国家银行、Abraj Al Lulu和著名景点珍珠塔等。建筑物的高度在全国排名第二,仅次于巴林金融港中的巴林金融港塔。巴林世贸中心主体包括两座50层的双子塔,底部是一个三层的基座,其两座三角形的大厦高度达240米。在两座大厦之间设置了水平支持的3座直径29米的风力涡轮。风帆一样的楼体形成两座楼之前的海风对流,加快了风速。风力涡轮预计能够支持大厦所需用电的11%-15%。

综合本地主要英文传媒(2008年)11月27日消息,巴林世界贸易中心大厦荣获芝加哥高层建筑和城市住区理事会(CHICAGO-BASED COUNCIL ON TALL BUILDING AND URBANHABITAT)评定的2008年度中东北非地区高层建筑最佳奖。

设计师在双塔之间16层(61m)、25层(97m)和35层(133m)处分别设置了一座重达75吨的跨越桥梁,三个直径达29m的水平轴风力发电涡轮机(图6-7)和与其相连的发电机被固定在这三座桥梁之上。完工时间为2008年4月。

巴林世贸中心耗资9600万美元(耗资3500万巴林第纳尔,约7亿元人民币),总建筑面积120961平方米,除设置有办公空间和商务设施外,还有酒店、商场、咖啡屋、饭馆和健身俱乐部,并设有1700个停车位。巴林世贸中心由两座外观完全相同的塔楼组成,双子塔高240多米,共50层,平面为椭圆形,外形呈帆状,线条流畅,具有强烈的视觉震撼力,深绿宝石色的玻璃和白色的外表皮使大厦与周边沙漠景观和海上风光融为一体。

更令人瞩目的,是在50层、高240米的办公塔楼之间安装了3台水平轴发电风车,使世贸中心成为世界上首先为自身持续提供可再生能源的摩天大楼。这3台发电风车每年约能提供1200兆瓦时(120万度)的电力,大约相当于300个家庭的用电量。

发电风车满负荷时的转子速度为每分钟38转,通过安置在引擎舱的一系列变速箱,让发电机以每分钟1500转的转速运行发电。设计的最佳发电状态在风速15-20米/秒时,约为225千瓦。风机转子的直径为29米,是用50层玻璃纤维制成的。在风力强劲,或需要转入停顿状态时,翼片的顶端会向外推出,增加了转子的总力矩,达到减速目的。风机能承受的最大风速是每秒80米,能经受4级飓风(风速每秒69米以上)。

一般风力发电厂的叶轮都是安置在直杆上,便于叶轮持续保持迎风状态,旋转面也可随风向的偏转进行适时转向。而奇拉的设计采用横梁托载方式,将旋转叶轮固定在水平位置上,固定之后便不能再动,旋转面自然也就休想随风调节方向。不能随风调节,也就意味着不能保证足够时长的正面迎风状态,相应的电能产量也会降低。

第二个难题是奇拉在设计中将三个风力叶轮从50层楼的高空依次摆放,三个风力叶轮的位置处于不同的水平面上。

这种设计保证了世贸中心的建筑整体感,避免双塔之间过于空洞,失却美感,但三个风力叶轮却因此要分别面对不同高度气流的风力。要知道,风速随海拔高度逐渐增强,位置越高的叶轮旋转理论上的运转速度越快。这对于建造厂商来说是无法接受的,因为三个风力叶轮必须保持同一标准的旋转速度,否则高层旋转速度越快的叶轮耗损速度也越快。

首先是引入坡面流线型的三角大楼设计,这样可以利用气流原理,将更多高处的气流引导向低处,同时降低高位风力机的御风强度,且将更多的风力传输给低位的风力机使用。经过精确的计算和气流模拟,这套设计最终可以确保三座风力机保持大体相同的运转速度,制造的电能也保持在同一标准内。

其次,在这个基础上,奇拉还要寻找解决风向问题的方案。因为风力决定发电量,风力机若无法保持足够时长的正面风力,便无法保证足够的发电量供大厦使用。在动力学工程师的帮助下,奇拉精确地模拟了气流在双塔之间的流程,惊喜地发现气流通过挤压之后,流向风力机的时候,风速竟然可以提高20%。更令人惊讶的是奇拉的坡面流线型楼体设计带来的捕风效果,即便是遇到45度斜角度吹来的风,气流一旦与楼体相撞,路线也会变成S型,灌入双塔之间,对风力机形成正面的气流冲击,让叶轮保持旋转速度。

经此实验,奇拉更有理由相信地面建筑完全能够掌控风行走的方向,无论风从哪个方向吹过来,巴林世贸中心的两座楼体都能将风进行引导利用,化作强度更高的风力来带动风力机。

排除安全隐患将巨大的风力机安装在市区内最繁华的商业中心地带,安全问题是设计师最不能忽视的问题。巴林世贸中心的基座是一个大型的购物商城,商城上面则是高级商务写字楼。直径长达29米的三座风力叶轮在高空旋转,底下车水马龙,人流不断,一旦出现叶片意外折断脱落情况,或者遭遇极端恶劣的狂风天气,使横梁不堪重负,其危害之大,显而易见。

解决叶片折断脱落问题的最佳办法是在每一个叶轮内都嵌套钢筋链条,除此之外,奇拉的工程设计团队考虑到风力机的一个最大的安全隐患:共振。

共振是指一个物理系统在其自然的振动频率(所谓的共振频率)下趋于从周围环境而吸收更多能量的趋势。重达11吨的风力叶轮平均每分钟运转38次,承载风力机的横梁便同时产生相应的震动,假若横梁与风力叶轮的震动频率相同,可怕的共振作用就会产生。因为共振是作用体双方互相累计增加的一个过程,一旦横梁与风力机产生共振,二者的震动都会越演越烈,从轻微的晃动积累成为剧烈震动,直至横梁断裂。

为了避免共振,工程设计团队制作了精密的模型,并模拟了199种不同气候的强度气流,分别测算了在每一种气候条件下叶轮的震动频率。在这个测算基础之上,他们建造出了震动频率远远高于风力机的横梁,最大程度地避免共振带来的风险。

解决了共振问题之后,在进行风洞测试的时候,工程师们又发现了另一个潜在的危机:气流偏转对风力叶轮的恶劣影响。这个情况是由气流造成的,因为冲向风力叶轮的气流有时候会突然加速或者更改流向,叶轮收到巨大的惯性影响,导致风力叶片发生偏转,并极有可能击中承载横梁,后果不堪设想。

这也是风力发电厂经常需要考虑的问题,他们的解决惯例是让风力叶轮的底座向后倾斜5度角,避免引异常气流变化造成风力叶片与直杆支撑轴相撞。不过,问题到了巴林世贸中心的设计案例上,就变得不一样了。因为这里承载风力机的不是垂直轴,而是水平轴,且每一个叶片向后的偏离幅度都在1米以上。

这个问题虽然棘手,解决办法却非常巧妙。设计师经过仔细测量计算,最终决定改造横梁的直线形状,以水平轴上风力机的安装位置为中心,横梁两侧向后弯,形成一个V字形状。这一改进让风力叶片与横梁之间的接触距离拉开到1.7米,彻底摆脱了风力偏向可能带来的叶片撞击隐患。

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