建筑小课堂|万丈高楼如何“扎根”?

2025年12月04日 10:54 兆小通

建筑小课堂|万丈高楼如何“扎根”?



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我们常常为高耸入云的摩天大楼而惊叹。据统计,目前全球超过300米的超高层建筑已有上百座。当仰望这些"万丈高楼"时,很多人可能会问:它们是如何稳稳"扎根"于大地,抵抗风雨甚至地震的冲击的呢?今天,我们就来揭秘高楼脚下不为人知的"根基世界"。

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万丈高楼如何"扎根"?

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一、脚下的挑战:

重量高达数十万吨

要理解高楼的根基,首先要明白它面临的挑战:随着楼层的增加,建筑物的重量会成倍增长。一栋300米高的摩天大楼,其重量可达数十万吨,这巨大的重量最终要通过基础传递到地基土体中。

工程师们面临三大核心挑战:

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承载力:如何确保地基能够支撑大楼的巨大重量而不发生塌陷?

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沉降控制:如何让大楼均匀“下沉”,避免因不均匀沉降导致结构开裂或倾斜?

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稳定性:如何抵抗风力、地震等水平荷载,防止大楼滑移或倾覆?





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二、根基“神器”:

深基础系统

为解决上述挑战,工程师们发明了“深基础”系统,如同为高楼穿上了一双能深入地球内部的“高跟鞋”。这主要包括两大“神器”:桩基础和地下连续墙。

1. 桩基础:高楼的“定海神针”

桩基础是最常见的高楼根基形式,可以理解为将一系列长长的、坚固的柱状体(桩)打入地下,直至坚硬的持力层。大楼就建在这些“定海神针”上。

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钻孔灌注桩:这是目前应用最广泛的技术。简单来说,就是先用大型钻机在地面上钻一个深达几十米甚至上百米的孔,然后放入钢筋笼,最后浇筑混凝土,形成一根坚固的桩。上海中心大厦(632米)就使用了近千根直径1米、深度达86米的钻孔灌注桩。

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预制桩:在工厂预先制作好混凝土或钢桩,然后用打桩机将其击入或振动压入土中。 

桩的工作机理:桩通过两种方式传递荷载

(1)桩端阻力,即桩底坐在坚硬岩层上提供的支撑力;

(2)桩侧摩阻力,即桩身表面与周围土体之间的摩擦力。

多数情况下,两者共同作用。

那么,这么多根桩是如何协同工作的呢?答案是通过一个厚实的“承台”。承台通常是一块巨大的钢筋混凝土板,它将所有桩顶连成一个整体,就像一只巨大的“脚掌”,将高楼的重量均匀的分配给每一根“脚趾”(桩)。


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2. 地下连续墙:深基坑的“金钟罩”

在土质松软、地下水位高的地区(如沿海城市)修建高楼,首先面临的难题是如何在密集的建筑群中安全地开挖一个几十米深的基坑。这时,就需要“地下连续墙”来扮演“金钟罩”的角色。

何为地连墙?它是用专用设备沿着基坑周边,开挖出一条狭长的深槽,然后放入钢筋笼并浇筑混凝土,形成一段段的墙体,最后将这些墙段连接起来,形成一个封闭的矩形墙体。这个墙体既作为基坑开挖时的挡土和止水结构,后期也常常作为地下室的外墙,是主体结构的一部分。

实例:上海中心大厦的基坑采用了厚1.2米、成槽深50米的地下连续墙,如同一只巨大的“水泥桶”插入地下,确保了在市中心进行深大基坑开挖时的安全。

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三. 与地震和风的博弈:

根基的“智慧”

高楼的根基不仅要“站得住”,还要“站得稳”,尤其是在面对地震和强风时。

1. 对抗地震:以柔克刚

地震时,地面会剧烈晃动。高楼根基的抗震设计理念不是“硬碰硬”,而是“以柔克刚”。

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隔震技术:在一些重要建筑中,会在基础和上部结构之间设置“隔震层”,如:使用叠层橡胶隔震支座。这些支座像“滑板”一样,能有效“过滤”掉地面传来的部分剧烈震动,保证上部结构平稳。这好比在大楼脚下放了一个“缓冲气垫”。

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耗能设计:允许桩基等部件在极端荷载下发生可控的、微小的塑性变形,通过自身“受伤”来吸收和消耗地震能量,从而保全主体结构的安全。这体现了“舍车保帅”的智慧。

2. 对抗风荷载:深嵌地下的“锚”

超高层建筑在强风作用下会产生巨大的倾覆力矩,仿佛有一只无形的手在试图推倒它。这时,深广的桩基础和地下室就发挥了关键作用。巨大的自重和深埋于土中的地下室,与桩基、地连墙共同工作,形成了一个与大地紧紧咬合的“锚”,利用土体的重量和抗力来平衡风的推力,确保大楼稳如泰山。







万丈高楼的“扎根”是一门深邃的科学与艺术,它凝聚了地质学、土力学、结构工程学等领域的智慧。当我们再仰望直插云霄的摩天大楼时,不妨想一想,它的伟大不仅在于我们看得见的高度,更在于我们看不见的、向大地深处探索的深度与力量。正是这些深藏不露、精心设计的“根”,默默承载着人类的梦想,根植大地,直冲云霄!




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撰文|孙文博

编辑 | 张学铭

审核|梁叶 

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