Skręt Shanghai Tower zmniejsza obciążenie wiatrem
Shanghai Tower obraca swoją trójkątną, zaokrągloną bryłę o około 120° od podstawy do szczytu. Ten skręt nie powstał tylko po to, by wieżowiec wyglądał dynamicznie. Inżynierowie Thornton Tomasetti podają, że dopracowanie kształtu pozwoliło zmniejszyć obciążenia od wiatru o około 24%, co umożliwiło lżejszą konstrukcję i ograniczenie kosztu materiałów. Wieża ma także wewnętrzny betonowy rdzeń, megakolumny, system outriggerów i dostrojony tłumik masowy. To pokazuje, że w superwysokim budynku aerodynamika może wpływać na ilość stali i betonu równie realnie jak wytrzymałość materiałów: jeśli odpowiednio uformowana bryła generuje mniejsze siły, cała struktura może być efektywniejsza.
Wiatr może decydować o ilości materiału
Shanghai Tower ma 632 m wysokości. Przy takiej skali boczne obciążenia od wiatru generują ogromne momenty u podstawy i wpływają na wymiary rdzenia, kolumn oraz układów usztywniających. Jeżeli bryła powoduje duże, nieregularne lub rezonansowe siły aerodynamiczne, projektant musi zwiększać sztywność i nośność konstrukcji. Każda dodatkowa tona materiału zwiększa jednak również ciężar własny, obciążenie fundamentów i koszty. Dlatego ograniczenie samego źródła obciążeń — przez aerodynamikę — może być bardziej efektywne niż późniejsze wzmacnianie konstrukcji.
Zaokrąglony trójkąt obraca się wraz z wysokością
Podstawowa geometria wieży przypomina zaokrąglony trójkąt, który stopniowo obraca się wokół osi budynku. Elewacja wykonuje w sumie około 120° skrętu. Taka forma zmienia sposób opływu powietrza i zakłóca tworzenie regularnych struktur wirowych. Projekt był rozwijany iteracyjnie przy współpracy architektów i inżynierów, a wyniki badań aerodynamicznych wpływały na ostateczne proporcje. Thornton Tomasetti podaje, że optymalizacja formy zmniejszyła projektowe obciążenia wiatrem o 24%. To duża różnica w konstrukcji liczącej setki metrów wysokości.
Sama aerodynamika nie wystarcza
Wewnątrz budynku znajduje się duży żelbetowy rdzeń, współpracujący z megakolumnami obwodowymi poprzez system outriggerów. Outriggery można porównać do sztywnych ramion: łączą rdzeń z odległymi kolumnami i pozwalają wykorzystać szerokość całego budynku do przeciwstawiania się przewracającemu momentowi od wiatru. Wieża posiada również dostrojony tłumik masowy, który ogranicza ruch konstrukcji. Kształt, sztywność i tłumienie nie są więc trzema oddzielnymi dodatkami, lecz warstwami jednego systemu kontroli odpowiedzi dynamicznej.
Forma może obniżać koszt konstrukcji
Często zakłada się, że nietypowa bryła architektoniczna automatycznie komplikuje i podraża konstrukcję. Shanghai Tower pokazuje bardziej złożony obraz. Skręt elewacji rzeczywiście wymaga zaawansowanej geometrii, lecz jednocześnie korzystniejsza aerodynamika zmniejsza siły, które trzeba przenieść. Thornton Tomasetti wiąże redukcję obciążeń z możliwością zastosowania lżejszej struktury i mniejszym kosztem materiału. W bardzo wysokich budynkach „dobry kształt” może więc pełnić funkcję podobną do lepszego materiału: pozwala osiągnąć tę samą funkcję konstrukcyjną przy mniejszych wymaganiach wobec elementów nośnych.
Podwójna elewacja nie jest tym samym co konstrukcja
Shanghai Tower ma zewnętrzną, skręconą powłokę elewacyjną otaczającą bardziej regularny wewnętrzny budynek. To ważne rozróżnienie: kształt aerodynamiczny może być tworzony przez fasadę, podczas gdy główny system nośny opiera się na rdzeniu, megakolumnach i outriggerach. Dzięki temu architektura może modyfikować opływ wiatru bez konieczności skręcania każdego wewnętrznego elementu konstrukcyjnego w identyczny sposób. Projekt pokazuje więc, że forma aerodynamiczna i struktura mogą być ściśle skoordynowane, ale nie muszą być geometrycznie tym samym układem.