【正文】 42 高層結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu) 近年來(lái)，盡管一般的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取得了很大的進(jìn)步，但是取得顯著成績(jī)的還要屬超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 最初的高層建筑設(shè)計(jì)是從鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)始的。鋼筋混凝土和受力外包鋼筒系統(tǒng)運(yùn)用起來(lái)是比較經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)，被有效地運(yùn)用于大批的民用建筑和商業(yè)建筑中。 50 層到 100 層的建筑被定義為超高層建筑。而這種建筑在美國(guó)得廣泛的應(yīng)用是由于新的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新。 這樣的高度需要增大柱和梁的尺寸，這樣以來(lái)可以使建筑物更加堅(jiān)固以至于在允許的限度范圍內(nèi)承受風(fēng)荷載而不產(chǎn)生彎曲和傾斜。過(guò)分的傾斜會(huì)導(dǎo)致建筑的隔離構(gòu)件、頂棚以及其他 建筑細(xì)部產(chǎn)生循環(huán)破壞。除此之外，過(guò)大的搖動(dòng)也會(huì)使建筑的使用者們因感覺(jué)到這樣的的晃動(dòng)而產(chǎn)生不舒服的感覺(jué)。無(wú)論是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還是鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都充分利用了整個(gè)建筑的剛度潛力，因此不能指望利用多余的剛度來(lái)限制側(cè)向位移。 在鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)濟(jì)預(yù)算是根據(jù)每平方英寸地板面積上的鋼材的數(shù)量確定的。圖示 1 中的曲線 A 顯示了常規(guī)框架的平均單位的重量隨著樓層數(shù)的增加而增加的情況。而曲線 B 顯示則顯示的是在框架被保護(hù)而不受任何側(cè)向荷載的情況下的鋼材的平均重量。上界和下界之間的區(qū)域顯示的是傳統(tǒng)梁柱框架的造價(jià)隨高度而變化的情況。而 結(jié)構(gòu)工程師改進(jìn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的目的就是減少這部分造價(jià)。 鋼結(jié)構(gòu)中的體系：鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑的發(fā)展是幾種結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新的結(jié)果。這些創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于辦公大樓和公寓建筑中。 剛性帶式桁架的框架結(jié)構(gòu)：為了聯(lián)系框架結(jié)構(gòu)的外柱和內(nèi)部帶式桁架，可以在建筑物的中間和頂部設(shè)置剛性帶式桁架。 1974 年在米望基建造的威斯康森銀行大樓就是一個(gè)很好的例子。 框架筒結(jié)構(gòu)： 如果所有的構(gòu)件都用某種方式互相聯(lián)系在一起，整個(gè)建筑就像是從地面發(fā)射出的一個(gè)空心筒體或是一個(gè)剛性盒子一樣。這個(gè)時(shí)候此高層建筑的整個(gè)結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)荷載的所有強(qiáng)度和剛度將達(dá) 到最大的效率。這種特殊的結(jié)構(gòu)體系首次被芝加哥的 43 層鋼筋混凝土的德威特紅棕色的公寓大樓所采用。但是這種結(jié)構(gòu)體系的的所有應(yīng)用中最引人注目的還要屬在紐約建造的 100 層的雙筒結(jié)構(gòu)的世界貿(mào)易中心大廈。 斜撐桁架筒體： 建筑物的外柱可以彼此獨(dú)立的間隔布置，也可以借助于通過(guò)梁柱中心線的交叉的斜撐構(gòu)件聯(lián)系在一起，形成一個(gè)共同工作的筒體結(jié)構(gòu)。這種高度的結(jié)構(gòu)體系首次被芝加哥的 John Hancock 中心大廈采用。這項(xiàng)工程所耗用的剛才量與傳統(tǒng)的四十層 43 高樓的用鋼量相當(dāng)。 筒體： 隨著對(duì)更高層建筑的要求不斷地增大。筒體結(jié)構(gòu)和斜撐 桁架筒體被設(shè)計(jì)成捆束狀以形成更大的筒體來(lái)保持建筑物的高效能。芝加哥的 110 層的 Sears Roebuck 總部大樓有 9 個(gè)筒體，從基礎(chǔ)開(kāi)始分成三個(gè)部分。這些獨(dú)立筒體中的終端處在不同高度的建筑體中，這充分體現(xiàn)出了這種新式結(jié)構(gòu)觀念的建筑風(fēng)格自由化的潛能。這座建筑物 1450 英尺（ 442 米）高，是世界上最高的大廈。 薄殼筒體系統(tǒng)：這種筒體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了增強(qiáng)超高層建筑抵抗側(cè)力的能力（風(fēng)荷載和地震荷載）以及建筑的抗側(cè)移能力。薄殼筒體是筒體系統(tǒng)的又一大飛躍。薄殼筒體的進(jìn)步是利用高層建筑的正面（墻體和板）作為與筒體共同 作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為高層建筑抵抗側(cè)向荷載提供了一個(gè)有效的途徑，而且可獲得不用設(shè)柱，成本較低，使用面積與建筑面積之比又大的室內(nèi)空間。 由于薄殼立面的貢獻(xiàn)，整個(gè)框架筒的構(gòu)件無(wú)需過(guò)大的質(zhì)量。這樣以來(lái)使得結(jié)構(gòu)既輕巧又經(jīng)濟(jì)。所有的典型柱和窗下墻托梁都是軋制型材，最大程度上減小了組合構(gòu)件的使用和耗費(fèi)。托梁周圍的厚度也可適當(dāng)?shù)臏p小。而可能占據(jù)寶貴空間的墻上鐓梁的尺寸也可以最大程度地得到控制。這種結(jié)構(gòu)體系已被建造在匹茲堡洲的 One Mellon 銀行中心所運(yùn)用。 鋼筋混凝土中的各體系：雖然鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑起步比較早，但是鋼筋混 凝土的高層建筑的發(fā)展非常快，無(wú)論在辦公大樓還是公寓住宅方面都成為剛結(jié)構(gòu)體系的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 框架筒：像上面所提到的，框架筒構(gòu)思首次被 43 層的迪威斯公寓大樓所采用。在這座大樓中，外柱的柱距為 英尺（ 米）。而內(nèi)柱則需要支撐 8 英寸厚的無(wú)梁板。 筒中筒結(jié)構(gòu)：另一種針對(duì)于辦公大樓的鋼筋混凝土體系把傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)與外框架筒相結(jié)合。該體系由柱距很小的外框架與圍繞中心設(shè)備區(qū)的剛性剪力墻筒組成。這種筒中筒結(jié)構(gòu)（如插圖 2）使得當(dāng)前世界上最高的輕質(zhì)混凝土大樓（在休斯頓建造的獨(dú)殼購(gòu)物中心大廈）的整體造價(jià)只與 35 層的傳 統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)相當(dāng)。 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的聯(lián)合體系也有所發(fā)展。 Skidmore ,Owings 和 Merrill 共同設(shè)計(jì)的混合體系就是一個(gè)好例子。在此體系中，外部的混凝土框架筒包圍著內(nèi)部的鋼框架，從而結(jié)合了鋼筋混凝土體系與鋼結(jié)構(gòu)體系各自的優(yōu)點(diǎn)。在新奧爾良建造的 52 層的獨(dú)殼廣場(chǎng)大廈就是運(yùn)用了這種體系。 鋼結(jié)構(gòu)是指在建筑物結(jié)構(gòu)中鋼材起著主導(dǎo)作用的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)很寬泛的概念。大部分的鋼結(jié)構(gòu)都包括建筑設(shè)計(jì)，工程技術(shù)、工藝。通常還包括以主梁、次梁、桿件，板等形 44 式存在的鋼的熱軋加工工藝。上個(gè)世紀(jì)七十年代，除了對(duì)其他材料的需 求在增長(zhǎng)，鋼結(jié)構(gòu)仍然保持著對(duì)于來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、日本、西德、法國(guó)等國(guó)家的鋼材廠鋼材的大量需求。 發(fā)展歷史：早在 Bessemer 和 SiemensMarton(開(kāi)放式爐 )工藝出現(xiàn)以前，鋼結(jié)構(gòu)就已經(jīng)有幾十年的歷史了。而直到此工藝問(wèn)世之后才使得鋼材可以大批生產(chǎn)出來(lái)供結(jié)構(gòu)所用。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)諸多問(wèn)題的研究開(kāi)始于鐵結(jié)構(gòu)的使用，當(dāng)時(shí)很著名的研究對(duì)象是 1977 年在英國(guó)建造的橫跨斯沃河的 Coalbrook dale 大橋。這座大橋以及后來(lái)的鐵橋設(shè)計(jì)再加上蒸汽鍋爐、鐵船身的設(shè)計(jì)都刺激了建筑安裝設(shè)計(jì)以及連接工藝的發(fā)展。鐵結(jié)構(gòu)對(duì)材料的需 求量較小是優(yōu)勝于磚石結(jié)構(gòu)的主要方面。長(zhǎng)久以來(lái)一直用木材制作的三角桁架也換成鐵制的了。承受由直接荷載產(chǎn)生的重力作用的受壓構(gòu)件常用鑄鐵制造，而承受由懸掛荷載產(chǎn)生的推力作用的受拉構(gòu)件常用熟鐵制造。 把鐵加熱到塑性狀態(tài)，使之從卷狀轉(zhuǎn)化為扁平狀與圓狀之間的某一狀態(tài)的工藝，早在 1800 年就得以發(fā)展了。隨后， 1819 年角鋼問(wèn)世， 1894 年第一個(gè)工字鋼被建造出來(lái)作為巴黎火車站的頂梁。此工字鋼長(zhǎng) 英尺）（ 米）。 1851 年英國(guó)的 Joseph Paxtond 為倫敦博覽會(huì)建造了水晶宮。據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)他已有這樣的骨架結(jié)構(gòu)構(gòu)思 ：用比較細(xì)的鐵梁作為玻璃幕墻的骨架。此建筑的風(fēng)荷載抵抗力是由對(duì)角拉桿所提供的。在金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史中，有兩個(gè)標(biāo)志性事件：首先是從木橋發(fā)展而來(lái)的格構(gòu)梁由木制轉(zhuǎn)化為鐵制；其次是鍛鐵制的受拉構(gòu)件與鑄鐵制的受壓構(gòu)件受熱后通過(guò)鉚釘連接工藝的發(fā)展。 十九世紀(jì)五六十年代， Bessemer 與 SiemensMartin 工藝的發(fā)展使鋼材的生產(chǎn)能滿足結(jié)構(gòu)的需求。鋼的受拉強(qiáng)度與受壓強(qiáng)度都好于鐵。這種新型的金屬常被有想象力的工程師所利用，尤其倍受那些參與過(guò)英國(guó)、歐洲以及美國(guó)的道橋建設(shè)的工程師的喜愛(ài)。 其中一個(gè)很好的例子就是 Eads 大橋（也被稱為路易斯洲大橋）（ 18671874）。在這座大橋中，每隔 500 英尺（ 米）設(shè)有由鋼管加強(qiáng)肋形成的拱。英國(guó)的 Firth of Forth懸索橋設(shè)有管件支撐，直徑大約為 12 英尺（ 米），長(zhǎng)度為 350 英尺（ 107）米。這些大橋以及其他結(jié)構(gòu)在引導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，規(guī)范的實(shí)施，許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)方面起到了很重要的作用。 1907 年 Quebec 懸索大橋的偶然破壞揭露了二十世紀(jì)初期由于缺乏足夠的理論知識(shí)，甚至是缺乏足夠的理論研究的基礎(chǔ)知識(shí)，而導(dǎo)致在應(yīng)力分析方面出現(xiàn)了很多的不足。但是，這樣的損壞卻很少 出現(xiàn)在金屬骨架的辦公大樓中。因?yàn)楸M管在缺乏縝密的分析的情況下，這些建筑也表現(xiàn)出了很高的實(shí)用性。在上個(gè)世紀(jì)中葉，沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何特殊合金強(qiáng)化、硬化過(guò)的普通碳素鋼已經(jīng)被廣泛地使用了。 45 在 1889 年巴黎召開(kāi)的世界博覽會(huì)上，金屬結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了在超高層建筑運(yùn)用上的內(nèi)在潛力。在這次會(huì)上，法國(guó)著名的橋梁設(shè)計(jì)師埃非爾展示了他的杰作 300 米高的露天開(kāi)挖的鐵塔。無(wú)論是它的高度（比著名的金字塔的兩倍還高），架設(shè)的速度 人數(shù)不多的工作人員僅用幾個(gè)月的時(shí)間就完成了整個(gè)工程任務(wù)，還是很低的工程造價(jià)都使它脫穎而出。 首批摩天大廈：在剛結(jié)構(gòu)發(fā) 展的同時(shí)，美國(guó)的另一個(gè)是也蓬勃的發(fā)展起來(lái)了。18841885 年，芝加哥的工程師 Le Baron Jennny 設(shè)計(jì)了家庭保險(xiǎn)公司大廈。這座大廈也是金屬結(jié)構(gòu)的，有十層高。大廈的梁是鋼制的，而柱是鑄鐵所制。鑄鐵制的過(guò)梁支撐著窗洞口上方的砌體，同時(shí)也需要鑄鐵制的柱支撐著。實(shí)心砌體的天井與界墻提供抵抗風(fēng)載的側(cè)向支撐。不到十年的功夫，芝加哥和紐約已經(jīng)有超過(guò) 30 座辦公大樓是利用這種結(jié)構(gòu)。鋼材在這些結(jié)構(gòu)中起了非常大的作用。這種結(jié)構(gòu)利用鉚釘把梁與柱連接在一起。有時(shí)為了抵抗風(fēng)荷載還是在豎向構(gòu)件和橫向構(gòu) 件的連接點(diǎn)出貼覆上節(jié)點(diǎn)板來(lái)加固結(jié)構(gòu)。此外，輕型的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)代替了老式的重質(zhì)砌體結(jié)構(gòu)。 盡管幾十年來(lái)之中建筑形式主要是在美國(guó)發(fā)展的，但是它卻影響著全世界鋼材工業(yè)的發(fā)展。十九世紀(jì)的最后幾年，基本結(jié)構(gòu)形狀工字型鋼的厚度已經(jīng)達(dá)到 20 英寸（ 米），非對(duì)稱的 Z 字型鋼和 T 型鋼可以與有一定寬度和厚度的板相聯(lián)結(jié)，使得構(gòu)件具體符合要求的尺寸和強(qiáng)度。 1885 年最重的型鋼通過(guò)熱軋生產(chǎn)出來(lái)，每英寸不到 100 磅（ 45 千克）。到二十世紀(jì)六十年代這個(gè)數(shù)字已經(jīng)達(dá)到每英寸 700 磅（ 320 千克）。 緊隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展， 1988 年第一部 電梯問(wèn)世了。安全載客電梯誕生，以及安全經(jīng)濟(jì)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展促使建筑高度迅猛增加。 1902年在紐約建造的高 286英寸（ 米）的 Flatiron 大廈不斷地被后來(lái)的建筑所超越。這些建筑分別是高 375 英尺（ 115 米）的時(shí)代大廈（ 1904），（后來(lái)改名為聯(lián)合化工制品大廈）。 1908 年在華爾街建造的高 468 英尺（ 143 米）的城市投資公司大廈，高 612 英尺（ 187 米）的星爾大廈，以及 700 英尺（ 214米）的都市塔和 780 英