【導(dǎo)讀】-1-. -2-. -3-

　　

【正文】 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。 13 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?？?，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 14 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 15 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。 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 16 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 英尺高（ 232 米）的 Woll worth 大廈。 房屋高度與高寬比的不斷增加也帶來(lái)了許多的問(wèn)題。為了控制道路的阻塞，要對(duì)建筑的縮進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行限定。側(cè)向支撐的設(shè)置也是其中一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題，例如，埃非爾鐵塔所采用的對(duì)角支撐體系對(duì)于要靠太陽(yáng)光來(lái)照明的辦公大廈就不實(shí)用了。而只有考慮到具體的單獨(dú)梁與單獨(dú)柱的抗彎能力以及梁柱相交處的剛度的框架設(shè)計(jì)才是可靠的。隨著現(xiàn)代內(nèi)部采光體系的不斷發(fā)展，抵抗風(fēng)荷載的對(duì)角支撐又重新被利用起來(lái)了。芝加哥的 John Hancock 中心就是一個(gè)很顯著的例子。外部的對(duì)角支撐成為此結(jié)構(gòu)立面的一個(gè)很顯眼的部分。 第一次世界大戰(zhàn)暫時(shí)中 斷了所謂摩天大廈（當(dāng)時(shí)這個(gè)詞并沒(méi)有確定）的蓬勃發(fā)展，但是二十世紀(jì)二十年代又恢復(fù)了這一趨勢(shì)。 1931 年建造的帝國(guó)大廈把詞潮流推向了頂峰。 102 層高 1250 英尺（ 381 米）的帝國(guó)大廈在后來(lái)的 40 年一直保持著世界最高的地位。它的建造速度充分證明了這種新的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)被當(dāng)時(shí)的技術(shù)所掌握。次項(xiàng)工程所需要的梁是由 17 Bayonne 海灣對(duì)岸的軍械庫(kù)所提供的。是由用精密儀器控制的駁船和卡車負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)?。由九架起重機(jī)將這些梁提升到指定的位置。由工業(yè)軌道裝置把鋼材和其他材料移到每一層上去。先是螺栓連接緊接著鉚釘連接，最后是裝修，整個(gè) 工程的最終完成只用了一年零 45 天。 二十世紀(jì)三十年代席卷全世界的大蕭條以及第而次世界大戰(zhàn)使鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展又一次受到了阻礙。但是與此同時(shí)，焊接代替了鉚釘連接則是一個(gè)很重要的發(fā)展。 十九世紀(jì)末，利用焊接把各個(gè)鋼零件相連接已取得了很好的成績(jī)，并在第一次世界大戰(zhàn)中被運(yùn)用于救生船的修理。但直到第二次世界大戰(zhàn)后才用于建筑結(jié)構(gòu)中。同時(shí)在連接領(lǐng)域中又一進(jìn)步就是高強(qiáng)螺栓代替了鉚釘。 二戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲，美國(guó)，日本等國(guó)都擴(kuò)大了對(duì)在不定應(yīng)力（包括超過(guò)屈服點(diǎn)的情況）作用下各種結(jié)構(gòu)鋼的性質(zhì)的研究，并進(jìn)行了更為精確、系統(tǒng)的分析。此后，許多 國(guó)家采用了一些更為自由靈活的設(shè)計(jì)規(guī)范和更為理想化的彈性設(shè)計(jì)規(guī)范。計(jì)算機(jī)在工程上的運(yùn)用代替了冗長(zhǎng)的手工計(jì)算，從而更加促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并大大的減低了造價(jià)。