【導讀】-1-. -2-. -3-

　　

【正文】 建筑物的外柱可以彼此獨立的間隔布置，也可以借助于通過梁柱中心線的交叉的斜撐構件聯系在一起，形成一個共同工作的筒體結構。這種高度的結構體系首次被芝加哥的 John Hancock 中心大廈采用。這項工程所耗用的剛才量與傳統的四十層高樓的用鋼量相當。 筒體： 隨著對更高層建筑的要求不斷地增大。筒體結構和斜撐 桁架筒體被設計成捆束狀以形成更大的筒體來保持建筑物的高效能。芝加哥的110 層的 Sears Roebuck 總部大樓有 9 個筒體，從基礎開始分成三個部分。這些獨立筒體中的終端處在不同高度的建筑體中，這充分體現出了這種新式結構觀念的建筑風格自由化的潛能。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：這種筒體結構系統的設計是為了增強超高層建筑抵抗側力的能力（風荷載和地震荷載）以及建筑的抗側移能力。薄殼筒體是筒體系統的又一大飛躍。薄殼筒體的進步是利用高層建筑的正面（墻體和板）作為與筒體共同 作用的結構構件，為高層建筑抵抗側向荷載提供了一個有效的途徑，而且可獲得不用設柱，成本較低，使用面積與建筑面積之比又大的室內空間。 由于薄殼立面的貢獻，整個框架筒的構件無需過大的質量。這樣以來使得結構既輕巧又經濟。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件的使用和耗費。托梁周圍的厚度也可適當的減小。 13 而可能占據寶貴空間的墻上鐓梁的尺寸也可以最大程度地得到控制。這種結構體系已被建造在匹茲堡洲的 One Mellon 銀行中心所運用。 鋼筋混凝土中的各體系：雖然鋼結構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，無論在辦公大樓還是公寓住宅方面都成為剛結構體系的有力競爭對手。 框架筒：像上面所提到的，框架筒構思首次被 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）。而內柱則需要支撐 8 英寸厚的無梁板。 筒中筒結構：另一種針對于辦公大樓的鋼筋混凝土體系把傳統的剪力墻結構與外框架筒相結合。該體系由柱距很小的外框架與圍繞中心設備區(qū)的剛性剪力墻筒組成。這種筒中筒結構（如插圖 2）使得當前世界上最高的輕質混凝土大樓（在休斯頓建造的獨殼購物中心大廈）的整體造價只與35 層的傳 統剪力墻結構相當。 鋼結構與混凝土結構的聯合體系也有所發(fā)展。 Skidmore ,Owings 和Merrill 共同設計的混合體系就是一個好例子。在此體系中，外部的混凝土框架筒包圍著內部的鋼框架，從而結合了鋼筋混凝土體系與鋼結構體系各自的優(yōu)點。在新奧爾良建造的 52 層的獨殼廣場大廈就是運用了這種體系。 鋼結構是指在建筑物結構中鋼材起著主導作用的結構，是一個很寬泛的概念。大部分的鋼結構都包括建筑設計，工程技術、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。上個世紀七十年代，除了對其他材料的需 求在增長，鋼結構仍然保持著對于來自美國、英國、日本、西德、法國等國家的鋼材廠鋼材的大量需求。 發(fā)展歷史：早在 Bessemer 和 SiemensMarton(開放式爐 )工藝出現以前，鋼結構就已經有幾十年的歷史了。而直到此工藝問世之后才使得鋼材 14 可以大批生產出來供結構所用。對鋼結構諸多問題的研究開始于鐵結構的使用，當時很著名的研究對象是 1977 年在英國建造的橫跨斯沃河的Coalbrook dale 大橋。這座大橋以及后來的鐵橋設計再加上蒸汽鍋爐、鐵船身的設計都刺激了建筑安裝設計以及連接工藝的發(fā)展。鐵結構對材料的需 求量較小是優(yōu)勝于磚石結構的主要方面。長久以來一直用木材制作的三角桁架也換成鐵制的了。承受由直接荷載產生的重力作用的受壓構件常用鑄鐵制造，而承受由懸掛荷載產生的推力作用的受拉構件常用熟鐵制造。 把鐵加熱到塑性狀態(tài)，使之從卷狀轉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 年角鋼問世， 1894 年第一個工字鋼被建造出來作為巴黎火車站的頂梁。此工字鋼長 英尺）（ 米）。 1851 年英國的 Joseph Paxtond 為倫敦博覽會建造了水晶宮。據說當時他已有這樣的骨架結構構思：用比較細的鐵梁作為玻璃幕墻的骨架。此建筑的風荷載抵抗力是由對角拉桿所提供的。在金屬結構的發(fā)展歷史中，有兩個標志性事件：首先是從木橋發(fā)展而來的格構梁由木制轉化為鐵制；其次是鍛鐵制的受拉構件與鑄鐵制的受壓構件受熱后通過鉚釘連接工藝的發(fā)展。 十九世紀五六十年代， Bessemer 與 SiemensMartin 工藝的發(fā)展使鋼材的生產能滿足結構的需求。鋼的受拉強度與受壓強度都好于鐵。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英國、歐洲以及 美國的道橋建設的工程師的喜愛。 其中一個很好的例子就是 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）設有由鋼管加強肋形成的拱。英國的 Firth of Forth 懸索橋設有管件支撐，直徑大約 15 為 12 英尺（ 米），長度為 350 英尺（ 107）米。這些大橋以及其他結構在引導鋼結構的發(fā)展，規(guī)范的實施，許用應力的設計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初期由于缺乏足夠的理論知識，甚至是缺乏足夠的理論研究的基礎知識，而 導致在應力分析方面出現了很多的不足。但是，這樣的損壞卻很少出現在金屬骨架的辦公大樓中。因為盡管在缺乏縝密的分析的情況下，這些建筑也表現出了很高的實用性。在上個世紀中葉，沒有經過任何特殊合金強化、硬化過的普通碳素鋼已經被廣泛地使用了。 在 1889 年巴黎召開的世界博覽會上，金屬結構表現出了在超高層建筑運用上的內在潛力。在這次會上，法國著名的橋梁設計師埃非爾展示了他的杰作 300 米高的露天開挖的鐵塔。無論是它的高度（比著名的金字塔的兩倍還高），架設的速度 人數不多的工作人員僅用幾個月的時間就完成了整個工程任務，還 是很低的工程造價都使它脫穎而出。 首批摩天大廈：在剛結構發(fā)展的同時，美國的另一個是也蓬勃的發(fā)展起來了。 18841885 年，芝加哥的工程師 Le Baron Jennny設計了家庭保險公司大廈。這座大廈也是金屬結構的，有十層高。大廈的梁是鋼制的，而柱是鑄鐵所制。鑄鐵制的過梁支撐著窗洞口上方的砌體，同時也需要鑄鐵制的柱支撐著。實心砌體的天井與界墻提供抵抗風載的側向支撐。不到十年的功夫，芝加哥和紐約已經有超過 30 座辦公大樓是利用這種結構。鋼材在這些結構中起了非常大的作用。這種結構利用鉚釘把梁與柱連接在一起。有時為了抵抗風荷載還是在豎向構件和橫向構件的連接點出貼覆上節(jié)點板來加固結構。此外，輕型的玻璃幕墻結構代替了老式的重質砌體結構。 盡管幾十年來之中建筑形式主要是在美國發(fā)展的，但是它卻影響著全世界鋼材工業(yè)的發(fā)展。十九世紀的最后幾年，基本結構形狀工字型鋼的厚 16 度已經達到 20 英寸（ 米），非對稱的 Z 字型鋼和 T 型鋼可以與有一定寬度和厚度的板相聯結，使得構件具體符合要求的尺寸和強度。 1885年最重的型鋼通過熱軋生產出來，每英寸不到 100 磅（ 45 千克）。到二十世紀六十年代這個數字已經達到每英寸 700 磅（ 320 千克）。 緊隨著鋼結構的發(fā)展， 1988 年第一部電梯問世了。安全載客電梯誕生，以及安全經濟的鋼結構設計方法的發(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 大廈不斷地被后來的建筑所超越。這些建筑分別是高 375 英尺（ 115 米）的時代大廈（ 1904），（后來改名為聯合化工制品大廈）。 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了許多的問題。為了控制道路的阻塞，要對建筑的縮進設計進行限定。側向支撐的設置也是其中一項技術問題，例如，埃非爾鐵塔所采用的對角支撐體系對于要靠太陽光來照明的辦公大廈就不實用了。而只有考慮到具體的單獨梁與單獨柱的抗彎能力以及梁柱相交處的剛度的框架設計才是可靠的。隨著現代內部采光體系的不斷發(fā)展，抵抗風荷載的對角支撐又重新被利用起來了。芝加哥的 John Hancock 中心就是一個很顯著的例子。外部的對角支撐成為此結構立面的一個很顯眼的部分。 第一次世界大戰(zhàn)暫時中 斷了所謂摩天大廈（當時這個詞并沒有確定）的蓬勃發(fā)展，但是二十世紀二十年代又恢復了這一趨勢。 1931 年建造的帝國大廈把詞潮流推向了頂峰。 102 層高 1250 英尺（ 381 米）的帝國大廈在后來的 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構形式已經被當時的技術所掌握。次項工程所需要的梁是由 17 Bayonne 海灣對岸的軍械庫所提供的。是由用精密儀器控制的駁船和卡車負責運輸的。由九架起重機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 工程的最終完成只用了一年零 45 天。 二十世紀三十年代席卷全世界的大蕭條以及第而次世界大戰(zhàn)使鋼結構的發(fā)展又一次受到了阻礙。但是與此同時，焊接代替了鉚釘連接則是一個很重要的發(fā)展。 十九世紀末，利用焊接把各個鋼零件相連接已取得了很好的成績，并在第一次世界大戰(zhàn)中被運用于救生船的修理。但直到第二次世界大戰(zhàn)后才用于建筑結構中。同時在連接領域中又一進步就是高強螺栓代替了鉚釘。 二戰(zhàn)結束后，歐洲，美國，日本等國都擴大了對在不定應力（包括超過屈服點的情況）作用下各種結構鋼的性質的研究，并進行了更為精確、系統的分析。此后，許多 國家采用了一些更為自由靈活的設計規(guī)范和更為理想化的彈性設計規(guī)范。計算機在工程上的運用代替了冗長的手工計算，從而更加促進了鋼結構的發(fā)展，并大大的減低了造價。