【導(dǎo)讀】河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制

　　

【正文】 基礎(chǔ)和地基。摩天大樓的出現(xiàn)應(yīng)歸功于19世紀(jì)的兩個(gè)新發(fā)明：鋼結(jié)構(gòu)建筑和載人電梯。鋼材作為結(jié)構(gòu)材料是從1855年貝色麥煉鋼法被首次介紹后開始應(yīng)用的。古斯塔?艾菲爾（1832~1923）首次介紹鋼結(jié)構(gòu)建筑是在法國(guó)。他的設(shè)計(jì)是為1889年的巴黎國(guó)際博覽會(huì)所設(shè)計(jì)的理想的建筑，表達(dá)了鋼結(jié)構(gòu)的輕巧。艾菲爾鐵塔高300米，是當(dāng)時(shí)人類建造的最高建筑物，直到40年后才由美國(guó)的摩天大樓超過(guò)其高度。第一部電梯是1857年Elisha Otis給紐約的一家百貨公司所安裝的。1889年，艾菲爾在艾菲爾鐵塔上安裝了第一部大型液壓電梯，它每小時(shí)可以運(yùn)送2350位乘客到達(dá)塔頂。2 承重框架直到19世紀(jì)后期，建筑物的外墻被用做承重墻來(lái)支撐樓層，這種結(jié)構(gòu)是基本的一種過(guò)梁類型，它還被用在框架結(jié)構(gòu)房屋中。因?yàn)樗鑹w的厚度很大，承重墻結(jié)構(gòu)限制了建筑物的高度；例如，建于1880年的芝加哥16層高的Monadnock Building。1883年，Willian Le Baron Jenney（1832~1907）用類似鳥籠形狀的鐵柱來(lái)支撐樓層。在1889年，框架結(jié)構(gòu)首次由鋼梁和鋼柱構(gòu)成。外墻成為了“幕墻”而不是被用做支撐結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)成果。磚石一直是“幕墻”的主要材料，直到1930年輕金屬和玻璃幕墻的問(wèn)世為止。自從鋼骨架首次推出，建筑物的高度一直在迅速增加。直到第二次世界大戰(zhàn)為止，所有的高層建筑都是由鋼骨架建造的。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束以后，鋼材的缺乏和混凝土品質(zhì)的改進(jìn)，促進(jìn)了鋼筋混凝土高層建筑的發(fā)展。芝加哥的Marina Towers（1962）是美國(guó)最高的混凝土建筑；它的高度是588英尺即179米，不久以后它將超出198米高的倫敦郵政塔和其它的塔。在關(guān)于摩天大樓建筑中的承重墻的使用在看法上有了改變。在紐約，由Eero Saarinen于1962年設(shè)計(jì)的哥倫比亞廣播公司大樓，柱與柱的中心間距為3米。這種圍護(hù)墻有效地構(gòu)成了建筑物的承重墻。這種趨勢(shì)發(fā)展的原因是建筑物的墻像一個(gè)管道可以有利地抵抗風(fēng)的強(qiáng)烈作用；世貿(mào)大樓是另一個(gè)管道法的例子。相比之下，堅(jiān)固的框架或垂直支撐通常提供建筑的橫向穩(wěn)定。3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)一個(gè)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)由透明的窗戶和不透明的墻組成。窗戶采用傳統(tǒng)上的玻璃作為材料年，然而塑料也被使用，特別在破損嚴(yán)重和保養(yǎng)難的學(xué)校里。墻被用來(lái)覆蓋結(jié)構(gòu)和起支撐作用，它是由多樣化的建筑材料組成：磚、現(xiàn)澆混凝土、石頭、不透明的玻璃、塑料、鋼材和鋁材。木頭是過(guò)去建造房屋的主要材料；因?yàn)樗字?，因而不常用于商業(yè)的、工業(yè)的和公共建筑。4 樓地面一幢建筑的樓地面結(jié)構(gòu)取決于它所使用的基本結(jié)構(gòu)框架。在鋼框架建筑中，樓地面或者是鋼梁上的混凝土樓板，或者是由波紋鋼配有混凝土骨料組成的地板。在混凝土結(jié)構(gòu)中，樓地面或者是混凝土梁上的混凝土樓板或者是一系列緊密分布于混凝土梁在方向上端的薄混凝土樓板，在它的下面抹一層抹面。樓層的種類取決于支撐柱之間的距離或者墻和空間的功能性。在一棟公寓大樓中，例如，最常見的結(jié)構(gòu)是無(wú)梁實(shí)心混凝土樓蓋。樓蓋的下表面是樓蓋以下空間的最高限度。辦公大樓中常使用波紋鋼地板，這是因?yàn)椴y鋼地板的波紋當(dāng)由另一塊金屬板蓋上時(shí)，可以形成電話線和電線管道。5 機(jī)械電力系統(tǒng)一個(gè)現(xiàn)代建筑不僅包括必要使用空間而且也包括機(jī)械、電力系統(tǒng)等的輔助空間，以便營(yíng)造一個(gè)舒適的生活環(huán)境。這些輔助空間可能占摩天大樓總建筑面積的25%。在一個(gè)辦公大樓中，供暖、通風(fēng)、電力和衛(wèi)生設(shè)備系統(tǒng)的預(yù)算額占實(shí)際建筑總預(yù)算額的40%，顯示了它們?cè)诮ㄖ械闹匾?。因?yàn)樵S多建筑是密封的，窗戶不能被打開，因而由機(jī)械系統(tǒng)提供了通風(fēng)設(shè)備和空氣調(diào)節(jié)設(shè)備。新鮮空氣從中央換氣室由空氣調(diào)節(jié)器用管道輸入。通風(fēng)管和控制照明設(shè)備單元由懸掛在上面樓層結(jié)構(gòu)下面的天花板遮住了。提供動(dòng)力的電力線路和電話通訊線路也可能在天花板里或者也可能在樓地面結(jié)構(gòu)層中的管道或?qū)Ь€管里。我們?cè)鴩L試性地把機(jī)械、電力系統(tǒng)加入建筑物的建筑風(fēng)格中去，讓他們裸露在結(jié)構(gòu)的外部；例如美國(guó)保險(xiǎn)公司大樓in Des Morines ,衣阿華，管道和樓地面的結(jié)構(gòu)層有組織的、優(yōu)美的懸掛在天花板上。這類型的方法使得建筑物的花費(fèi)盡可能的減少了并且使結(jié)構(gòu)有了創(chuàng)新，例如在結(jié)構(gòu)間距方面。6 土地和地基所有的建筑物都是靠土層支撐在地面上的，因而土的特性成為建筑設(shè)計(jì)時(shí)極其重要的考慮因素。基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)取決于土的許多因素，例如土的類型，土分層的情況，土層的厚度和它的密實(shí)度，以及地下水的情況等。土層很少有一個(gè)單一的性質(zhì)；他們通常是厚度變化的混合狀態(tài)土層。據(jù)評(píng)定，土層的等級(jí)是根據(jù)土分子的大小來(lái)劃分，從小到大依次是淤泥、粘土、沙、石子、巖石。通常，較大分子的土支撐的荷載要大。最堅(jiān)硬的巖石能夠支撐的荷載大約是每平方米100噸。所有地表以下的土都處于受壓狀態(tài)，說(shuō)得更精確些，這些土承受與作用在其上的土柱重量相等的壓力。許多土顯示出彈性的性質(zhì)——他們或被重載壓壞或卸載后又恢復(fù)。土的彈性常隨時(shí)間而改變，更精確地說(shuō)，土層的變形在恒載作用下隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷地改變。過(guò)一段時(shí)間后，如果加于土層上的荷載大于土自然壓緊狀態(tài)下的重量，則建筑物不會(huì)產(chǎn)生沉降。建筑物的重量可能會(huì)使土產(chǎn)生流動(dòng)；也就是說(shuō)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生土被擠出。由于土受壓和流動(dòng)的影響，使建筑物發(fā)生沉降。不均勻沉降例如比薩斜塔，損壞的結(jié)果是建筑物發(fā)生傾斜，墻和隔墻可能出現(xiàn)裂縫，窗戶和門可能產(chǎn)生變形，或者甚至建筑可能倒塌。均勻沉降不會(huì)如此嚴(yán)重，盡管可能出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況，例如墨西哥城的一些建筑，出現(xiàn)各種各樣的后果，在過(guò)去的一年里，地下水位發(fā)生了改變，致使一些建筑下沉了3米多。因?yàn)轭愃频臓顩r可能發(fā)生在建造時(shí)也可能是建造后，因此小心處理建筑物下的土層是極其重要的。土層巨大的變化使得解決地基問(wèn)題的辦法多樣化。如果表面土層下的土為堅(jiān)硬土層，最簡(jiǎn)單的辦法是采用混凝土基礎(chǔ)。若是軟弱土層，加大柱的面積；假如這樣的話，整個(gè)建筑就可采用筏板基礎(chǔ)。假設(shè)表面土層不能夠支撐建筑物的重量，木結(jié)構(gòu)建筑、鋼結(jié)構(gòu)建筑、或者混凝土建筑應(yīng)建造在堅(jiān)硬土層上。建造一幢建筑物一般是從基礎(chǔ)往上到上部結(jié)構(gòu)。然而設(shè)計(jì)的過(guò)程是從屋頂開始到基礎(chǔ)。在過(guò)去，地基處理不是一個(gè)系統(tǒng)的研究項(xiàng)目。在20世紀(jì)，一種科學(xué)的地基設(shè)計(jì)方法已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了。美國(guó)的Karl Teraghi不斷創(chuàng)造研究，使土力學(xué)和土地勘測(cè)聯(lián)合起來(lái)，讓它盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地基的活動(dòng)狀態(tài)。過(guò)去典型的地基破壞的例子——比薩斜塔現(xiàn)在變得幾乎不存在了。而地基仍然是建筑物中不可見部分費(fèi)用最大的一部分。盡管大體上在建筑物的建造工藝上取得許多進(jìn)步，但是在超高層建筑物的設(shè)計(jì)和建造上仍取得了驚人的成就。早期的高層建筑的發(fā)展是以型鋼結(jié)構(gòu)開始的。鋼筋混凝土和薄殼筒體體系已成為許多住宅和商業(yè)建筑以節(jié)儉和竟?fàn)帪槟康牡慕Y(jié)構(gòu)。作為新結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新和發(fā)展的結(jié)果，美國(guó)到處都是50到110層的高層建筑。巨大的高度需要增加柱和梁的尺寸來(lái)使建筑物更加堅(jiān)固，為的是在風(fēng)荷載作用下不致于使其傾斜度超過(guò)限值。反復(fù)地過(guò)多地側(cè)向擺動(dòng)可能引起隔墻天花板和其它建筑部件的損壞。另外，過(guò)度的擺動(dòng)可能會(huì)給建筑物中的居住者帶來(lái)不安和恐懼，因?yàn)闀?huì)使他們有移動(dòng)的感覺。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系和鋼結(jié)構(gòu)一樣，內(nèi)在的潛力使得建筑物非常堅(jiān)硬因此不需要附加的強(qiáng)化擺動(dòng)限制。在一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中，例如，根據(jù)建筑物每平方米的樓層面積的總的平均用量表明其經(jīng)濟(jì)性。圖中曲線A表示一般性的框架在不受水平荷載的作用下鋼的平均重量。上邊界和下邊界之間的間距表示一般的梁—柱框架的重量。結(jié)構(gòu)工程師以發(fā)展結(jié)構(gòu)體系為目標(biāo)。7 框筒結(jié)構(gòu)另一種體系是鋼筋混凝土外框筒結(jié)構(gòu)的辦公大樓結(jié)合傳統(tǒng)的剪力墻建筑。該體系由間距很小的柱子構(gòu)成的外框筒與圍繞中心設(shè)備區(qū)的剛性剪力墻內(nèi)筒組成。這就是有名的筒中筒體系，使用這種體系建造設(shè)計(jì)的建筑物可能是目前世界上最高的輕質(zhì)混凝土大樓（52層的休斯敦的貝殼廣場(chǎng)大廈）僅35層的傳統(tǒng)簡(jiǎn)力墻結(jié)構(gòu)?；炷僚c鋼筋結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系已得到發(fā)展，這種復(fù)合體系發(fā)展的一個(gè)例子是Skidmore,Owingsamp。Merrill,外部的混凝土框筒結(jié)構(gòu)緊密地包住內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)，因此，它結(jié)合了鋼混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)。