贝博艾弗森体育网页版:超高层结构体系的起源：法兹勒汗和他的结构体系创新

　　超高层的起源可以归结到芝加哥的一场大火。1871年，芝加哥发生了一起持续整整三天的严重火灾，导致近300人死亡，约10万人无家可归，1.75万栋建筑付之一炬，成为美国19世纪最大的灾难之一。而起火原因也颇为无厘头，最广为流传的说法是一家粮仓里的牛把灯笼打翻了所致。

　　虽然火灾带来巨大损失，但同时重建也意味着一种机遇，尤其为当地的建筑师们提供了大展拳脚“舞台”。此外，在火灾发生前，由于工业和城市的发展，芝加哥的人口已激增至近百万，到19世纪90年代更是超过费城，成为美国仅次于纽约的第二大城市。人口的增加势必带来对更多空间的需，房地产业迅猛发展，然而城市土地面积固定，因此建造高楼成为唯一选择。

　　十九世纪后期，技术的进步带来了美国工业期间铸铁行业的发展。第一座使用这项技术的多层建筑是位于芝加哥的家庭保险大楼（Home Insurance Building）。它建于1885年，并于1889年增建了两层，共计12层，高55m。可以算是历史第一座摩天大楼。

　　芝加哥的蒙纳德诺克大厦（Monadnock Building）建于1891年，共16层，高60m，采用了1.8m厚的无筋砌体墙，是目前最高的无筋砌体承重建筑。

　　信诚大厦（Reliance Building）建于1895年，共15层，61.6m，采用了钢结构，是第一个采用幕墙体系的建筑。

　　1853年，美国人艾利莎·奥的斯（Elisha Otis）发明自动安全装置，大大提高钢缆曳引电梯的安全，从而使得客运电梯得以广泛应用。1889年，第一个直接连接、齿轮传动的电动升降梯成功安装，标志着摩天大楼时代的来临。

　　1930年，纽约的克莱斯勒大厦（Chrysler Building）建成，共77层，高318.9m，采用钢框架支撑结构，成为当时世界上最高的建筑。

　　随后，1931年竣工的帝国大厦（Empire State Building）便取代了克莱斯勒大厦成为世界最高的建筑，采用钢框架支撑结构，共102层，高381m，在1951年增加天线天。帝国大厦保持世界最高建筑长达41年之久，直到1972年纽约世贸中心的建成。总的用钢量约为5.7万吨，约206公斤每平米。

　　帝国大厦采用的钢框架体系之所以可以达到381m的高度，除了在平面中央设置的纵横向支撑提供的刚度之外，这和在钢结构框架中外包了大量的炉渣混凝土也有很大关系。虽然在计算中没有考虑炉渣混凝土的作用，却极大提高了整个结构的侧向刚度。在竣工后，对建筑物量测的频率估算表明结构的实际侧向刚度是裸露钢框架的4.8倍。

　　在帝国大厦建成之后的41年里，建筑的最大高度再也没有大的突破。这是由于以帝国大厦、克莱斯勒大厦为代表的超高层建筑采用的大多是钢框架结构，但这些固有的框架体系在追求更高层建筑的需求面前显得有些力不从心，所能设计和建造的高度始终徘徊在60层左右。帝国大厦已经是钢框架结构所能达到的极限高度了。

　　想要建造更高的摩天大楼，传统的钢框架体系已经遇到了瓶颈，小打小闹的改进已经解决不了问题，必须釜底抽薪，彻底摒弃传统的框架形式，寻找更高效经济的结构型式。

　　正是在急需一种高效经济的新的超高层结构体系时，一个被称为”结构工程的爱因斯坦“、二十世纪最伟大的结构工程师、”筒体结构之父“的Fazlur Khan出现了。Fazlur Khan提出的框筒结构、桁架筒结构、筒中筒结构、束筒结构、巨型结构一直指导着今天的超高层结构设计。法兹勒在超高层结构体系方面的开创性工作，标志着现代超高层结构体系新时代的开始。

　　1929年4月3日，Fazlur Khan出生在孟加拉国达卡的一个小村子里。1952 年Fazlur Khan拿到了孟加拉工程学院的学士学位，随后他申请到了富布莱特和巴基斯坦奖学金，获得了去美国留学的机会。Fazlur Khan选择了到伊利诺伊大学香槟分校深造，三年后，Fazlur Khan拿到了两个硕士学位和一个博士学位。两个硕士学位分别为结构工程专业和理论与应用力学专业。随后Fazlur Khan加入了芝加哥的 SOM 事务所从此开始了他短暂又辉煌的职业生涯。

　　当Fazlur Khan于1961年加入SOM时，高层建筑可选择的结构体系并不多。当时的钢结构主要以钢框架+支撑为主，混凝土主要混凝土框架+剪力墙为主，主要适用于20~30层左右的建筑。随着设计层数的增加，竖向荷载的影响呈线性增加，而水平荷载的影响却以指数形式的程度增加。

　　随着建筑高度的增加，框架结构的抗侧变得非常低效，单位面积的成本急剧增加。帝国大厦就是一个很好的例子，381米的帝国大厦采用钢框架支撑结构，用钢量达到了206kg/m2，采用桁架筒的汉考克中心高343.7m，用钢量为145kg/m2，采用束筒结构的西尔斯大厦高442m，用钢量约为161kg/m2。

　　在很大程度上，结构材料的增加是源于需要额外的强度与刚度来抵抗水平荷载的作用。因此，法兹勒提出了一种评价方法，用以评估结构分别受实际荷载与重力荷载时材料用量的差异，他给这种差异命名为“高度的罚金”。上图中的a曲线表示仅考虑重力荷载时的单位面积材料用量，阴影部分即由于高度所引起的额外的材料用量。最大程度的减少由于高度的增加导致的额外的结构材料，是当前设计中必须要面对的，对新的高效经济的结构体系提出了迫切的需求。

　　布伦兹维克大厦（现为库克县行政大楼）是Fazlur作为结构负责人的第一个项目，高144.8m，1962年开始施工，1964年竣工，建成时为当时最高的钢筋混凝土建筑。

　　其标准层的平面尺寸约为50.6x33.5m，当时那个年代已经认识到可以利用中央交通核布置混凝土剪力墙来提供有效的抗侧刚度。但是，当时对框架和剪力墙之间的相互作用并没有一个清晰的理论，普遍的做法是仅依靠剪力墙的抗侧刚度。

　　可能与大多数人的猜想相反，忽略刚性框架参与剪力墙的抗侧力作用并不是一种保守的设计方法。刚性框架参与侧向力是一个无法回避的现象，即影响剪力墙的受力，也影响框架本身的受力性能。由于在水平荷载作用下的变形，框架呈剪切型，剪力墙呈弯曲型。因此，在结构的底部，剪力墙将框架向后推，并承担大部分的水平剪力，但随着高度的增加，悬臂墙的刚度在减少，刚性框架却限制了剪力墙的变形，到了顶部，框架承担的水平剪力增多。

　　考虑刚性框架对抗侧力的刚性，可以明显提高结构刚度。与此同时，不考虑框架与剪力墙之间的相互作用，对于高区的框架来说是偏不安全的。这在我们现在看来是一个理所当然的现象，但当时由于计算方法及工具的限制，人们在设计中并没有认识到剪力墙与框架之间的相互作用。

　　在设计初期，Fazlur Khan不认为周边的刚性框架会对结构的侧向刚度有显著的影响。但当仔细研究了周边的框架布置时，Fazlur意识到，相对小的柱距会对剪力墙的性能产生较大影响。在与其他工程师仔细分析两种体系时，他们发现平行于风荷载方向柱距为2.844m时，框架的有效侧向刚度与同向剪力墙大体相当，这对结构的抗侧刚度来说，是一个极大的提高。意识到这个现象之后，Fazlur立刻与PCA（波特兰水泥协会）的工程师进行了深入的理论研究，并在接下来的几年内将他们的研究成果”剪力墙与框架的相互作用“在ASCE期刊及会议上进行了发表。这也是后来框筒结构研发的基础。

　　回到布伦兹维克这个项目，最终外框的混凝土框架柱柱距采用2.844m，其实根据外框对抗侧刚度的贡献比例，这个项目中外框已经是一个框筒结构了，但当时还没有框筒结构这样一个概念。

　　布伦兹维克大厦的另一个特征是其底部2.438x7.315m的转换大梁，转换大梁下转换柱为2.133m的方形混凝土柱。这是由于建筑设计要求其立面设计与相邻的芝加哥市政中心大楼相协调。上图显示了上部楼层的荷载如何通过转换大梁传递到底部的巨柱上。

　　为了研究转换梁高度的影响，Fazlur对一个两跨的转换梁进行了对比分析：一种使用实际的转换梁尺寸，另一种采用十分之一的转换梁高度作为对比分析。从上图中可以看出，当转换梁高度为7.3m时，上部框架柱的轴力分布比较均匀，相差不大，当转换梁高度只有0.73m时，转换柱上方的框架柱的轴力较大，而其他位置的框架柱轴力较小，框架柱轴力分布不均匀。

　　由于这么尺度的转换梁在之前从未设计过，和一般的深梁结构也有着巨大差异。其跨高比异常的小，由于其巨大的高度，浇筑时必须多次分层浇筑，使得原来的弹性深梁理论都不再适用。为了确认转换梁的结构特性，在伊利诺伊大学的结构实验室进行了21：1的缩尺的两跨连续梁的加载实验。实验表明，其安全系数约为3.0，屈服破坏为弯曲型，并未出现不良剪切破坏，之前担心的水平施工缝对构件的受力性能几乎没有影响。

　　在今天看来，也许对只有144.8m高的布伦兹维克大厦不会留下太深的印象。但是通过这个项目，使人们认识到了框架与剪力墙之间的相互作用，是Fazlur对结构工程创新的探索的开始，也为后续框筒结构研究提供了理论基础。

　　切斯纳特公寓，共43层，高120.4m，1963年开始施工，1966年竣工，是世界上第一座采用框筒结构的混凝土高层建筑。其平面尺寸约为37.8x23.8m。

　　在设计初期，Fazlur曾和建筑师讨论过利用中央交通核布置剪力墙的方案，但是狭小的核心区可供布置剪力墙的位置并不多，很难提供有效的抗侧刚度。Fazlur不得不另寻他法。

　　相对于重力荷载而言，高层结构的水平荷载更为重要。他坚信，高层结构在水平荷载作用下都会呈现悬臂梁的特性。Fazlur认为，高效的抗侧力体系应当是一个垂直中空的箱型建筑，所有的结构材料都应尽量集中在周边，并悬臂于地面。他画了一个沿建筑周边的连续实体墙作为理论上的理想结构模型，由于实体墙内部空间的不可居住性，因此墙上必须开洞。于是，建筑立面上密集的梁柱网格便形成了规则的洞口。

　　美国1969年曾在纽约建成一座29层无窗的实体墙结构，属于真正意义上筒体结构。但是其并不是从结构上考虑出发的，而是作为一个中心，其实体墙的主要作用是防止设备的干扰。

　　实体墙上窗洞虽然会使筒体的作用大打折扣，但是Fazlur的分析显示，即使是削减后的筒体仍然可以为抗侧力体系提供巨大的改善，并且其抗侧效率也是远远超过传统的抗弯框架及剪力墙结构。从悬臂梁的角度出发，大家可以很清楚的意识到：在水平荷载作用下，材料离中和轴越远，抗弯的效率越高。

　　Fazlur还发现，当单片墙体没有连接成一个闭合的筒体时，在水平荷载作用下，其弱轴方向的抗弯刚度很差。从上图中可以发现，连成筒体之后的有效抗弯刚度约为单片墙体的三倍左右。

　　由于框架的刚度不是无穷大，水平荷载作用下，腹板框架的剪应力在筒体角部不能有效传递，导致筒体的内力分布与理想的平截面假定不符，这种现象被称为”剪力滞后“（Shear Lag）。这使得迎风面的中柱无法充分参与到抵抗倾覆力矩的工作中。剪力滞后的概念、原因及相关措施已经上一篇文章进行了详细说明，这里就不再重复阐述了。

　　Fazlur通过计算发现，腹板框架中，梁和柱的柔度是框筒水平侧移的主要因素。框筒总的侧移中，仅大约25%是由作为悬臂构件的分量组成，而其余是由作为框架剪切推压的分量组成的。

　　在确定框筒结构的可行性之后，Fazlur便开始了切斯纳特公寓的具体设计。其平面布置图如下所示，采用的柱距为1.676m，裙梁高度为0.61m，跨高比约为2.75，中央核心区无剪力墙，仅布置重力柱，为建筑功能的布置提供极大的灵活性。

　　由于当时计算机技术的限。