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【钢结构·技术】法兹勒.汗(Fazlur Khan)和他的西尔斯大厦(Sears Tower)

打印 0条评论来源:胡正宇结构视点(id:AlexHU2020)


法兹勒.汗(Fazlur Khan)


当人们谈到设计摩天大楼的建筑师或结构工程师时,想到的第一个名字通常会是Skidmore,Owings&Merrill (SOM),一家总部位于芝加哥的结构工程和建筑设计公司。纵观现代建筑历在过去的半个多世纪,世界范围内恐怕还没有一家公司能够像SOM那样设计出如此之多并具有国际影响力的超高层建筑。直到今天,他们仍然是该领域最为活跃的领导者之一,其设计的纽约新世界贸易中心(One World Trade Center)和迪拜的哈利法塔(Burj Khalifa)分别为西半球和世界上目前已建成的最高建筑。然而可以这么说,在高层超高层建筑设计领域,SOM的“统治力”达到顶峰的时期还是在1970年代。之所以如此,是因为一个人,那就是法兹勒.汗(Fazlur Khan)– 当时他是SOM结构合伙人兼首席结构工程师。Falzur Khan在当时提出了多种创新的结构体系,彻底颠覆了高层超高层建筑的设计及建造行业,对其后的超高层建筑设计及施工方法产生了深远的影响。关于Fazlur Khan的生平,有兴趣的读者可以参考wikipedia中的介绍,在此不作过多展开,谨列出一些与Fazlur Khan相关的有趣且重要的“事实”:


Fazlur Khan是1970年代最高的两座摩天大楼的首席结构工程师,这两座摩天大楼都在芝加哥:约翰·汉考克中心John Hancock Center (1969)和西尔斯大厦Sears Tower(1973,现在称为威利斯大厦Willis Tower)。


直到21岁他来美国后,Fazlur Khan才亲眼看到第一座“真实”的“摩天大楼”。出生于孟加拉国达卡的他,其家乡最高的建筑只有3层楼。


Khan是第一个发现以“筒体”和“束筒”结构体系设计建造摩天大楼可以大大减少结构构件尺寸,材料用量及结构自重的人。他设计的高层建筑物不像帝国大厦那样由混凝土和位于结构内部中心的钢框架支撑体系作为结构主抗侧力系统,而是由其结构外围的框架或支撑体系作为结构主抗侧里系统。大大提高了结构抗侧力体系的效率。


Khan是首位将现代计算机建模及分析技术引入SOM并用于其结构分析设计的工程师,并聘请了两名编程专家来在创纪录的时间内完成了Hancock Center的结构分析计算。有趣的是这两位工程师不久后离开公司,加入了美国政府当时另一个革命性的项目“星球大战”计划。


为了了解建筑物在风力作用下的水平侧移摇摆对其设计的超高层建筑中高楼层区域用户的影响,Khan将测试对象放在一个类似洗衣机工作过程中产生震动机理的旋转平台的顶部,来测试风致位移和震动对舒适度的影响。


和他的高超的结构设计水平相当,Khan具有极其惊人的结构空间思维想象力和视觉图解的能力:“在设计时,我把自己置身于整个建筑物中,去充分感觉到身处其中时每个建筑结构部件,” Khan在接受《工程新闻记录》采访时说,“在我的脑海中,我可以形象地看到建筑物承受的压力,变形和扭转。”



Khan于1982年工作出差期间在沙特阿拉伯的吉达(Jeddah)死于心脏病,如今吉达正在建造王国塔(Kingdom Tower),该塔为目前正在建造的(尚未完成)世界上最高的建筑。


成立于2004年的Fazlur Khan终身成就奖章由高层建筑和城市人居理事会(CTBUH)颁发,以表彰那些“在结构技术设计和/或研究方面表现卓越,并对结构设计学科做出重大贡献的专业人士”。


Sears Tower的设计建造背景


西尔斯大厦(Sears Tower)最初是以Sears,Roebuck and Company(以下简称 Sears)的名字而命名的。1969年,西尔斯公司(Sears)成为美国最大的零售商,并希望更新其过时的总部。由于当年该公司财力雄厚,因此它可以为开发建造一座令人印象深刻的现代建筑提供财务支持。同时,该公司得到了当时芝加哥市长理查德·戴利(Richard Daley)的大力支持。戴利还对当时的市政规划限高条例进行了修订,大幅提高了建筑物的高度限制。修订后的条例将最大建筑高度更改为土地面积的16倍。这一切都为Sears Tower的诞生创造了有利的条件。但直至在Skidmore,Owings&Merrill(SOM)参与项目设计之后,这座建筑才完成了最终的建筑形式。


▼ Sears Tower



西尔斯(Sears)对公司的发展前景预测和当时的业务实践进行了研究,得出的结论是,他们当时和未来对新建筑的空间需求分别为2百万和4百万平方英尺,每个楼层商店的建筑面积为11万平方英尺-Sears当时设想的塔楼是一个40层大的立方体。但是SOM通过自己公司内部的独立研究后发现,通过把建筑面积为11万平方英尺的单个楼层改为两层每层5万5千平方英尺设计可以节省大量的员工和顾客用于交通的时间进而提高楼层商业使用效率。但这将使建筑物的高度由原先设想的40层变成80层。Sears公司表示不反对,但前提是SOM可以做到项目设计建设经济合理并在预算的经费内实现。这在当时根据传统的结构设计体系及造价的经验来说,几乎无法实现。


正当SOM内部的建筑师们为这个巨大的挑战和机遇一筹莫展之际,其结构合伙人Fazlur Khan(当时为承担这个项目结构设计的首席结构工程师),创造性地提出了采用成束筒体方案作为Sears Tower的结构体系。与当时普遍采用的结构体系相比,这种将几个框架筒体“捆绑”在一起组成一个大的成束筒体极大地提高了建筑物整体强度和刚度,特别是抗侧向作用力,比如抗侧向风力的能力。并经测算,与当时普通的框架核心筒结构体系相比,采用这种结构体系可以为Sears公司节省1000万美元。因此,在这样一个大环境下,这项创新的成束筒体的结构体系才得以诞生。


Sears Tower结构特点 (Forces&Form)


应用于这座443 m (至主屋面高度)高的建筑中,成束筒体结构体系除了给Sears Tower以高效的结构整体强度和刚度外,建筑师还从束筒的结构形式中汲取了视觉和物理上的力学美。该建筑平面图由9个小正方形网格组成,每个正方形边长75英尺,以3×3的网格布置。每个正方形每侧柱列有5个柱,柱间隔15英尺,相邻的正方形网格共享柱列。当每个小正方形网格中的柱列沿着筑物向上延伸时,平面图中的每个正方形网格都各自形成一个个筒体,这一个个筒体可以从建筑物的外形上清晰可见。


▼ Sears Tower - 筒体构成



这些密柱小筒体自身的柱间通过截面较高的钢框架梁连结形成一个独立的深梁框架筒体,筒体与筒体之间的柱列和框架共享,这九个小筒体又两两相连形成了一个九宫格状的成束筒体,各小筒体内部不再设柱(column free),每层楼盖均采用大跨度的钢桁架梁楼面梁(steel joists)和压型钢板组合楼板体系构成。同时,在沿着楼层高度方向,各小筒间又通过设置在不同楼层位置的跨层大型钢桁架将这些筒体两两相连,以减少筒体在侧向风力作用下的剪力滞后效应,重新均衡各筒体边列柱的轴向力。


▼ Sears Tower - 剪力滞后效应影响下的成筒体柱轴力分布



这些连结各小筒体的跨层大型钢桁架也同时充当在各小筒体顶部,即建筑截面变化处的加强层,作为建筑结构抗侧力体系中的主要水平连接器,极大地提高了结构整体抗侧力性能和结构体系整体性。同时由于这些跨层钢桁架楼层也充当建筑物的机械设备层,在立面上显示为黑色水平带,因此被形象地称为“带状桁架”层。将这些带状桁架层设置在设备层也为带状桁架的构件截面争取到了足够大的截面尺寸。尽管覆盖桁架的百叶窗掩盖了带状桁架的结构细节,但这些层在建筑物整体外部视觉上仍然十分清晰。整体来看,各束筒在各楼层通过深梁密柱的框架体系连结在一起,每隔一定的高度又通过带状桁架作为纽带绑定在一起。这些纽带使建筑物具有更高的刚度和更强的整体性。各个成束筒和带状桁架之间在水平作用下相互作用使建筑物达到了其设计极限高度的同时充分地发挥和利用了结构构件承载力。


▼ Sears Tower - 筒体构成. (图片来自网络,版权归原作者所有)



这些带状桁架除了确保结构抗侧刚度外,还有一个重要作用。由于成束筒体内各筒体的高度不同,结构体系的重力载荷无法沿着建筑物的高度方向均匀分布于竖向承重钢柱中。这些带状桁架可以将来自其上部的结构重量,重新均匀地分配到下方的筒体中。这对于塔楼高区的重力荷载的转换尤为重要。由于成束筒体内各筒体的高度不同,整个结构所承受的重力荷载围绕建筑平面的中心轴是不对称且偏置的,因此如果没有带状桁架的对重力进行再平衡重分配的话,结构所承受的重力荷载会使得建筑物一侧的柱承受的轴力大于另一侧的柱进而在柱中会产生不均衡轴向压缩变形进而会在建筑物地基础产生差异沉降。带状转换桁架的存在有助于减轻会导致建筑物倾斜的柱中差异轴向变形及由此引发的基础差异沉降的影响,最大程度地减小了建筑物在重力荷载作用下的倾斜和基础的不均匀沉降。


成束筒体结构体系最重要的优点之一是在为结构提供足够的侧向刚度的同时,具有极为经济的钢材使用效率即较低的面积单位用钢量。据测算,Sears Tower按楼层面积计算单位用钢量约为160kg/m2。远远低于当时比它高度低得多的高层钢结构建筑的单位用钢量。譬如,尽管西尔斯大厦比在它之前建成的约翰汉考克中心(John Hancock Center,也为Fazlur Khan所设计)高得多,但该结构体系的单位面积用钢量却相当。 这也充分体现了成束筒体结构体系经济高效的结构合理性。


Sears Tower施工特点 (Construction)


Sears Tower的设计和施工初期阶段进展相当顺利。随着设计的发展,尽管Fazlur Khan是SOM的结构合伙人,无法将全部时间花在该项目上, 但在他的监督下,由哈尔·艾扬格(Hal Iyengar)领导的由不超过8名设计工程师组成的设计项目团队仅仅耗时3个月即完成全部项目的施工图设计,比预算的8个月提前了一半还多。设计项目团队加班加点,并在计算机辅助建模分析设计的帮助下按时完成设计。设计完成后即立即按计划从基础开始施工。


尽管Khan当时已经估计出采用成束筒体结构体系的结构本身将为Sears节省大量资金,但随着项目的进展,当时项目预算经费中的1.75亿美元项融资经费利率越来越高,因此在施工过程中Khan所领导的SOM结构设计团队继续为客户降低成本。为了及时,经济地完成项目,该项目采用了几种在当时来说创新的施工技术以加快施工进度。


首先,由于项目施工工期紧迫,钢构件工厂预拼装是Sears Tower建造过程中采用的最重要原则之一。由工厂预拼装而成的被命名为“圣诞树”的钢构件树状预拼装单元可将施工安装现场的焊接量减少95%。这些单元是由两层高的柱和在每层高处和柱焊接连结的半长框架梁组成 。在工厂完成焊接后再运至现场安装,在施工现场,这些预拼装的树状柱单元仅需要将梁之间的螺栓连接板连接和柱接头的腹板螺栓连接即可完成单元的施工安装。非常快速高效。(这一措施在现今的高层钢结构施工安装中已经成为标准的主流工艺措施,但在当时还是很新的工艺)由于现场焊接是钢结构施工中最为耗时且昂贵的施工工序,因此大量钢构件的工厂预拼装现场螺栓连结的施工安装方案为Sears公司节省了大量资金的同时,也大大简化了施工过程,提高了施工速度。


▼ Sears Tower - 树状柱预拼装单元



另外,通过使用四个标准的S2型井架吊(stiff-legged derricks),最大限度地简化了钢结构现场安装过程。这些井架吊用于将重达45吨的模块化预拼装单元提升到直至第90层。在第90层添加了最后一个井架吊以进行屋顶施工。在整个施工过程中,每完成四个楼层(两层的预制钢结构单元)的安装后,井架吊就被移动到相应的上方楼层。通过这种有效地利用机械设备,西尔斯大厦实现了每月完成安装八层楼(即平均三天半一层)的施工安装速度。整个塔楼的钢结构施工安装仅耗时15个月即告完成。而且,由于设计师和承包商经验丰富且通力合作,施工过程中成功避免了与超高层钢结构设计及施工相关的绝大多数可能存在的问题(如施工误差,节点碰撞等),整个塔楼在施工建造的过程中基本上没有发生任何事故。这也成为了现代超高层钢结构项目施工的一个教科书式的典范。


▼ Sears Tower - stiff-legged derricks




Fazlur Khan和他的Sears Tower对现代高层建筑的影响


Fazlur Khan作为当代建筑史上最为杰出结构工程师之一,在他的职业生涯中,他开创性的提出了成束筒体结构体系并将这一体系成功地应用到在Sears Tower这一项目中,具有极其重要的划时代意义。之所以这么说是因为成束筒体结构体系这一半个世纪之前的被创造出来的结构体系,在结构经济合理的前提下,大幅度的提高了高层建筑的极限高度。Sears Tower作为应用这一体系的典型成功案例之一,除其结构体系本身已成为超高层建筑中的一个经典案例被广为借鉴外,其结构经济性能指标,施工安装速度,施工安装工艺直至今日仍对高层建筑设计施工具有重要的参考意义。


随着科技及经济的发展,工程师们可以设计建造更高更复杂的建筑结构,但从结构本身的经济性及力学合理性二者相结合的角度来说,我个人认为自Fazlur Khan及其所创造的成束筒体结构体系其设计的Sears Tower之后,还没有哪一位结构工程师及哪一种结构体系可以与Fazlur Khan和其所创造的成束筒体结构体系相提并论。


(编辑:奚雅青)


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