三、優秀設計

　　1.優秀設計的內涵

　　優秀設計是指一項建筑工程的設計是優秀的，因此應該涵蓋建筑工程的整體。

　　國家現行標準規定，民用建筑應符合適用、經濟、安全、衛生和環保等基本要求。民用建筑設計除應執行國家有關工程建設的法律、法規外，尚應符合以下8個要求：一是應按可持續發展的原則正確處理人、建筑和環境的相互關系;二是必須保護生態環境、防止污染和破壞環境;三是應以人為本，滿足人們物質與精神的需求;四是應貫徹節約用地、節約能源、節約用水和節約原材料的基本國策;五是應符合當地城市規劃的要求，并與周圍環境相協調;六是建筑和環境應綜合采取防火、抗震、防洪、抗風雪和雷擊等防災安全措施;七是方便殘疾人、老年人等人群使用，應在室內外環境中提供無障礙設施;八是在國家或地方公布的多級歷史文化名城、歷史文化保護區、文物保護單位和風景名勝區的多項建設，應按國家或地方制定的保護規劃和有關條例進行。

　　國家標準的這些規定明確提出了一項建筑工程的設計除在建筑上有創意外，還應在使用功能上是合適的，與周圍環境是協調的、更不能污染和破壞環境，在多種使用荷載作用下是安全的，施工安裝是合理的，原材料和其他資源的使用是節約的，建筑造價是經濟的。因此，一項建筑工程的設計是否優秀應予綜合評定，包括綜合規劃、建筑、結構、施工、設備、造價等多個方面。但是，建筑工程的規劃、建筑和結構設計是其中的關鍵環節，往往決定了其他方面的優劣。

　　2.國內外優秀高層建筑設計分析①帝國大廈

　　1931年建成的美國紐約帝國大廈102層、高381米。結構體系為鋼框架結構。該大廈自下向上逐漸分段收縮，略呈階梯形。為加強整個建筑物的側向剛度，在中央電梯區的縱橫向都設置了鋼斜支撐，所用鋼構件均用鉚釘和螺栓連接。鋼結構外包爐渣混凝土，以加強整個框架結構的側向剛度。完工后對建筑物量測得到的頻率估算表明實際建筑物的側向剛度是裸露框架結構的4.8倍，以致1945年一架飛機撞進該大廈的78層～79層間時，僅造成局部建筑的毀壞，對全樓無致命危害。該工程用鋼指標約206千克/平方米。

　　帝國大廈作為世界上早期的標志性高層建筑，是高層建筑發展中的一座里程碑，它保持世界最高建筑達40年之久。

　　②漢考克中心

　　1968年建成的美國芝加哥約翰·漢考克中心100層、高344米，是一座多功能(商業、辦公、公寓)綜合性大廈。結構工程師卡恩和建筑師格萊厄姆一起創造了一個合理的建筑體型和結構體系——對角支撐桁架型由下向上逐漸收縮的錐形筒體結構體系。這種獨特的錐體塔樓在建筑上滿足了不同的建筑功能需求，在結構上比普通的矩形筒體減小10%～30%的側移，錐體4個外側面上設置的5個半18層高的X型巨型鋼支撐及聯系支撐的巨型水平系桿和鋼框架柱與裙梁結合，形成剛性桁架型筒體結構體系，使結構抗側力能力顯著提高。結構用鋼指標僅為145千克/平方米，比37年前建成的帝國大廈的鋼框架結構降低了約30%。

　　漢考克中心是“用結構美表現建筑美”的典范，其結構與建筑協作的成果體現在這個基于理性和自然規律的建筑藝術表現中，更重要的是著名結構設計師卡恩所提出的筒體設計概念，無論對鋼結構還是鋼筋混凝土結構都產生了深遠的影響，使高層結構體系發展到一個新的水平。

　　③世界貿易中心

　　1973年建成的美國紐約世界貿易中心北塔417米、南塔415米，雙塔地上均為110層、地下6層，是一個服務設施齊全的辦公城。結構體系創新性地采用密柱深梁型框筒體系(外筒內框)。外筒平面尺寸為64米×64米，地面層處柱距為3.06米，至第9層一分為三，柱距為1.02米，柱與高度為1.32米的裙梁相連，形成猶如墻體一樣工作的密柱深梁鋼筒體。其內核心區可看作是由鋼框架、斜支撐和電梯井筒組成的框架結構，承受重力荷載。從建筑上看，這種體系使得內部樓蓋平面內可以相對地取消或減少立柱和支撐，增加了使用面積，室內空間布置的影響較小。從結構上看，它有比框架結構大得多的抗側移剛度和抗扭剛度，承載能力也比框架結構大，而且結構形式上下統一，易于安裝和施工。該工程用鋼指標為186千克/平方米。

　　世界貿易中心采用密柱深梁的鋼框架筒體作為結構的主要抗側力體系，盡管這種體系存在剪力滯后等不足之處，并于2001年9月11日遭恐怖分子襲擊而倒塌。但這種創新的體系在當時仍是一場高層建筑結構設計的革命，并且在建筑技術上的創新也是前所未有的。它首次進行了模型風洞試驗，首次采用了壓型鋼板組合樓板，首次在樓梯井道采用了輕質防火隔墻，首次用粘彈性阻尼器減輕風振動效應等，這對后來的高層建筑結構的設計和建造都具有重要的參考價值。

　　④西爾斯大廈

　　1974年建成的美國西爾斯大廈110層、高443米，被公認為當時世界第一高樓。設計者美國SOM公司設計該大廈的一個重要概念是：“要從建筑的外觀上充分表現它的結構和平面”。在這個設計概念指導下，設計者將9個尺寸相同的22.86米見方的單獨筒體組合在一起，兩相鄰筒共用一組立柱和深梁的框架方格，形成新的結構體系——成束筒結構。該成束筒的各個筒體是在不同高度處截斷的，形成一組階梯型的體量。從建筑上看，在使用上滿足了要求較小樓面租賃客戶的需要，在外觀上從不同角度都能看到變化的景觀和天際線。從結構上看，成束筒結構是一組筒體，有共同的內筒臂相互連接，使它在側向荷載作用下的剪力滯后效應大大減小，各內柱受力的不均勻性也大大減小，因而它的抗側力剛度大于單框架筒，抗剪切和抗扭轉能力都大大加強，它建造的高度比單個框筒更高;成束筒的各個筒格可以在不同高度處截斷而不削弱結構的整體性，使結構受扭荷載可以容易地為各筒格的封閉形式所抵抗，并使建筑物頂部所受的風荷載大大減小。這種有效的結構體系使得大廈的用鋼指標約161千克/平方米。

　　西爾斯大廈在建筑外觀上從不同方向，呈現各不相同的形態，并滿足了空間和美學兩方面不同的需要，突破了一般高層建筑對稱的造型手法。更重要的是結構工程師卡恩(FazlurKhan)為解決高層建筑的關鍵性抗風問題，提出了束筒結構體系的概念并付諸實踐，使筒體結構體系又發展到一個新的層次。西爾斯大廈同樣是建筑造型與結構創新相結合的典范。(待續)

　　沈祖炎系中國工程院院士、同濟大學教授