三、優(yōu)秀設(shè)計
1.優(yōu)秀設(shè)計的內(nèi)涵
優(yōu)秀設(shè)計是指一項建筑工程的設(shè)計是優(yōu)秀的，因此應(yīng)該涵蓋建筑工程的整體。
國家現(xiàn)行標準規(guī)定，民用建筑應(yīng)符合適用、經(jīng)濟、安全、衛(wèi)生和環(huán)保等基本要求。民用建筑設(shè)計除應(yīng)執(zhí)行國家有關(guān)工程建設(shè)的法律、法規(guī)外，尚應(yīng)符合以下8個要求：一是應(yīng)按可持續(xù)發(fā)展的原則正確處理人、建筑和環(huán)境的相互關(guān)系;二是必須保護生態(tài)環(huán)境、防止污染和破壞環(huán)境;三是應(yīng)以人為本，滿足人們物質(zhì)與精神的需求;四是應(yīng)貫徹節(jié)約用地、節(jié)約能源、節(jié)約用水和節(jié)約原材料的基本國策;五是應(yīng)符合當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃的要求，并與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào);六是建筑和環(huán)境應(yīng)綜合采取防火、抗震、防洪、抗風(fēng)雪和雷擊等防災(zāi)安全措施;七是方便殘疾人、老年人等人群使用，應(yīng)在室內(nèi)外環(huán)境中提供無障礙設(shè)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(qū)、文物保護單位和風(fēng)景名勝區(qū)的多項建設(shè)，應(yīng)按國家或地方制定的保護規(guī)劃和有關(guān)條例進行。
國家標準的這些規(guī)定明確提出了一項建筑工程的設(shè)計除在建筑上有創(chuàng)意外，還應(yīng)在使用功能上是合適的，與周圍環(huán)境是協(xié)調(diào)的、更不能污染和破壞環(huán)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(jié)約的，建筑造價是經(jīng)濟的。因此，一項建筑工程的設(shè)計是否優(yōu)秀應(yīng)予綜合評定，包括綜合規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)、施工、設(shè)備、造價等多個方面。但是，建筑工程的規(guī)劃、建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，往往決定了其他方面的優(yōu)劣。
2.國內(nèi)外優(yōu)秀高層建筑設(shè)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(jié)構(gòu)體系為鋼框架結(jié)構(gòu)。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(cè)向剛度，在中央電梯區(qū)的縱橫向都設(shè)置了鋼斜支撐，所用鋼構(gòu)件均用鉚釘和螺栓連接。鋼結(jié)構(gòu)外包爐渣混凝土，以加強整個框架結(jié)構(gòu)的側(cè)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(cè)向剛度是裸露框架結(jié)構(gòu)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(fā)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(yè)、辦公、公寓)綜合性大廈。結(jié)構(gòu)工程師卡恩和建筑師格萊厄姆一起創(chuàng)造了一個合理的建筑體型和結(jié)構(gòu)體系——對角支撐桁架型由下向上逐漸收縮的錐形筒體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上比普通的矩形筒體減小10%～30%的側(cè)移，錐體4個外側(cè)面上設(shè)置的5個半18層高的X型巨型鋼支撐及聯(lián)系支撐的巨型水平系桿和鋼框架柱與裙梁結(jié)合，形成剛性桁架型筒體結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力能力顯著提高。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)降低了約30%。
漢考克中心是“用結(jié)構(gòu)美表現(xiàn)建筑美”的典范，其結(jié)構(gòu)與建筑協(xié)作的成果體現(xiàn)在這個基于理性和自然規(guī)律的建筑藝術(shù)表現(xiàn)中，更重要的是著名結(jié)構(gòu)設(shè)計師卡恩所提出的筒體設(shè)計概念，無論對鋼結(jié)構(gòu)還是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了深遠的影響，使高層結(jié)構(gòu)體系發(fā)展到一個新的水平。
③世界貿(mào)易中心
1973年建成的美國紐約世界貿(mào)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(wù)設(shè)施齊全的辦公城。結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新性地采用密柱深梁型框筒體系(外筒內(nèi)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(nèi)核心區(qū)可看作是由鋼框架、斜支撐和電梯井筒組成的框架結(jié)構(gòu)，承受重力荷載。從建筑上看，這種體系使得內(nèi)部樓蓋平面內(nèi)可以相對地取消或減少立柱和支撐，增加了使用面積，室內(nèi)空間布置的影響較小。從結(jié)構(gòu)上看，它有比框架結(jié)構(gòu)大得多的抗側(cè)移剛度和抗扭剛度，承載能力也比框架結(jié)構(gòu)大，而且結(jié)構(gòu)形式上下統(tǒng)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(mào)易中心采用密柱深梁的鋼框架筒體作為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)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(chuàng)新的體系在當(dāng)時仍是一場高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的革命，并且在建筑技術(shù)上的創(chuàng)新也是前所未有的。它首次進行了模型風(fēng)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(zhì)防火隔墻，首次用粘彈性阻尼器減輕風(fēng)振動效應(yīng)等，這對后來的高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)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(dāng)時世界第一高樓。設(shè)計者美國SOM公司設(shè)計該大廈的一個重要概念是：“要從建筑的外觀上充分表現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)和平面”。在這個設(shè)計概念指導(dǎo)下，設(shè)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?fù)补灿靡唤M立柱和深梁的框架方格，形成新的結(jié)構(gòu)體系——成束筒結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)上看，成束筒結(jié)構(gòu)是一組筒體，有共同的內(nèi)筒臂相互連接，使它在側(cè)向荷載作用下的剪力滯后效應(yīng)大大減小，各內(nèi)柱受力的不均勻性也大大減小，因而它的抗側(cè)力剛度大于單框架筒，抗剪切和抗扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的整體性，使結(jié)構(gòu)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(fēng)荷載大大減小。這種有效的結(jié)構(gòu)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(xiàn)各不相同的形態(tài)，并滿足了空間和美學(xué)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(jié)構(gòu)工程師卡恩(FazlurKhan)為解決高層建筑的關(guān)鍵性抗風(fēng)問題，提出了束筒結(jié)構(gòu)體系的概念并付諸實踐，使筒體結(jié)構(gòu)體系又發(fā)展到一個新的層次。西爾斯大廈同樣是建筑造型與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新相結(jié)合的典范。(待續(xù))
沈祖炎系中國工程院院士、同濟大學(xué)教授
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