CUMT-新型建筑材料与结构-2

2020/3/92中国矿业大学ChinaUniversityofMining&Technology建筑工程学院SchoolofArchitecture&CivilEngineering33高层建筑与材料建筑物按照层数可分为低层、多层、高层以及超高层建筑。通常1—2层称为低层建筑，3－6层称为多层建筑，7一30层左右称为高层建筑，而30层以上（或高度超过100m）叫做超高层建筑。高层建筑是现代社会科学和技术发达的标志之一，是人口密度增大、城市功能集中的必然产物，也是人类不断向新的高度挑战，不断探索新的建造技术，开发新型建筑体系和材料的体现。高层建筑为人类提供了高密度、大容量的居住或工作空间，给现代人的生活和工作带来许多方便，同时对城市环境、居住条件以及生活方式也带来诸多影响。43．1高层建筑的发展与未来人类历史上最早出现的高层建筑，可以追溯到古罗马时代。2000多年前的古罗马时代，就已经在各城市建造了10层左右的高层建筑物，所采用的结构形式是承重墙结构，这主要是受当时的建筑材料只有石材或粘土砖等块体材料的限制。后来随着罗马帝国的衰落，高层建筑也就随之消沉了。52．1．1近代高层建筑的兴起1）承重墙结构对层高的限制到19世纪以前，人类的生产方式一直停留在以手工操作为主的水平，在建筑技术和材料方面也没有突破性的发展。直到进人19世纪，西欧各国以工业革命为契机，开始出现了资本主义机械化大生产，人口向城市集中，出现了解决城市人口居住集中问题的需求。同时，炼钢技术的成熟、水泥、混凝土材料的出现，为建筑结构形式向大型化发展提供了物质基础。于是沉寂了近2000年的高层建筑又开始兴建起来。由于受当时的设计水平和材料体系的影响，最初建造高层建筑的结构形式仍然采用砌筑承重墙结构。随着建筑物高度的增高，用于承受建筑物自重的承重墙体就必须加厚。例如1891年在芝加哥建造了一座高16层的Monadnock（摩那顿克）大厦，由于自重较大，这座建筑物下部承重墙的厚度达到了1．8m。可见，要使建筑物达到更高的高度，必须采用受力更加合理的结构形式，开发新的结构与材料体系。62）框架结构体系和金属材料的应用由于当时已经有了铸铁、钢材等金属材料，人们也在探索更加合理的结构形式，以解决承重墙结构墙体过于厚重的问题。结构工程师开始开发轻型的框架结构系统。这种框架结构形式是由梁和柱构成刚性的框架，楼板和墙体的自重首先传递到梁上，然后通过柱直接传递到基础，墙体只起围护作用而不承重，而承重的梁和柱采用具有很高强度的钢材或钢筋混凝土。这种结构形式和材料的开发成功，使得高度更高、跨度更大、开口尺寸更大的高层建筑成为可能。这种框架结构系统从开始到发展成熟大约花费了100多年的时间。这期间包括人们对钢材、混凝土等材料的性能、连接或复合使用方法、梁和柱的合理断面形状以及钢筋混凝土中钢筋的配置方法、预应力钢筋混凝土的开发和使用等等。71801年在英国的曼彻斯特，人们第一次用铸铁材料建造了七层框架结构的轧棉工厂建筑物，并且首次采用了I型断面的梁和往，为以后的框架结构建筑物奠定了结构形式的基础。3）构件标准化的设计思想1851年，在英国万国博览会上展出的水晶宫，是最早采用钢材、框架结构、玻璃板，并对构件进行了模数设计的建筑物。该建筑物在结构形式、材料、生产方式和施工方法等方面实现了完美的统一，确立了框架体系和钢材在高层建筑中的基础地位。同时，构件标准化（模数化）的设计思想为后来建筑材料及构件的量化生产奠定了基础。高层建筑不同于以前的平房建筑，材料用量大，将所用材料制成构件，有利于现场操作，能提高施工效率；高层建筑的各层多数采用相同的设计样式，所以也具备使用标准化构件的条件。84）纵向交通手段的建立随着楼层的增高，人们开始研究开发建筑物内部的纵向交通系统。1851年在纽约建造的5号街饭店建筑中，最早出现了电梯。这种垂直方向的交通方式的开发，为人们利用高层建筑提供了方便的手段，否则，即使建造出高层建筑，也难以利用。1866年--1870年期间建造的纽约生命保险公司大楼，也采用了电梯。5）用剪力墙增加横向刚度剪力墙的开发和应用是高层建筑的又一关键技术。随着层数增多，高度增高，在风力、地震等水平荷载的作用下，建筑物的横向变形和位移增大，为了将这种变形控制在所允许的范围之内，以保证安全使用，必须增加建筑物在水平方向的刚度，而剪力墙是在结构上解决这一问题的有效办法。1891年，Burnham和Root两位建筑师在芝加哥建造了20层高度的MasonicTemple，并在此建筑物中第一次设计使用了钢结构的剪力墙，使高层建筑的建造技术又向前迈出了一步。96）混凝土材料在高层建筑中的应用高层建筑的发展同样推动了结构材料的发展。早期的高层建筑几乎都采用铸铁或钢材等作为框架结构材料。从1890年开始，混凝土作为一般的建筑材料开始得到人们的承认。1903年由佩雷设计的巴黎的富兰克林公寓大楼，开始采用了钢筋混凝土材料。几乎在同时，在美国的辛辛那提（Cincinnati）建造了16层的ingallbuilding，是世界上第一个以钢筋混凝土作为框架结构材料的高层建筑。但是，到20世纪中叶为止，混凝土材料在高层建筑中只是零散地被使用，或者使用混凝土也只是模仿钢框架结构，而没有开发出非常完善的以钢筋混凝土材料为结构框架的体系。这种状况直到第二次世界大战结束以后才有改变。10目前，高层建筑所用的结构材料已经是钢材和钢筋混凝土平分秋色，许多著名的高层建筑都采用了钢筋混凝土材料。例如朝鲜平壤市的柳京饭店（地上101层，高度305.4m）、芝加哥的水塔广场大厦（76层，高度262m）、以及最新落成的世界最高的建筑物，吉隆坡的佩重纳斯大厦（高度452m），均采用了钢筋混凝土作为主体结构材料。113．l．2实现高层建筑的社会条件和技术条件1）社会需求高层建筑是人类进入工业化、信息化社会所产生的城市现象，社会需求推动了高层建筑的发展。这种需求主要表现在以下几个方面。l人口密度大，人口向城市高度集中，用于个人居住的住宅和社会公共设施的需求量增大，城区土地不足，土地价格上涨，在有限的土地上不能满足建设量的需求，只好向空中发展。因此，人口的增多和城市化是高层建筑产生的直接原因。l城市功能多样化是促进高层建筑发展的又一个重要原因。现代社会城市已成为地域的政治、经济、文化中心。管理机能集中，行政办公、金融贸易、科教卫生、文化、体育活动、交通枢纽等全部集中在城市的中心，因此，必须建造大容量的高层建筑才能容纳大量的办公人员和利用这些设施的人。122）国家相关法规高层建筑涉及到安全、管理、能源、治安、环境等一系列社会问题，因此各国根据本国的国情、自然条件以及环境政策，要对高层建筑的建设制定一些法规，这些法规将对高层建筑的发展起到制约或鼓励的作用。l英国在20世纪50年代以前，为了保持伦敦古都的风貌，曾经制定法规限制一定范围内建筑物的高度，1956年作为城市再开发的一个积极政策，对首都伦敦撤消了建筑物的高度限制，从此伦敦的高层建筑才得以发展。l日本是一个多地震的国家，1923年9月关东大地震以及由此引发的火灾，造成了十几万人丧生的惨剧。从此以后，日本的建筑法规一直限制建筑物的高度不能超过31m，长达近40年之久。直到1955年，以城市再开发为目的，在日本的建筑学会内部成立了高层化委员会，1962年，在建筑学会的答辩会上，通过了技术论证，解除了原来高度3lm的限制。因此从20世纪60年代开始，日本开始发展高层建筑。133）技术条件高层建筑的建设是建立在一系列综合技术手段的支持之上的，是人类从事建设活动达到最高境界的综合体现。高层建筑结构设计荷载作用方式复杂，要求安全可靠性高；构件数量庞大，材料种类繁多，计算、绘图等工作量相当大；施工过程复杂，设备及材料的管理、工程操作难度大；投资巨大，要求使用寿命长。因此高层建筑的建设需要有设计、计算、管理、施工等综合性的、坚实的理论基础和技术来支持。要求具备以下技术条件。14结构设计的计算手段和绘图手段：高层建筑不同于普通建筑之处就是层数多，构件数量多，受力状态复杂。随着高度增加，水平荷载（风荷载）增加，横向变形量大。所以结构计算复杂。电子计算机和相应的结构计算、计算机辅助设计等软件的开发，解决了高层建筑的繁杂而大量的计算工作。现代施工管理方法的开发：高层建筑的施工建设，从原材料的准备、运输、基础、主体结构的建成，建筑设备的安装、内外装修，直到竣工，是一个极为复杂的组织过程，工序繁多，工作量大。计算机技术为施工管理科学化、现代化创造了条件。15现代化的建筑设备：高层建筑的能源供给、照明采光、通风换气、取暖制冷等空调系统，与普通建筑物相比，构成复杂，要求严格。例如，高度443m的西尔斯大厦，其电器设备系统相当于常住人口为14万7千人的城市电力供给系统。其空调系统具有供给6000户住宅的制冷空调设备。建筑物内有102台电梯，每天有16500人利用这些电梯向建筑物的各层移动，构成了纵向的交通系统。此外，建筑物内还需配套停车设施、排水系统、垃圾处理系统等，这些电器、水、空调、煤气、交通等设备系统非常复杂。现代机械工业的发达、设备水平的提高，计算机自动控制水平的提高等条件，为高层建筑的设备配套提供了有利的条件。16l现代化的施工机械：高层建筑施工中高空作业量大，包括材料、构件的运输和在高空部位进行安装、组合等现场施工，难度大，危险性高，许多操作非机械不能实现。现代化的建筑施工机械，大吨位起重机，可将混凝土直接输送到几百米高度的混凝土泵送设备，适合各个部位作业的各类机械，给高层建筑的施工提供了条件。l材料的工业化生产及新型建筑材料的开发：高层建筑使用的建筑材料数量大，质量要求高，非工业化生产不能满足量和质上的要求。现代建筑材料例如钢材、玻璃、混凝土等都已实现了工业化生产，为高层建筑的建设提供了物质基础。同时，高层建筑要求轻质高强型材料、耐火性材料、不需搭设临时设施即可施工的幕墙构件，组装式墙板、楼板，厕所、浴室等单元构件等，这些基本都已实现了工厂化生产。钢结构的连接技术采用高强螺栓，不需现场焊接等等，这些都是高层建筑不可缺少的物质条件。17l20世纪50年代，第二次世界大战结束，世界各国进入了以经济建设为主的和平时期，建筑业及高层建筑的建设也进入了鼎盛时期。1956年英政府对首都伦敦撤消了对建筑物的高度限制，从此建造高层建筑成为城市开发的一个积极政策。l1962年，日本解除了对建筑物的高度限制，同时伴随着经济的腾飞，日本开始大量建造高层建筑，从60年代开始，在原来一片荒凉的新宿地区建造大批高层建筑，如今这里已经成为东京的副都心。l美国在高层建筑方面一直走在世界的前列。1972年在纽约建成了世界贸易中心，110层，417m，打破了帝国大厦长达40年之久的一统天下，夺得了世界最高建筑的桂冠。但是这项桂冠只保持了一年，即被1974年落成的高度443m的西尔斯大厦摘走。181996年在马来西亚的吉隆坡落成的佩重纳斯大厦又刷新了世界最高建筑的记录，高度达到452m。该大厦不仅在高度上独占鳌头，其主体结构材料采用了钢筋混凝土结构，这一点也是该世界最高建筑物的首例，佩重纳斯大厦用事实证明了钢筋混凝土材料用于高层建筑是完全可能的，不仅材料的性能能够满足要求，其施工技术也已经很完善。最初建造高层建筑的目的是为了解决日益膨胀的人口的工作、居住等实际需求，然而一个多世纪社会不断进步以及建筑技术日趋完善的过程中，世界各国又往往把挑战新的高度作为科技水平和经济实力的象征，因此，在世界范围内曾一度掀起争夺世界第一高度的竞赛。到20世纪末为止，世界上高度位于前十名的高层建筑如表所示。192021我国从20世纪70年代开始进行高层建筑的建设。l1974年在北京建成了北京饭店东楼（19层，高87.15m），建成当时为北京最高的建筑物。l1976年，在广州建成了白云宾馆（33层，高114.05m），之后的9年中白云宾馆一直占据我国最高建筑的宝座。到80年代以后，随着建设业的蓬勃发展，高