[分享]结构大师系列--Fazlur Khan

发表于2017-10-11     1453人浏览     8人跟帖     总热度:194  

结构大师系列--Fazlur Khan_1
 
Fazlur Rahman Khan法兹勒.汗,1929年出生于孟加拉,先后在印度和孟加拉学习土木工程专业。1952年赴美国UIUC求学,在短短3年之内取得了结构工程和工程力学的两个硕士学位,以及结构工程的博士学位。
Khan提出并完善了框架筒体、框架-核心筒、桁架筒体、束筒结构体系,使人类建筑能够以合理的造价突破400米的高度,做出了原创性的杰出贡献,开创了现代高层建筑的新时代。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_2
芝加哥汉考克中心
西尔斯大厦
 1955年,Fazlur Khan加入SOM公司,并于1966年以结构工程师的身份成为公司合伙人。他将筒体结构的概念应用于芝加哥汉考克中心和西尔斯大厦等摩天大楼,为SOM奠定了在超高层领域的地位。
 
  
背景:第一次高层建筑热潮
 
对于高层建筑,风和地震引起的水平荷载是控制结构设计的主要作用,水平位移随着高度而呈非线性增大的趋势。高层结构应具有足够的水平刚度和承载力。否则,过大的变形可能导致结构构件破坏、幕墙破碎、隔墙开裂,影响电梯运行和人的舒适感。
19世纪80年代起,在钢材冶炼和电梯技术的发展推动下,美国掀起了的第一次高层建筑热潮。1883年,第一幢金属框架承重的高层建筑Home Insurance大楼建成。从1929年到1933年美国相继建成了9幢200m以上的高层建筑。这些高层建筑普遍采用钢材建造,结构体系未能突破框架结构、框架支撑结构两种形式。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_3
帝国大厦EmpireState Building,1931年,SOM设计
 
1931年落成的纽约帝国大厦Empire State Building,采用支撑加强的框架结构,共计102层,高度达381m。1951年增加天线后的总高度为443.2米。
 
帝国大厦基本代表了框架和框架支撑结构体系的极限高度,被称为“建筑之王”。在1931~1972年期间,它保持世界最高摩天大楼的纪录,长达41年。直到Khan时代到来。
 
  
框架筒体结构:DeWitt-Chestnut公寓
 
在Khan的时代之前,绝大多数的摩天大楼是由钢铁建造的。Khan率先尝试用钢筋混凝土建造超高层建筑。钢筋混凝土筒体的刚度更大,改善了风荷载作用下的变形,相对于钢材的经济性优势也很明显。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_4
DeWitt-Chestnut公寓
1964年,120m,钢筋混凝土,密柱筒体结构
DeWitt-Chestnut公寓(1964年)是Fazlur Khan的第一个重要作品,也是采用筒体结构体系建造的第一幢超高层。大楼高120m,由钢筋混凝土密柱和深梁构成外围筒体,抵御水平荷载。大厦内部没有芯筒和剪力墙。采用筒体结构的建筑,对内部立柱的需求少,建筑内部空间开阔。 
 
结构大师系列--Fazlur Khan_5
 
 
框架-核心筒结构
芝加哥Brunswick 大厦
 
对于中等高度的高层建筑,Khan发展了框架-剪力墙(核心筒)体系。将建筑中心的楼电梯和服务设施,用钢支撑框架或者钢筋混凝土剪力墙围成核心筒。如果外围结构是普通框架,则称为框架-核心筒结构;如果是密柱深梁构成的框筒,则称为筒中筒结构。外框架与核心筒共同作用,得到更大的水平刚度和承载力。
 
第一个应用该结构体系的是1965年建成的芝加哥Brunswick大厦。大厦共35层,总高度144.5m,是当时最高的钢筋混凝土建筑。如今,应用钢筋混凝土框架-核心筒体系,最高可以建到70层。
结构大师系列--Fazlur Khan_6
芝加哥Brunswick 大厦
1965年,144.5m,钢筋混凝土,框架核心筒结构,芝加哥
密柱、横梁构成的框架外露,作为建筑立面的表达
 
高层建筑的底层,为了布置宽敞的入口、大堂或广场,常常要求较大的柱间距。Brunswick大厦在底层用7.3m高的深梁进行转换,上层柱间距2.85m,下层柱间距17.1m。这是当时最大的钢筋混凝土大梁。为此Khan和其它学者做了试验研究,且考虑了水化热、施工方案等细致问题,以保证结构的安全(试验证实安全系数约为3.0)。
 
Khan在后来设计的Two Shell Plaza和Marine Midland银行大楼中,也采用类似的、更加流畅的转换结构。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_7
Two Shell Plaza
104m,钢筋混凝土,框架核心筒结构,1971年
底层采用了多层加腋梁的转换结构
 1971年,Khan进一步完善了框架-核心筒体系,设计了高度217米的One Shell Plaza大厦。大厦内部核心筒与外框密柱形成筒中筒结构。在大楼的角部楼板采用了双向受力的密肋楼板。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_8
One Shell Plaza的平面图,角部采用密肋楼板
结构大师系列--Fazlur Khan_9
角部密肋楼板的弯矩图和反力
 
 
 桁架筒体:汉考克中心John HancockCenter
 
1969年,由Khan与建筑师Bruce Graham合作设计了芝加哥汉考克中心John Hancock Center,共计100层,总高度343.7m,加天线高度达457.2m。大厦低楼层用作办公、高楼层用作公寓。外露的钢结构包裹黑色铝板,窗户为古铜色防眩光玻璃,基座以凝灰岩大理石饰面,在结构和建筑外形上塑造了坚强稳重的形象。
结构大师系列--Fazlur Khan_10
芝加哥汉考克中心John Hancock Center,1969年
 
汉考克中心的四个立面上,各设置了5个半18层高的X型钢支撑,节点处设置了水平系杆。外框柱、斜撑、横梁构成巨大的桁架型筒体,大大提高了筑的刚度。竖向承重体系和抗侧体系简洁清晰,结构骨架融入建筑表达中。桁架筒体具有高效的抗侧能力,因此拓宽了框架立柱的间距,实现更宽幅的玻璃窗。
 
外框柱向内倾斜,自下向上收进的楔形造型符合功能需求(商店、办公、公寓和电视台的进深需求不同),同时提高了结构的整体稳定性。[小i注:外框的锥形化显著提高超高层建筑的水平刚度,侧移减小10%~30%,提高外框的剪力分担比例]
结构大师系列--Fazlur Khan_11
由巨型的弦杆、斜撑的轴向受力提供刚度的桁架筒体,比框架、框筒结构更高效。汉考克中心用钢量约145 kg/m2,比当时传统的框架体系节约20~50%左右。即使在今天,采用了更高性能的钢材、更先进的设计分析手段,对于350m高度级别的超高层建筑,145 kg/m2用钢量仍然是非常好的经济指标。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_12
安装北立面12层钢支撑的场景
 将钢筋混凝土材料与桁架筒体结构相结合,Khan设计了Onterie Center大厦。它的组成是布置间距约3m的钢筋混凝土立柱,在每个楼层内用钢筋混凝土墙板堵柱一个窗口,在外立面上形成斜向支撑。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_13
Onterie Center
1986年,170m,钢筋混凝土,桁架筒体结构,芝加哥
Khan的遗作,第一次将剪力墙布置在建筑的四角。
 
 
束筒结构:西尔斯大厦
 
1974年,Fazlur Khan与建筑师Bruce Graham再次合作,设计了西尔斯大厦(Sears Tower)。大厦地上110层、地下3层,建筑高度443m、含天线高度527.3m,超过了1973年刚刚建成的纽约世界贸易中心姐妹楼(412m),成为世界最高的摩天大楼。直至1998~1999年,西尔斯大厦的建筑高度纪录才相继被吉隆坡双子塔(452m)和台北101(509m)打破。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_14
结构大师系列--Fazlur Khan_15
 [注:西尔斯大厦Sears Tower于2009年7月更名为Willis Tower]
 
西尔斯大厦采用的是,Fazlur Khan提出的束筒结构概念。大厦底部平面68.7x68.7米,由9个22.9米见方的正方形组成,每个正方形内部不设支柱,楼层的使用空间灵活。束筒结构可以理解为“一根筷子容易被折断,九根筷子牢牢抱成团”。此外,内部柱列起到“腹板”的作用,进一步提高抗剪、抗扭能力和结构整体性。 
结构大师系列--Fazlur Khan_16
西尔斯大厦平面九宫格收进
普通的密柱深梁构成的框架筒体,并非完全意义的“筒”。在水平力作用下,“腹板”和“翼缘”中间区域的轴力减小了,降低了结构的抗侧刚度,即“剪力滞后效应”。在西尔斯大厦的束筒结构中,内部柱列的“腹板”作用使“翼缘”受力均匀,改善了剪力滞效应。
结构大师系列--Fazlur Khan_17
框架筒体的剪力滞后效应
结构大师系列--Fazlur Khan_18
束筒结构:剪力滞后效应得到明显改善
大厦平面的9宫格向上陆续分段收进。为了保证束筒结构的整体性,沿高度设置了3个环带桁架,其间楼层作业机械设备层作用,其中第66层和第90层为平面收进的位置。

大厦越高处风压越大,收进的筒体有利减小迎风面积;越靠近底部水平剪力越大,由越多的束筒共同抵抗。大厦设计的风荷载允许位移(考虑风振)为建筑总高度的1/500,即900毫米,建成后最大风速时实测位移为460毫米。

结构大师系列--Fazlur Khan_19
西尔斯大厦建造过程中
 
大楼在不同方向的立面形态各不相同,突破了一般高层建筑呆板、对称的造型手法,具有标志性的外观吸引了众多公司入驻。

西尔斯大厦中安装了102部电梯,于第33层和第66层设有两个电梯转换厅。这是在设计中首次提出了电梯分区分段运行和转换层的概念,解决了超高层建筑的竖向交通问题。
 
西尔斯大厦每平方米用钢量约165kg/m2,比采用帝国大厦(高度381m)的用钢量少20%左右。Khan在One Magnificent Mile项目(205m,1983年)中也采用束筒结构体系。
Magnificent Mile
1983年,205m,钢筋混凝土,束筒结构,芝加哥
 
 
核心筒-外伸臂桁架结构体系
 
为了追求更加开阔的视野、增大开窗面积,密柱深梁构成的框筒结构渐渐被抛弃。很多建筑师也不喜欢斜撑外露、表达结构的桁架筒体。于是,结构被隐蔽起来,越来越多的超高层采用框架-核心筒结构体系。由于提供主要水平刚度的芯筒在平面中部,效率不高,框架-核心筒的建造高度有限。
1972年,Khan继续完善筒体概念,在框架-核心筒体系上增加了伸臂和环带桁架,用于协调外框与芯筒的变形。这种协调作用相当于在核心筒顶部施加一个力偶(恢复力偶),减小了芯筒的侧移、转动和倾覆力矩,从而实现更高的高度。
结构大师系列--Fazlur Khan_20
核心筒外伸臂桁架结构体系的原理
BHP House是第一个采用伸臂-环带桁架结构的高层建筑,在顶部和中部共设了两道伸臂-环带桁架。在建筑底部设计了巨型桁架,转换一部分框架柱,实现底层较大的柱间距。
结构大师系列--Fazlur Khan_21
BHP House,又名140 William Street
1972年,152m,伸臂-环带桁架筒体结构,墨尔本
结构大师系列--Fazlur Khan_22
结构大师系列--Fazlur Khan_23
环带桁架节点
 1974年,Khan设计的美国银行大厦U.S. Bank Center也采用了伸臂-环带桁架筒体体系,但他这次选择了钢筋混凝土材料。
结构大师系列--Fazlur Khan_24
1974年,183m,伸臂-环带桁架筒体结构,密尔沃基
 
 
空间结构
 
除了超高层建筑以外,Khan还设计了一些空间结构建筑,同样出色。比如麦加的阿卜杜勒国际机场和Hubert H. Humphrey 穹顶。
结构大师系列--Fazlur Khan_25
麦加的阿卜杜勒国际机场
King Abdul-Aziz International Airport(1981年)
阿卜杜勒国际机场帐篷形状的屋顶,采用了当时新型的建筑材料-膜材,覆盖巨大的室内空间,屋面膜结构设计为可收缩伸展。
 
结构大师系列--Fazlur Khan_26
Hubert H. Humphrey 穹顶结构,1982年
Khan与Geiger公司共同设计
 
 
1982年,53岁的Khan英年早逝。美国CTBUH协会(Councilon Tall Buildings and Urban Habitat)以Khan命名的终身成就奖,颁发给为高层建筑结构工程作出杰出贡献的工程师。直至今天,超过40层的高层建筑,绝大多数仍采用Khan提出并完善的筒体结构体系。
 
引用Khan的一段话作为本文的结语: "When thinking design, I put myself in the place of a whole building, feeling every part. In my mind I visualize the stresses and twisting a building undergoes." ……"The technical man must not be lost in his own technology; he must be able to appreciate life, and life is art, drama, music, and most importantly, people."


扫码加入筑龙学社  ·  结构设计微信群 为您优选精品资料,扫码免费领取
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2017-10-11   |  只看该作者      

2

结构设计大师传奇的人生和作品值得我们学习

 发表于2017-10-11   |  只看该作者      

3

超级帅的男人

 发表于2017-10-11   |  只看该作者      

4

感谢分享

 发表于2017-10-11   |  只看该作者      

5

感谢楼主分享~~~

 发表于2017-10-14   |  只看该作者      

6

谢谢分享

 发表于2017-10-14   |  只看该作者       筑龙币+20

7

只有真正搞结构的人才知道,大师是多么的牛逼

 发表于2017-10-19   |  只看该作者      

8

谢谢楼主分享

 发表于2017-10-19   |  只看该作者      

9

谢谢楼主分享

雪碧up

中国  | 结构设计

19 关注

76 粉丝

163 发帖

11 荣誉分

该博主未添加简介

猜你爱看

添加简介及二维码

简介

还可输入70字

二维码(建议尺寸80*80)

发站内信息

还可输入140字
恭喜您已成功认证筑龙E会员 点击“下载附件”即可
分享
入群
扫码入群
马上领取免费资料包
2/20