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1、高层办公建筑艺术思考这个时代该领域的建筑师开始正视一些新的由于社会条件变革和整合以及它们特殊组合导致的对高层办公建筑的立面要求。讨论社会现状并不是我的目的。我接受社会现实，并且立刻断定高层办公建筑肯定会被认可且开始作为一个迫切需要真正的去解决的关键性问题来面对。我们以最简单的方式来说明情况。简而言之，情况如下：办公室是商业交易的必须场所；高速电梯的发明和完美创造使曾经沉闷令人头疼的垂直交通变得容易和舒适；钢产品的发展把安全、坚实、经济的建筑物引向了一个更高的高度。大城市人口的可持续增长，随之而来的中心区拥挤和地价的上涨刺激了建筑数目的增长；他们成功的聚集为建筑群通过作用、反作用、相互作用及内部
2、作用反映了地价等。因而产生了这种被称为“现代办公大楼”的高耸建筑形式。这种建筑形式已经自然而然的形成，因为在它内部社会条件新的组合已经形成一个聚居地和名字。取决于这点，所有显而易见的都是唯物论的，是力量、决心和敏锐语言表现智力的展示。它是投机商，工程师，建造者的结合的产物。问题：我们该如何将这些建立在较低级和不灭的激情之上的较高形式的感性和文明所拥有的永恒竞争力和亲和感赋予这些缺乏创造性的拙劣、粗糙，呆板的建筑群。我们该如何从这个奇怪的，怪异的，有着令人眩晕的高度的现代屋顶上公开赞扬这种安宁的情趣，美感，以及较高的生活时尚。这是个问题，我们必须在和它的进化确实相似的过程中去寻找它的解决，那就是
3、他的延续，通过一步一步的从一般到特殊的方面着手进行，从比较粗糙到细致的考虑。我相信每个问题最本质的是问题本身包含了其解决途径。我相信这是自然法则。我们仔细的检查这些组成部分，然后找出它所包含的意思，即这个问题的本质。广泛的说，实际情况是：首先需要的是，一个包含锅炉、不同种类机房的地下层。简而言之，需求能量，暖气，照明的房屋设施。第二，所谓的一楼，用于商店，银行或其他需要大区域，充足间距，充足光照以及进入十分自由的机构。第三，二层很容易由楼梯进入，它的空间由巨6大的部分构成，拥有相当宽阔的结构间隙，玻璃的扩展区域以及外部通道。第四，第二层之上是不确定数目的办公室，层层堆积，层层相似，间间相似。一
4、间办公室与蜂巢里的蜂房巢室非常相似，只是作为一个分隔间，别无其他。第五，在建筑物的顶层设置了如涉及生活和结构的有效空间或建筑层，那就是纯粹的结构需要顶楼。这个循环系统完美了自身，无论是上升的还是下降的都使其具有优美的形式。空间中充满了容器，管道，阀门，还有为隐藏在地下室里的设施的启动供给和补充动力的机械附属设备。最后，或者倒不如说是开始，在一楼一定有一个主要的孔或入口通常对所有的占有者或顾客开放。至于对光井的必要安排，是这个国家每个高层办公楼的特点。比如对电灯的必要的安排，这些对问题是不恰当的，而且也会很快变得清楚。我相信例如安装电梯等问题在这不必考虑。举例来说，这些事物和其他诸如电梯的安装必
5、须和建筑物的经济意义严格相符，并且我认为这些已经被充分的考虑和处理，达到了对纯粹功利和金钱要求的满意程度。只有在杰出的力作中，高层办公大楼的规划和楼层安排才能呈现出美学价值，例如通常何时将光井设为外部或形成一个内在特征就显得很重要了。我寻求的不是一个个别的或者特别的方案，而是一个真正的普遍类型。因而注意力应当集中在那些高层办公建筑始终要面对的主要情况上，排除对那些纯粹偶然或巧合的变化情况的考虑，从而不致对主要研究问题的清晰度有不利影响。实际的水平和垂直的区域划分或办公单元自然的以有舒适感的区域和高度的房间为基础。这种标准办公室的大小自然预先确定了对应标准的结构单元，也大致确定了窗户开口的大小。
6、反过来，这些纯随意性的结构单元以同样自然的方式形成了外形艺术发展的真正基础。当然，第一层和商业层对结构间距和开口的需求是最大的；而第二层和部分商业层的结构间距和开口多少有些相似的形式。无论什么，顶楼的间距和开口并不重要，窗户没有实际价值，因为可以从顶端采光，而且“结构空间的分隔式划分是必须的”的说法并没有得到公认。由此就会不可避免以可能的简单的方式出现一种情况，那就是如果我们不考虑法规、规范、先例或教育对本能和感觉得到的结果的阻碍，而是凭借我们的本能，我们将竭尽聪明才智用下面的方式去设计我们的高层办公大楼的外形。首先在第一层，我们设置一个能吸引人眼球的最小入口，让人们注意它的位置。剩余的其他楼
7、层，我们应差不多一样自由、开阔和豪华的方式来处理，这种方式正是基于实际需要，但又表达了一种开阔的自由。第二层，我们用相似的方式处理，但通常做一些轻微的修饰。以上的楼层，始终都是数目不定的典型办公层。从单独的楼层出发，他都需要拥有单独的窗间墙、过梁的窗户。我们无需做得更多，只需使其看上去全部相似，因为它们本身都是相似的。然后我们开始设计顶楼，它与办公室没有费界限，对照命也没有特殊的要求，通过它的宽广的墙壁，绝对的重量和想象，向我们展示了一个事实，7那就是一层层的办公层彻底地到达了尽头。这可能像一个不加修饰的结果，一种冷酷的、消极的说法，但即使这样，我们无疑推进到了一个非常典型的阶段，这一阶段超出
8、了投机商、工程师和建筑者的组合的想象，被认为很不吉利的建筑。现在，有建筑才能的人已经被认为具有决定性的地位，因为他们很快被接受，所以一种对情况全面可靠、合乎逻辑的建议变得明晰起来。当提到有建筑才能的人时，我指的不一定是有造诣的、接受过专门训练的建筑师。我指的是一个对建筑有着强烈和天生爱好的人，一个用纯然天性中就有的直接、简单的方式来塑造建筑的人。从发现问题到解决问题，他可能会走一条很幼稚的路，并在其中表现出一种令人羡慕的擅于逻辑思维的天赋。如果我们对具体的形式有某种天赋，对只不过纯粹是为了作为形式的形式有某种感觉，对形式有一种热爱，另外在总体表现上的毫无修饰的自然和完整，他的成果将有一些情趣魅
9、力。但是迄今为止，他的成果也只是相对真实的部分的，它们还是很肤浅。无疑，我们的直觉是正确的，但我们一定要为它寻求一个更全面的证明，更好的依据。我认为在研究我们的问题过程中，我们经过了如下一系列的探索阶段：第一，对于高层建筑需求的社会依据；第二，它的实实在在物质性的满足；第三，从缺乏形象力的计划、建设、配备到作为一个坚固的实体建筑的直接产物简单建筑的难度。第四，通过融入一定质和量的情感，从简单建筑艺术到真正建筑艺术表达的开端这个难题被提出来。虽然我们的建筑物在一定程度上拥有了这些，可离我正在尝试定义的问题的充分解决还很远。现在我们必须注意融入建筑中情感的质与量。它要求我们回答的是高层办公大楼的主
10、要特点是什么？我们立刻做出回答：它很高。这种高自然是令艺术家恐惧的方面，也恰恰是与它室外感染力相配的外在特征。它也一定是建筑表达的重要优势，想象力的真正来源。它必须得高，高度的每一寸必须充满力量、动力和令人兴奋的骄傲和光荣。它从底部到顶部的每一寸都有引以为荣和升华的东西。没有任何异议，它是作为一个单元，并且是不加修饰的、光秃的、令人生畏的情况和新的、不可预料的结果。用精神设计，对自己生活的时代有责任感的人一定不是懦弱者、受排斥着、书呆子和门外汉。他用自己的方式去生活，为了自己充实而有成就感的人生而生活。他一定抓住了灵感并且意识到上帝已经慷慨地给予了自尊的人们解决高层办公大楼的最了不起、最好的机
11、会之一。实际上这甚至没有被认可就已经被完全否认，这一现实是我们必然停滞的人类反常的一个表现。建筑及高层建筑的组成1 摘要材料和结构类型是构成建筑物各方面的组成部分，这些部分包括承重结构、围护结构、楼地面和隔墙。建筑物内部还有机械和电气系统，例如电梯、供暖和制冷系统、照明系统等。建筑中高于地面的部分称为上部结构，而地面以下的部分称为地下结构和基础。摩天大楼的出现应归功于19世纪的两个新发明：钢结构建筑和载人电梯。钢材作为结构材料的应用起源于1855年贝色麦炼钢法。古斯塔艾菲尔（18321923）在首次介绍钢结构建筑是在法国。他在1889年的巴黎国际博览会所设计的艾菲尔铁塔，完美的展现了钢结构的轻
12、巧。艾菲尔铁塔高300米，是当时人类建造的最高建筑物，而且直到40年后才被美国的摩天大楼超越。第一部电梯是1857年Elisha Otis给纽约的一家百货公司所安装的。1889年，艾菲尔在艾菲尔铁塔上安装了第一部大型液压电梯，它每小时可以运送2350位乘客到达塔顶。2 承重框架直到19世纪后期，建筑物的外墙还仍被用做承重墙来支撑楼层，这种结构是基本的一种过梁类型，而且它也被用在框架结构房屋中。因为所需墙体的厚度很大，承重墙结构限制了建筑物的高度；例如，1880年建于芝加哥的16层高的Monadnock Building，在较低的楼层墙体厚度已达到1.5米。1883年，Willian Le Ba
13、ron Jenney（18321907）用类似鸟笼形状的铁柱来支撑楼层。1889年，框架结构首次由钢梁和钢柱构成。外墙成为了而不只是被用做支撑结构是框架结构的一个成果。自从钢骨架首次推出，建筑物的高度也一直在迅速增加。第二次世界大战前，所有的高层建筑都是由钢骨架建造的。战争结束后，钢材的缺乏和混凝土质量的改进，促进了钢筋混凝土高层建筑的发展。芝加哥的Marina Towers（1962）是当时美国最高的混凝土建筑；它的高度是588英尺即179米，但是很快它就被高650英尺即195米的伦敦邮政塔和其它一些塔所超过。人们关于摩天大楼态度的转变使承重墙重新得到了应用。在纽约，由Eero Saarin
14、en于1962年设计的哥伦比亚广播公司大楼，四周的墙由1.5米宽的混凝土柱构成，柱与柱的中心间距为3米。这种围护墙有效地构成了建筑物的承重墙。这种趋势发展的原因之一是建筑物的墙像一个管道一样可以有利地抵抗风的强烈作用；6世贸大楼就是另一个应用管道法的例子。相比之下，坚固的框架或垂直支撑则通常会使建筑的横向更稳定。3 围护结构一个建筑的围护结构由透明的窗户和不透明的墙组成。窗户通常采用传统上的玻璃作为材料，然而塑料也被使用，特别在破损严重和难以保持的学校里。墙被用来覆盖结构和起支撑作用，它是由多样化的建筑材料组成：砖、现浇混凝土、石头、不透明玻璃、塑料、钢材和铝材。木头是过去建造房屋的主要材料；
15、但因为易燃，一般不常用于用于商业、工业和公共建筑。4 楼地面一幢建筑的楼地面结构取决于它所使用的基本结构框架。在钢框架建筑中，楼地面或者是钢梁上的混凝土楼板，或者是由波纹钢配有混凝土骨料组成的地板。在混凝土结构中，楼地面或者是混凝土梁上的混凝土楼板或者是一系列紧密分布于混凝土梁在方向上端的薄混凝土楼板，在它的下面抹一层抹面。这种楼地面的应用取决于支撑柱之间的距离或者墙和空间的功能性。在一栋公寓大楼中，例如，当墙和柱隔开3.7米到5.5米时，最常见的结构是无梁实心混凝土楼盖。楼盖的下表面是楼盖以下空间的最高限度。而波纹钢地板则常用于办公大楼中，这是因为当波纹钢地板的波纹被另一块金属板盖上时，可以
16、形成电话线和电线管道。5 机械与电力系统一个现代建筑不仅要有必要使用空间而且也要包括机械、电力系统等辅助空间，以便提供一个舒适的生活环境。这些辅助空间可能占摩天大楼总建筑面积的25%。在一个办公大楼中，供暖、通风、电力和卫生设备系统的预算额占实际建筑总预算额的40%，这足以显示它们在建筑中的重要性。因为现在许多建筑被建造成密封的，窗户不能被打开，因此便要由机械系统提供通风设备和空气调节设备。管道将新鲜空气从通过中央换气室和空气调节器源源不断的输入建筑物内。悬挂在上面楼层结构下面的天花板可以把通风管和控制器的设备遮挡住以保持美观。提供动力的电力线路和电话通讯线路也可能被安置在天花板或者楼地面结构
17、层中的管道或导线管里。我们曾试着把机械建造、电力系统加入建筑物的建筑风格中去，让他们裸露在结构的外部；例如建造与1956年位于Des Morines的美国保险公司大楼，管道和楼地面的结构就被有序、优美的悬挂在天花板上。这种建造方法极大降低了建造成本，同时带来了新的结构形式。例如在结构间距方面的革新。6 土和地基7所有的建筑物都是靠土层支撑在地面上的，因而土的特性成为建筑设计时极其重要的考虑因素。基础的设计很大程度上仍要考虑土的许多因素，例如土的类型，土分层的情况，土层的厚度和它的密实度，以及地下水的情况等。土层很少只含有单一的物质；他们通常是厚度不同的混合状态土层。据评定，土层的等级是根据土分
18、子的大小来划分，从小到大依次是淤泥、粘土、沙、石子、岩石。通常，较大分子的土支撑的荷载要大于那些小分子的荷载力。最坚硬的岩石能够支撑的荷载大约是每平方米100吨，而最软的淤泥仅能够支撑的荷载大约是每平方米0.25吨。所有地表以下的土都处于受压状态，说得更精确些，这些土承受与作用在其上的土柱重量相等的压力。许多土显示出弹性的性质他们或被重载压坏或卸载后又恢复。土的弹性常随时间而改变，也就是说，土层的变形在恒载作用下随着时间的增长而不断地改变。过一段时间后，如果加于土层上的荷载大于土自然压紧状态下的重量，则建筑物不会产生沉降，反之则会沉降。建筑物的重量可能会使土产生流动；也就是说，经常会发生土被挤
19、出的现象。土受压和流动的双重影响，使建筑物发生沉降。不均匀沉降例如比萨斜塔，损坏的结果是建筑物发生倾斜，墙和隔墙可能出现裂缝，窗户和门可能产生变形，或者甚至建筑可能倒塌。均匀沉降不会如此严重，尽管可能出现危险状况，例如墨西哥城的一些建筑，出现各种各样的后果，在过去的一百年里，由于地下水位发生了改变，导致一些建筑下沉了3米多。因为类似的状况可能发生在建造时也可能是建造后，因此小心处理建筑物下的土层是极其重要的。土层巨大的变化使得解决地基问题的办法也变得多样化。如果表面土层下的土为坚硬土层，最简单的办法是采用混凝土基础。若是软弱土层，则加大柱的面积；这种情况下，整个建筑就可采用筏板基础。假设表面土
20、层不能够支撑建筑物的重量，木结构建筑、钢结构建筑、或者混凝土建筑应建造在坚硬土层上。建造一幢建筑物一般是从基础开始到上部结构。然而设计的过程是从屋顶开始到基础。在过去，地基处理不是一个系统的研究项目。在20世纪，一种科学的地基设计方法已经发展起来了。美国的Karl Teraghi不断创造研究，使土力学和土地勘测联合起来，让它尽可能准确地预测地基的活动状态。过去典型的地基破坏的例子比萨斜塔现在变得几乎不存在了。而地基仍然是建筑物中不可见部分费用最大的一部分。早期的高层建筑的发展是以型钢结构开始的。钢筋混凝土和薄壳筒体体系已经以节俭和竟争为目的被应用于住宅和商业建筑中。作为新结构体系的创新和发展的
21、结果，美国到处都是50到110层的高层建筑。巨大的高度需要增加柱和梁的尺寸来使建筑物更加坚固，为的是在风荷载作用下不致于使其倾斜度超过限值。反复地侧向摆动可能引起隔墙天花板和其它建筑部的损坏。8高层建筑发展的早期开始与钢结构框架。钢筋混凝土并强调，皮管系统以来一直在经济上和竞争力的一些结构用于住宅和商业用途。在高层建筑，从50到正在兴建遍布美国的110故事是创新和新的结构系统发展的结果。更大的高度带来了更多的柱和梁的尺寸，以使建筑物的刚度，使其风荷载作用下，他们不会左右晃动保持在可接受的限度内。过多的横向晃动可能会导致经常性的严重破坏隔墙，天花板，和其他的建筑细节。此外，过度的摇晃可能导致因为
22、这样他们的运动感知的不适建筑的居住者。钢筋混凝土结构体系，以及钢铁，充分利用总建筑的内在潜力刚度，因此不需要额外的加强，以限制挥洒。To study the application of continuum structural topology optimization methods to real engineering structures,an optimization method for an optimal topology design of multistory steel frame bracing systems is presented.On a sensitivit
23、y analysis,an element removal criterion for continuum structures with stress and multi-displacement constraints under multiple lateral loading conditions is proposed.A concept of mean thickness of a design domain is provided to ensure the reasonableness of optimal results.In the proposed optimizatio
24、n method,the optimal design of an unbraced steel frame without displacement constraints is performed firstly,and then the optimal topology of a bracing system for the multistory steel frame considering displacement constraints is obtained by using evolutionary structural optimization and the given r
25、emoval criterion,and finally the optima layout of the bracing system is interpreted as bracing members.An example of 3-bay 12-story plane steel frame shows that it is effective for the given optimization method in the optimal design of bracing systems for multistory steel frames.Key words:steel fram
26、e;bracing system;continuum;topology optimization;evolutionary structural optimization1 Reinforced ConcretePlain concrete is formed from a hardened mixture of cement ,water ,fine aggregate, coarse aggregate (crushed stone or gravel),air, and often other admixtures. The plastic mix is placed and conso
27、lidated in the formwork, then cured to facilitate the acceleration of the chemical hydration reaction lf the cement/water mix, resulting in hardened concrete. The finished product has high compressive strength, and low resistance to tension, such that its tensile strength is approximately one tenth
28、lf its compressive strength. Consequently, tensile and shear reinforcement in the tensile regions of sections has to be provided to compensate for the weak tension regions in the reinforced concrete element.It is this deviation in the composition of a reinforces concrete section from the homogeneity
29、 of standard wood or steel sections that requires a modified approach to the basic principles of structural design. The two components of the heterogeneous reinforced concrete section are to be so arranged and proportioned that optimal use is made of thematerials involved. This is possible because c
30、oncrete can easily be given any desired shape by placing and compacting the wet mixture of the constituent ingredients are properly proportioned, the finished product becomes strong, durable, and, in combination with the reinforcing bars, adaptable for use as main members of any structural system.Th
31、e techniques necessary for placing concrete depend on the type of member to be cast: that is, whether it is a column, a bean, a wall, a slab, a foundation. a mass columns, or an extension of previously placed and hardened concrete. For beams, columns, and walls, the forms should be well oiled after
32、cleaning them, and the reinforcement should be cleared of rust and other harmful materials. In foundations, the earth should be compacted and thoroughly moistened to about 6 in. in depth to avoid absorption of the moisture present in the wet concrete. Concrete should always be placed in horizontal l
33、ayers which are compacted by means of high frequency power-driven vibrators of either the immersion or external type, as the case requires, unless it is placed by pumping. It must be kept in mind, however, that over vibration can be harmful since it could cause segregation of the aggregate and bleed
34、ing of the concrete.Hydration of the cement takes place in the presence of moisture at temperatures above 50F. It is necessary to maintain such a condition in order that the chemical hydration reaction can take place. If drying is too rapid, surface cracking takes place. This would result in reducti
35、on of concrete strength due to cracking as well as the failure to attain full chemical hydration.It is clear that a large number of parameters have to be dealt with in proportioning a reinforced concrete element, such as geometrical width, depth, area of reinforcement, steel strain, concrete strain,
36、 steel stress, and so on. Consequently, trial and adjustment is necessary in the choice of concrete sections, with assumptions based on conditions at site, availability of the constituent materials, particular demands of the owners, architectural and headroom requirements, the applicable codes, and
37、environmental reinforced concrete is often a site-constructed composite, in contrast to the standard mill-fabricated beam and column sections in steel structures.A trial section has to be chosen for each critical location in a structural system. The trial section has to be analyzed to determine if i
38、ts nominal resisting strength is adequate to carry the applied factored load. Since more than one trial is often necessary to arrive at the required section, the first design input step generates into a series of trial-and-adjustment analyses.The trial-and adjustment procedures for the choice of a c
39、oncrete section lead to theconvergence of analysis and design. Hence every design is an analysis once a trial section is chosen. The availability of handbooks, charts, and personal computers and programs supports this approach as a more efficient, compact, and speedy instructional method compared wi
40、th the traditional approach of treating the analysis of reinforced concrete separately from pure design.2. EarthworkBecause earthmoving methods and costs change more quickly than those in any other branch of civil engineering, this is a field where there are real opportunities for the enthusiast. In
41、 1935 most of the methods now in use for carrying and excavating earth with rubber-tyred equipment did not exist. Most earth was moved by narrow rail track, now relatively rare, and the main methods of excavation, with face shovel, backacter, or dragline or grab, though they are still widely used ar
42、e only a few of the many current methods. To keep his knowledge of earthmoving equipment up to date an engineer must therefore spend tine studying modern machines. Generally the only reliable up-to-date information on excavators, loaders and transport is obtainable from the makers.Earthworks or eart
43、hmoving means cutting into ground where its surface is too high ( cuts ), and dumping the earth in other places where the surface is too low ( fills). Toreduce earthwork costs, the volume of the fills should be equal to the volume of the cuts and wherever possible the cuts should be placednear to fi
44、lls of equal volume so as to reduce transport and double handlingof the fill. This work of earthwork design falls on the engineer who lays out the road since it is the layout of the earthwork more than anything else which decides its cheapness. From the available maps ahd levels, the engineering mus
45、t try to reach as many decisions as possible in the drawing office by drawing cross sections of the earthwork. On the site when further information becomes available he can make changes in jis sections and layout,but the drawing lffice work will not have been lost. It will have helped him to reach t
46、he best solution in the shortest time.The cheapest way of moving earth is to take it directly out of the cut and drop it as fill with the same machine. This is not always possible, but when it canbe done it is ideal, being both quick and cheap. Draglines, bulldozers and face shovels an do this. The
47、largest radius is obtained with the dragline,and the largest tonnage of earth is moved by the bulldozer, though only over short distances.The disadvantages of the dragline are that it must dig below itself, it cannot dig with force into compacted material, it cannot dig on steep slopws, and its dump
48、ing and digging are not accurate.Face shovels are between bulldozers and draglines, having a larger radius of action than bulldozers but less than draglines. They are anle to dig into a vertical cliff face in a way which would be dangerous tor a bulldozer operator and impossible for a dragline. Each
49、 piece of equipment should be level of their tracks and for deep digs in compact material a backacter is most useful, but its dumping radius is considerably less than that of the same escavator fitted with a face shovel.Rubber-tyred bowl scrapers are indispensable for fairly level digging where the distance of transport is too much tor a dragline or face shovel. They can dig the material deeply ( but only below themselves )