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建筑材料与人居环境侯云芬第七章高层建筑与材料建筑物按照层数分为低层、多层、高层以及超高层建筑。1~2层为低层建筑3~6层为多层建筑7~30左右层为高层建筑30层以上或高度超过100m的为超高层建筑高层建筑是人口密度增大、城市功能集中的必然产物，是人类向新的高度挑战、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高密度、大容量居住或工作空间，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。7.1高层建筑的发展和未来最早的高层建筑追溯到罗马时代，2000多年前的古罗马时代，在各城市建造了10层左右的高层建筑物，采用承重墙结构形式。当时材料只有石材和粘土砖等块体材料的限制。随着罗马帝国的衰落，高层建筑也随着消沉了。7.1.1近代高层建筑的兴起1.承重墙结构对高度的限制19世纪，西欧各国以工业革命为契机，出现了机械化大生产，人口向城市集中，出现了解决城市人口集中问题的需求。7.1高层建筑的发展和未来设计水平和材料体系的影响，最初建造的高层建筑的结构形式仍然是砌筑承重墙结构，所以随着建筑物高度增加，承重墙体必须加厚。如1891年在芝加哥建造的一座高16层的Monadnock（莫那顿克）大厦，由于自重大，建筑物下部承重墙的厚度为1.8m。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。7.1高层建筑的发展和未来2.框架结构体系和金属材料的应用水泥、混凝土出现，炼钢技术成熟—物质基础为解决承重墙体过厚的问题，结构工程师开始开发轻型的框架结构系统。即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，承重的梁和柱采用具有很高强度的钢材或钢筋混凝土。框架结构系统从开始到发展成熟大约花费100多年的时间。包括：钢材、混凝土的连接或复合方法，梁和柱的合理断面现状及钢筋配制方法、预应力混凝土的开发和使用等。7.1高层建筑的发展和未来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。构件标准化（模数化）的设计思想为后来建筑材料和构件的量化生产奠定了基础。高层建筑材料用量大，将材料制成构件，有利于现场操作，提高施工效率；高层建筑的各层多数采用相同的设计样式，具备标准化构件的条件。7.1高层建筑的发展和未来4.纵向交通手段的建立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。此后1866~1870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随着层数增加，高度增高，在风力、地震等水平荷载作用下，建筑物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，剪力墙是在结构上解决这一问题的有效办法。7.1高层建筑的发展和未来1891年，Burnham和Root两位建筑师在芝加哥建造了20层高度的MasonicTemple，并在此建筑物上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了一步。6.混凝土材料在高层建筑中的应用早期的高层建筑几乎都采用了铸铁或钢材作为框架结构材料。从1890年开始，混凝土作为建筑材料开始得到人们的承认。1903年由佩雷设计的巴黎富兰克林公寓大楼，开始采用了钢筋混凝土材料。几乎同时，在美国的辛辛那提建造了16层的Ingallbuilding是世界上第一个以钢筋混凝土为框架结构材料的高层建筑。7.1高层建筑的发展和未来但是混凝土在高层建筑中只是零散地被使用，或钢筋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为结构框架的体系，直到二次大战后得以改变。目前高层建筑所用的结构材料是钢材和混凝土平分秋色。许多著名的高层建筑采用了钢筋混凝土，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）、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。7.1高层建筑的发展和未来7.1.2现代高层建筑的发展1.20世纪初，高层建筑首先在美国迅速发展。20-30年代在美国纽约曼哈顿建成的高层建筑群。1905年在纽约建成了50层的都市大厦1931年在纽约建造了102层、高度381m的帝国大厦，享有“世界最高建筑”美誉达40年之久。采用钢框架-剪力墙结构。7.1高层建筑的发展和未来2.二次大战结束后，各国进入以经济建设为主的和平时期，高层建筑进入鼎盛阶段1956年英国政府对伦敦撤销了对建筑物高度的限制。1962年日本解除了对建筑物高度的限制，伴随经济腾飞，日本开始大量建造高层建筑，从60年代起，在原来一片荒凉的新宿地区建造大批高层建筑，成为东京的副都心。7.1高层建筑的发展和未来1972年在纽约建成世界贸易中心，110层，417m，打破了帝国大厦长达40年之久的一统天下，夺得世界建筑的桂冠。被1974年落成的高度443m的西尔斯大厦摘下桂冠。1996年在马来西亚的吉隆坡落成的佩重纳斯大厦刷新世界最高建筑的纪录，高度达452m。7.1高层建筑的发展和未来到20世纪末，世界上高度前十名的高层建筑及各建筑物的轮廓7.1高层建筑的发展和未来3.我国从20世纪70年代进行高层建筑建设1974年，建成北京饭店东楼（19层，高87.15m），成为北京最高的建筑。1976年，广州建成白云宾馆（33层，高114.05m）。之后9年内为我国最高建筑。1985年，深圳建成国际贸易中心大厦（50层，高158.65m）。我国最高。1987年开工，广州建成国际大厦（63层，高200m）；同年北京动工修建京广中心大厦（57层，208m）。90年代，进入新的阶段。如坐落在上海浦东新区的金茂大厦，高度420m，采用高性能混凝土作为结构材料。7.1高层建筑的发展和未来7.1.2未来高层建筑的发展趋势1.大城市中心地带高层建筑增多人口密度增加，城市规模增大，功能集中（行政、金融、商贸），城市中心地带土地紧张。2.城市周边部位的发展建造10~15层的高层住宅对于现代化的巨型城市，提出不搞一点集中，要进行都心分散的观点，即未来大城市将出现若干个中心区域，副都心，在此建立行政机关、金融、商贸等公共设施，达到减轻交通拥挤、缩短通勤距离、保持城市均衡发展的目的。7.1高层建筑的发展和未来3.更加注重与环境的协调和功能的统一20世纪80年代强调个体的自我表现，不断追求更高的高度，刻意追求摩登的几何造型，单纯显示新材料新技术。现象：建筑物的高度与建成的年代成正比。对高层建筑的功能及其对城市环境影响的认识改变，现今注重高层建筑与环境、与城市的协调，注重造型的比例均衡和尺度宜人，注意使用上的开放性和多功能性，注意装饰与细部上的历史文脉继承，注意室内外绿化空间的设计和灯饰照明的配置。7.1高层建筑的发展和未来4.由高技派转向自然化、古朴化高技派的风采：金属、玻璃、高分子塑料等现代化工业生产的材料，体现现代化社会的标志。追求自然与古朴的时尚：造型上趋于古典风格，选用更加接近自然风格的材料。结构材料：钢结构—钢筋混凝土或钢材与钢筋混凝土混合结构装修材料：采用花岗岩、大理石、木材等自然风格的材料。7.1高层建筑的发展和未来5.综合性立体城市的设想在一些经济高度发达、土地资源严重不足的国家，如日本提出建设综合性立体城市的设想。建筑物本身具有生活、工作、商业、教育等综合功能，像一座小型城市。距离实现设想有相当长时间，但反映对地球资源的忧虑。过去一个世纪人口由20亿增加到60亿，本世纪人口仍以这个速度增长，土地资源首先满足农田、森林、草地的需求，建筑物将向空中、海上、地下发展。7.1高层建筑的发展和未来7.1.3实现高层建筑的社会条件和技术条件1.社会需求：主要表现在以下几个方面：人口密度大，人口向城市高度集中（城市化）。城市功能多样化。政治、经济、文化的中心。2.国家相关法规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。英国在20世纪50年代前，为保持伦敦古都风貌，制定法规限制一定范围内建筑物的高度。1956年撤销了高度限制。1923年9月日本关东大地震以及由此引起的火灾，造成十几万人丧生，此后日本的建筑法规一直限制建筑物的高度不能超过31m。1962年解除了高度31m的限制。7.1高层建筑的发展和未来3.技术条件1）结构设计的计算手段和绘图手段层数多，构件数量多，受力状态复杂，如水平荷载（风荷载）增加，横向变形量大，所以构件计算复杂。计算机辅助设计软件2）现代施工管理方法的开发施工建设，从原材料的准备、运输、基础和主体结构的建成、建设设备的安装、内外装修，使一个极为复杂的组织过程，工序繁多、工作量大。7.1高层建筑的发展和未来3）现代化建设设备高层建筑能源供给、照明采光、通风换气、取暖制冷等设备构成复杂、要求严格。如443m的西尔斯大厦电器设备系统相当于常住人口为14万7千人的城市供电系统，具有供给6000户住宅的制冷空调设备，102台电梯，每天有16500人利用向建筑物各层移动。还配有停车设施、排水系统、垃圾处理系统等。现代机械工业的发达，计算机自动控制水平的提高，为高层建筑的设备配套提高有利条件。7.1高层建筑的发展和未来4）现代化的施工机械高空作业量大，难度大，危险性高，许多操作非机械不能完成。现代化的施工机械，如大吨位的起重机、混凝土泵送设备，适合各个部位作业的各类机械。5）材料的工业化生产和新型建筑材料的开发玻璃、钢材、混凝土等实现了工业化生产，为高层建筑的建设提供物质基础。要求：轻质高强、耐火材料，不需搭建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，钢结构连接件采用高强螺栓、不需现场焊接等。7.2高层建筑与城市和环境1.增加城市的现代化色彩，提供效率在相同平面面积上，高层建筑收容的人数、机关数量是普通建筑的几倍甚至几十倍，城市功能集中，管理机构齐全，信息量大、工作效率高。7.2高层建筑与城市和环境2.促进科学技术的发展高层建筑在建设和运营过程中，需要坚实的设计理论、现代化的设备和施工方法、性能卓越的材料、先进的管理系统支持，推动和促进相关领域科技的发展。3.自然采光和换气效果差密集的高层建筑在城市制造出深谷，建筑物自然采光能力降低。为保证安全，窗多采用密闭型，不可能自然换气。高层建筑使城市街区日照面积减少。“东京沙漠”7.2高层建筑与城市和环境4、横向振幅较大，居住性差随着高度增大，风荷载增大，横向振幅增大，居住性变差。如美国100层左右摩天大楼上部的横向振幅达1m左右。5、对周围街区风向、风力的影响建筑物体型高大，风力不能透过建筑物，必须绕过建筑物在它的周围形成较强的气流，使周围道路及低层建筑物所受风荷载加大，形成所谓“高层建筑风”。国外进行模拟自然风力和风向试验，考虑将对周围街区的影响。7.2高层建筑与城市和环境6、城市防灾成为新问题在发生地震、火灾等灾害时，避难和消防难度大，造成大量人员伤亡。例如：解决高层建筑防灾、减灾问题，开发研究抗震结构和防火、耐火材料。7、通讯电波的障碍高层建筑体型大，会造成电波传播的障碍，使得建筑物背后的一定区域范围电波不能到达。日本研究：在混凝土墙体中埋入金属质的电波传播材料，使电波可以通过高楼大厦，消除电波传递死角区域。7.3高层建筑与材料、施工方法7.3.1促进建筑材料的制品化高层建筑与一般建筑最大不同在于高层部分。高层建筑按照建筑面积计算的材料重量大约为1200~1300kg/m3。问题一：将大量的材料、施工器具以及人员运送到高层部分，需要花费很长的时间和运力。问题二：运送原材料到高空中作业，如搅拌混凝土、焊接钢材、砌筑块体等