1、 案例分析西尔斯大厦 建筑设计和结构创新的突破1项目概况建筑设计：SOM当前名称：韦莱大厦（Willis Tower ）（2009年后）原名称：西尔斯大厦（Sears Tower）（1973-2009）地点：美国，芝加哥（233 S. Wacker Drive Chicago, Illinois United States）竣工时间：1973年建筑面积：418,064 m2（4,455,844 ft2）层数：110层（按标准计为108层）（地下三层）结构：束筒结构（用钢量 161 Kg/m2）高度：1,450英尺（442.1米）高度（含天线）：1,730英尺（520米）世界最高纪录保持时间：1
2、973 - 1998结构工程师：Fazlur Rahman Khan个人笔记： 西尔斯造型运用高层建筑退台的设计手法，不仅解决了抗风压的难题，还塑造了几何雕塑感的建筑形象。 束筒结构的使用，让它在同时代的高层建筑中脱颖而出，还让建筑获得了无柱大空间的使用。2形体生成和结构设计背景：钢铁和电梯技术推动着美国高层建筑的热潮 这批建筑普遍使用钢材，结构体系未能突破框架结构和框架支撑结构两种形式。同期代表建筑特点：（总结采用的结构体系在建筑高度无法突破，平面难有无柱式大空间）帝国大厦1框架及框架支撑结构体系的极限高度。2底面积130米*60米，采用5.4*7米的等间柱网。3建筑102层汉考克中心1外框
3、柱，斜撑，横梁构成巨大的桁架筒体结构3建筑100层3形体生成和结构设计出发点：探求可以让建筑建得更高的结构体系，让西尔斯大厦成为城市的地标性建筑。探求建筑平面不断变小得设计方案，一半租赁，一半自用。设计难题：1 如何建得更高？ 2 如何建得高，而且凤吹不倒？ 3 平面如何不断变小？设计灵感：横截面小的比横截面大的易折断单根筷子，横截面小，抗弯截面系数小，破坏强度小，临界载荷也小。易折断。一捆筷子，横截面大，抗弯截面系数变大，破坏强度变大，临界载荷也变大。难折断。思考类推：单根筷子比一捆筷子更容易立起来，抵抗侧向力的能力强，不容易倒4形体生成和结构设计灵感：降低风压并且达到让平面逐渐变小的设计意
4、图形体上采用束筒结构，将九个截面相同的方形框筒集束而成，平面随层数增加而分段收缩。在51层以上切去两个对角正方形，67层以上切去另外两个对角正方形，91层以上又切去三个正方形，只剩下两个正方形到顶，形成了各层不同形式的平面5形体生成和结构结构原理分析（如何做到的呢？）西尔斯大厦设计的两大突破：n大厦用钢材76000吨，即1.62公斤/平方米。每平方米用钢量比采用框架剪力墙结构体系的帝国大厦降低20%，仅相当于采用5跨框架结构的50%。n大厦顶部设计风压为305千克力/m2，设计允许位移（振动时允许产生的振幅）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。解决像西
5、尔斯大厦这样的高层建筑的关键性抗风结构问题西尔斯大厦的平面较大，设计为减小外部墙体对外力的变形，平面按模数网格布置，使多个框架筒体和内部横纵剪力墙形成筒体组合群。大大增加了建筑的刚度和抵抗侧向力的能力。整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻。6形体生成和结构大厦的九个束筒的八榀框架结构模型可以等效为八片均质的正交板，束筒结构结构就变成了八块各向的异行板和角柱组成的实腹薄壁筒束筒结构工作原理：结构受到水平力弯曲时，平面内刚度大的楼盖将约束内服腹板框架和外侧的一起弯曲，极大的减轻各框筒柱轴力受剪力滞后而出现的受力不均。结构性能增强。侧向风力下，
6、轴网柱如图所示。7形体生成和结构形体生成和结构分析：建筑的收筒意味着刚度的突变，为抵抗风荷载和地震作用，用加强结构腰桁架进行刚度补强，以减小水平的侧移。除此外观上能起到简单装饰的作用。转换层腰桁架腰桁架结构细部8形体生成和结构外形设计上采用逐渐收的，即150层为9个宽度为22.9米的方形筒体组成的正方形平面；5166层截去一对对角方筒单元；6790层再截去另一对对角方筒单元，形成十字形；91110层由两个方筒单元直升到顶。这样做有三点好处：n上部结构的某些单筒适当减少，可减小高层建筑上部的受风面积，并且扰乱大气气流，使产生的涡流对高层建筑的摇摆振动减小，从而有效地减小风力产生的侧向移动n可以使
7、建筑获得不同高度，获得不同形式的无柱大空间，适应不同公司，不同形式的活动。n大厦的造型有如9个高低不一的方形筒体集束在一起，挺拔利索，简洁稳定，营造了不同层级的外形，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。如图所示从城市不同角度下的建筑形象。不同形式的空间不同角度的形态9形体生成和结构关于束筒结构的优点总结：n侧向刚度大，允许建筑达到很高的高度n结构体系的模块可以在任意高度予以削弱，在减小横截面积的同时结构的整体性可以继续保持，因此建筑立面布置相对灵活。n若干个筒体的并联，共同承担水平荷载，可以看成若干个框筒之间夹了些框架隔板，由于这种双向隔墙的加强作用，束筒结构的剪
8、力滞后现象明显较框筒结构有改善。越秀财富中心哈利法塔10建筑表皮材料和立面形式n轻质的建筑表皮由黑色铝材和青铜色防眩光玻璃构成起到内外部结构间的隔热作用，旨在维持相对恒定的温度，从而尽可能减少框架热胀冷缩的情况。n表皮沿用“芝加哥”学派的立面做法，横向长窗，加强腰桁架，和竖向的钢柱，表现了建筑挺拔向上的姿态。11趣味观景台这个观景台设计的初始是没有的，业主在观景楼层进行改造，设计了可以伸缩的微型观景窗口，在这里游客可以感受在大风天的摇摆。在晴朗天，他们可以远远地看到伊利诺伊州的平原，密歇根湖到印第安纳州，密歇根州和威斯康星州的美景。还蛮有意思的。12西尔斯大厦和世贸中心的结构对比分析世贸中心是
9、西尔斯之前的最高建筑，采用的是密柱深梁 的钢框架筒体作为主要抗侧力结构体系。但在9.11事件中，由于结构筒壁在侧向荷载作用下的剪力滞后效应的影响，内筒壁刚度低，楼盖梁无法承受建筑倒塌的荷载等因素，故撞击后发生连续倒塌西尔斯成束筒结构体系和世贸中心的单筒结构体系比较n成束框架筒是一组筒体，由共同的内筒壁相互连接，形成多格筒体，即束筒的“腹板”增强，在侧向荷载的作用下剪力滞后效应减少，各立柱的不均匀力也减少，相比单个框架筒更接近于实壁筒体n由于成束框架筒的立柱受力性能好，所以允许的筒壁有较大的柱间距，可以增加开窗的面积，内部空间设计更灵活n抗侧力刚度大于单框架筒，它的抗剪切和抗扭转的能力增强，可以建得更高n可以在不同高度截断而不削弱结构的整体性，还可以减少顶部的风荷载n缺点是由于共用筒壁的立柱分隔，不利于设计进深大的宽敞空间1314
