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第四课 高层建筑
大体上建筑施工工艺学方面已经有许多进步, 在超高层的设计和施工上已经取得了惊人的成就。
高层建筑早期的发展开始于钢结构。钢筋混凝土和薄壳筒系统已经经济而竞争性地被用于大量的住宅和商业目的的结构。由于新型结构系统的创新和发展,现在从50到100层的高层建筑遍布全美国。
更大高度的要求增加了梁柱的尺寸以使建筑物刚性更强,以便在风荷载作用下建筑物将不会产生超过一个可接受限度的摆动。过度的侧移可能导致隔墙,天花板和其他建筑细部的重复性损害。此外,过度侧倾可能使建筑物的居住者因为对摆动的知觉而导致不便。钢筋混凝土和钢结构系统,能充分利用整个建筑物固有潜在的劲性,因而不需要额外加劲以限制侧倾。
例如,在一个钢结构中,经济性由建筑物房屋面积每平方英尺钢的全部平均数量来定义。图一中的曲线A采用层逐渐增加的数量表现传统框架的平均单位重。曲线B则表现框架受到所有横向荷载保护下的平均钢重量。上下边界之间的间隙则表现传统梁柱框架为高度付出的额外费用。结构工程师已经发展了可消除这一额外费用的结构系统。
钢结构体系。因为一些类型的结构改革,钢高层建筑物得到了发展。此改革被用于办公大楼和公寓的建造。
带有刚性带式桁架的框架。为了将一个框架结构的外柱约束于内部的垂直梁架,可能在建筑物中部和顶部采用一个刚性带式桁架的系统。这一系统的最好例证是在密尔瓦基的威斯康辛州第一银行建筑物 (1974)。
框架筒体。只有当建筑物突出地面的所有的柱构件能够彼此连接使整个建筑物成为一个空心筒体或一个劲性箱体时,一幢高层建筑的整个结构才能最有效。这种特殊的结构体系第一次大概是用于芝加哥的43层楼高的德威特栗木钢筋混凝土公寓。而这一系统最重要的应用是纽约的110层楼高的世界贸易中心的钢结构双塔。
对角柱桁架支撑筒体。建筑物的外柱可以被适当的分隔却仍能通过在梁柱中线处交叉对角构件连接使之作为一个筒体而共同工作。这种简单而又极其有用的系统最早被用于芝加哥的约翰汉考克中心,其仅仅使用了传统的40层楼高建筑的用钢量
组合筒体(束筒)。由于对更大更高的建筑物的持续需求,框架筒和对角柱桁架支撑筒可能采用组合使用的形式以创造更大的筒,并仍可以保持高功效。芝加哥110层楼高的西尔斯瑞巴克总部有9个筒,由三排建筑物组合而成。一些个别筒体终止在建筑物不同的高度,证明了无限建筑可能性的结构观念。西尔斯塔高1450英尺(442m),是世界上最高的建筑。
薄壳筒体系。筒结构体系的发展提高了高层建筑抵抗侧向力(风和地震作用)和飘移(建筑物的侧向运动)的能力。薄壳筒使筒结构体系有了进一步的发展。薄壳筒的进步是利用(高层)建筑的外表面(墙和板)作为与框筒共同作用的结构构件,为高层建筑抵抗侧向荷载提供了一个有效的途径,而且可获得不设柱子,节省成本,使用面积与建筑面积之比很高的室内空间。
由于薄壳表面的作用,筒体的框架构件数量减少,使得结构更轻,费用更少。所有标准柱和外墙托梁都采用标准型钢,使得组合构件的使用和花费最小化。四周外墙托梁的深度要求也被减少,而且楼板上的顶梁对有用空间的占用会达到最小。这种结构系统已经被使用于 54 层楼高的匹兹堡的梅隆银行中心。
混凝土体系。虽然采用钢结构建造的高层建筑开始很早,但是钢筋混凝土高层建筑的快速发展在办公大楼和公寓方面对钢结构体系产生了很大的挑战。
框架筒体。由上面讨论到的,高层建筑最早的框架筒体概念应用于43层楼高的德威特栗木公寓。在这一建筑物中,外柱以中心距为5.5英尺(168米)的间隔排列,内柱则用于支撑8英寸厚的混凝土平板。
筒中筒。另一个用于办公大楼的钢筋混凝土结构体系是将内部框架筒体与传统的剪力墙工艺相结合。这种体系由间距很小的柱子构成的外框架筒与围绕中心设备区的刚性剪力墙内筒组成。这种被称为筒中筒的体系使设计目前世界上最高(714英尺或218米),总费用只相当于传统35层楼高的剪力墙结构体系的轻型混凝土建筑(52层楼高的休斯顿的壳广场建筑)成为可能。
结合混凝土和钢的体系也得到发展,这方面的一个例子是由Skidmore, Owings 和 Merrill发展的复合体系。它是采用间距很小的混凝土外框架筒包围钢框架内筒组成,因此兼有钢筋混凝土和钢结构体系的优点。在新奥尔良的一个 52 层楼高的壳广场建筑便是以这一体系为基础。
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第一课
土木工程学
土木工程学作为最老的工程技术学科,是指规划,设计,施工及对建筑环境的管理。此处的环境包括建筑符合科学规范的所有结构,从灌溉和排水系统到火箭发射设施。
土木工程师建造道路,桥梁,管道,大坝,海港,发电厂,给排水系统,医院,学校,公共交通和其他现代社会和大量人口集中地区的基础公共设施。他们也建造私有设施,比如飞机场,铁路,管线,摩天大楼,以及其他设计用作工业,商业和住宅途径的大型结构。此外,土木工程师还规划设计及建造完整的城市和乡镇,并且最近一直在规划设计容纳设施齐全的社区的空间平台。
土木一词来源于拉丁文词“公民”。在1782年,英国人John Smeaton为了把他的非军事工程工作区别于当时占优势地位的军事工程师的工作而采用的名词。自从那时起,土木工程学被用于提及从事公共设施建设的工程师,尽管其包含的领域更为广阔。
领域。因为包含范围太广,土木工程学又被细分为大量的技术专业。不同类型的工程需要多种不同土木工程专业技术。一个项目开始的时候,土木工程师要对场地进行测绘,定位有用的布置,如地下水水位,下水道,和电力线。岩土工程专家则进行土力学试验以确定土壤能否承受工程荷载。环境工程专家研究工程对当地的影响,包括对空气和地下水的可能污染,对当地动植物生活的影响,以及如何让工程设计满足政府针对环境保护的需要。交通工程专家确定必需的不同种类设施以减轻由整个工程造成的对当地公路和其他交通网络的负担。同时,结构工程专家利用初步数据对工程作详细规划,设计和说明。从项目开始到结束,对这些土木工程专家的工作进行监督和调配的则是施工管理专家。根据其他专家所提供的信息,施工管理专家计算材料和人工的数量和花费,所有工作的进度表,订购工作所需要的材料和设备,雇佣承包商和分包商,还要做些额外的监督工作以确保工程能按时按质完成。
贯穿任何给定项目,土木工程师都需要大量使用计算机。计算机用于设计工程中使用的多数元件(即计算机辅助设计,或者CAD)并对其进行管理。计算机成为了现代土木工程师的必备品,因为它使得工程师能有效地掌控所需的大量数据从而确定建造一项工程的最佳方法。
结构工程学。在这一专业领域,土木工程师规划设计各种类型的结构,包括桥梁,大坝,发电厂,设备支撑,海面上的特殊结构,美国太空计划,发射塔,庞大的天文和无线电望远镜,以及许多其他种类的项目。结构工程师应用计算机确定一个结构必须承受的力:自重,风荷载和飓风荷载,建筑材料温度变化引起的胀缩,以及地震荷载。他们也需确定不同种材料如钢筋,混凝土,塑料,石头,沥青,砖,铝或其他建筑材料等的复合作用。
水利工程学。土木工程师在这一领域主要处理水的物理控制方面的种种问题。他们的项目用于帮助预防洪水灾害,提供城市用水和灌溉用水,管理控制河流和水流物,维护河滩及其他滨水设施。此外,他们设计和维护海港,运河与水闸,建造大型水利大坝与小型坝,以及各种类型的围堰,帮助设计海上结构并且确定结构的位置对航行影响。
岩土工程学。专业于这个领域的土木工程师对支撑结构并影响结构行为的土壤和岩石的特性进行分析。他们计算建筑和其他结构由于自重压力可能引起的沉降,并采取措施使之减少到最小。他们也需计算并确定如何加强斜坡和填充物的稳定性以及如何保护结构免受地震和地下水的影响。
环境工程学。在这一工程学分支中,土木工程师设计,建造并监视系统以提供安全的饮用水,同时预防和控制地表和地下水资源供给的污染。他们也设计,建造并监视工程以控制甚至消除对土地和空气的污染。他们建造供水和废水处理厂,设计空气净化器和其他设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟生产活动引起的空气污染。他们也采用建造特殊倾倒地点或使用有毒有害物中和剂的措施来控制有毒有害废弃物。此外,工程师还对垃圾掩埋进行设计和管理以预防其对周围环境造成污染。
交通工程学。从事这一专业领域的土木工程师建造可以确保人和货物安全高效运行的设施。他们专门研究各种类型运输设施的设计和维护,如公路和街道,公共交通系统,铁路和飞机场,港口和海港。交通工程师应用技术知识及考虑经济,政治和社会因素来设计每一个项目。他们的工作和城市规划者十分相似,因为交通运输系统的质量直接关系到社区的质量。
渠道工程学。在土木工程学的这一支链中,土木工程师建造渠道和运送从煤泥浆(混合的煤和水)和半流体废污,到水、石油和多种类型的高度可燃和不可燃的气体中分离出来的液体,气体和固体的相关设备。工程师决定渠道的设计,项目所处地区必须考虑到的经济性和环境因素,以及所使用材料的类型——钢、混凝土、塑料、或多种材料的复合——的安装技术,测试渠道强度的方法,和控制所运送流体材料保持适当的压力和流速。当流体中携带危险材料时,安全性因素也需要被考虑。
建筑工程学。土木工程师在这个领域中从开始到结束监督项目的建筑。他们,有时被称为项目工程师,应用技术和管理技能,包括建筑工艺,规划,组织,财务,和操作项目建设的知识。事实上,他们协调工程中每个人的活动:测量员,布置和建造临时道路和斜坡,开挖基础,支模板和浇注混凝土的工人,以及钢筋工人。这些工程师也向结构的业主提供进度计划报告。
社区和城市规划。从事土木工程这一方面的工程师可能规划和发展一个城市中的社区,或整个城市。此规划中所包括的远远不仅仅为工程因素,土地的开发使用和自然资源环境的,社会的和经济的因素也是主要的成分。这些土木工程师对公共建设工程的规划和私人建筑的发展进行协调。他们评估所需的设施,包括街道,公路,公共运输系统,机场,港口,给排水和污水处理系统,公共建筑,公园,和娱乐及其他设施以保证社会,经济和环境地协调发展。
摄影测量,测量学和地图绘制。在这一专业领域的土木工程师精确测量地球表面以获得可靠的信息来定位和设计工程项目。这一 方面包括高工艺学方法,如卫星成相,航拍,和计算机成相。来自人造卫星的无线电信号,通过激光和音波柱扫描被转换为地图,为隧道钻孔,建造高速公路和大坝,绘制洪水控制和灌溉方案,定位可能影响建筑项目的地下岩石构成,以及许多其他建筑用途提供更精准的测量。
其他的专门项目。还有两个并不完全在土木工程范围里面但对训练相当重要的附加的专门项目是工程管理和工程教学。
工程管理。许多土木工程师都选择最终通向管理的职业。其他则能让他们的事业从管理位置开始。土木工程管理者结合技术上的知识和一种组织能力来协调劳动力,材料,机械和钱。这些工程师可能工作在政府——市政、国家、州或联邦;在美国陆军军团作为军队或平民的管理工程师;或在半自治地区,城市主管当局或相似的组织。他们也可能管理规模为从几个到百个雇员的私营工程公司。
工程教学。通常选择教学事业的土木工程师教授研究生和本科生技术上的专门项目。许多从事教学的土木工程师参与会导致建筑材料和施工方法技术革新的基础研究。多数也担任工程项目或技术领域的顾问,和主要项目的代理。
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