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1、建筑材料与人居环境第七章 高层建筑与材料n建筑物按照层数分为低层、多层、高层以及超高层建筑。12层为低层建筑36层为多层建筑730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n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、开辟新型建筑体系和材料的表达。n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高层建筑的开展和未来n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
2、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n19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高层建筑的开展和未来n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。n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。n要使建筑物到达更高的高度，必须采用受力更加合理的结构形式，开辟新的结构与材料体系。7.1高层建
3、筑的开展和未来2.框架结构体系和金属材料的应用n水泥、混凝土出现，炼钢技术成熟物质根底n为解决承重墙体过厚的问题，结构工程师开始开辟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根底，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。n框架结构系统从开始到开展成熟大约花费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、预应力混凝土的开辟和使用等。7.1高层建筑的开展和未来 3.构件标准化的设计思想n1851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
4、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根底。n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高层建筑的开展和未来 4.纵向交通手段的建立n1851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辟，为人们利用高层建筑提供了方便的手段。此后18661870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n随着层数增加，高度增高，在风力、地震等
5、水平荷载作用下，建筑物横向变形和位移增大，为了将这种变形操作在所允许的范围之内，以保证平安使用，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方法。7.1高层建筑的开展和未来n1891年，Burnham和Root两位建筑师在芝加哥建造了20层高度的Masonic Temple，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n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成认。n1903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
6、同时，在 的辛辛那提建造了16层的Ingall building 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高层建筑的开展和未来n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，而没有开辟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。n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高层建筑的开展和未来 7.1.2现
7、代高层建筑的开展1.20世纪初，高层建筑首先在 迅速开展。n20-30年代在 纽约曼哈顿建成的高层建筑群。n1905年在纽约建成了50层的都市大厦n1931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高层建筑的开展和未来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n1956年英国政府对伦敦撤销了对建筑物高度的限制。1962年 解除了对建筑物高度的限制，伴随经济腾飞，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高层建筑的开展和未来n197
8、2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。n1996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高层建筑的开展和未来n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高层建筑的开展和未来3.我国从20世纪70年代进行高层建筑建设n1974年，建成北京饭店东楼（19层，高87.15m），成为北京最高的建筑。n1976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。n1985年，深圳建成国际贸易中心大
9、厦（50层，高158.65m）。我国最高。n1987年开工，广州建成国际大厦（63层，高200m）；同年北京开工修建京广中心大厦（57层，208m）。n90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高层建筑的开展和未来7.1.2 未来高层建筑的开展趋势1.大城市中心地带高层建筑增多n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.城市周边部位的开展n建造1015层的高层住宅n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假设干个中心区域，副都心，在此建立行政机关、金
10、融、商贸等公共设施，到达减轻交通拥挤、缩短通勤距离、保持城市均衡开展的目的。7.1高层建筑的开展和未来3.更加注重与环境的协调和功能的统一n20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。n现象：建筑物的高度与建成的年代成正比。n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高层建筑的开展和未来4.由高技派转向自然化、古朴化n高技派的风采：金属、玻璃、高分子塑料等现
11、代化工业生产的材料，表达现代化社会的标志。n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。n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n装修材料：采用花岗岩、大理石、木材等自然风格的材料。7.1高层建筑的开展和未来5.综合性立体城市的设想n在一些经济高度兴旺、土地资源严峻缺乏的国家，如 提出建设综合性立体城市的设想。n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。n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
12、下开展。7.1高层建筑的开展和未来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n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。n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。n1923年9月 关东大地震以及由此引起的火灾，造成十几万人丧生，此后 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高层建筑的开展和未来3.技术条件1）结构设计
13、的计算手段和绘图手段n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辟n施工建设，从原材料的准备、运输、根底和主体结构的建成、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高层建筑的开展和未来3）现代化建设设备n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。n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
14、、垃圾处理系统等。n现代机械工业的兴旺，计算机自动操作水平的提高，为高层建筑的设备配套提高有利条件。7.1高层建筑的开展和未来4）现代化的施工机械n高空作业量大，难度大，危险性高，许多操作非机械不能完成。n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辟n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根底。n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n1.增加城市的现代化色彩，提
15、供效率n在相同平面面积上，高层建筑收容的人数、机关数量是一般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.促进科学技术的开展n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开展。3.自然采光和换气效果差n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。n为保证平安，窗多采用密闭型，不可能自然换气。n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n随着高度增大，风荷载增大，横向振幅增大，居住性变
16、差。如 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n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”。n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n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：n解决高层建筑防灾、减灾问题，开辟研究抗震结构和防火、耐火材料。7、通讯电波的障碍n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。n 研究：在混凝土墙体中埋入金属质
17、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n高层建筑与一般建筑最大不同在于高层局部。高层建筑按照建筑面积计算的材料重量大约为12001300kg/m3。n问题一：将大量的材料、施工器具以及人员运送到高层局部，需要花费很长的时间和运力。n问题二：运送原材料到高空中作业，如搅拌混凝土、焊接钢材、砌筑块体等施工难度大。n解决方法：建材制品化，在现场进行组装和连接，减少高空作业量，提供效率。7.3 高层建筑与材料、施工方法7.3.2 半模板式楼板的开辟n临时设施，如脚手架、模板等施工完成后需要撤除，消耗大量人力物力。在高
18、空搭建临时设施很困难。n半模板式楼板就是为了在浇注楼板时去掉模板而开辟的一种预应力钢筋混凝土楼板。n预制强度较高、截面较小的预应力板材，将其安装在主梁之间，作为模板，在上面浇注混凝土，混凝土硬化后与模板粘结为整体，作为楼板，不需撤除。或波形钢板上面浇注混凝土。7.3 高层建筑与材料、施工方法7.3.3 外墙结构形式和新材料开辟n幕墙：特指像帷幕一样安装在结构框架上，不承受荷载，只起围护作用的建筑物外墙。一般采用以钢材、钢筋混凝土为承重材料的框架结构形式。最早采用幕墙结构的是纽约的联合国大厦。n幕墙结构的优点：对于建筑物层间变形有足够的随从性，对温度变形有较强的汲取能力，较强的风荷载承受力，具有
19、较强的密闭性、隔音性和耐火性，预制且安装方便。7.3 高层建筑与材料、施工方法n用于幕墙结构的材料：（1）铝合金幕墙：最早采用的幕墙材料。铝合金质量轻、外表光洁、不易被腐蚀、外表多种颜色，装饰性好，但构件本钱较高。（2）玻璃幕墙：使用最多的幕墙材料。玻璃外表光洁，给人以轻快感和机能感以及现代化印象和时代感。大面积使用后产生“光污染”问题，即太阳光线的反射或折射作用，对行人或驾驶员造成眩目和视觉盲区，引发交通事故。7.3 高层建筑与材料、施工方法（3）混凝土幕墙：混凝土很少用作幕墙材料。因为目前混凝土材料很难到达所要求的尺寸精度，安装施工困难，混凝土加工性能和装饰效果差，要加工成带外装修面，并带
20、有开口等形状的混凝土幕墙构件，制作本钱高。仅限于个别部位，或满足特殊要求而少量使用。7.3 高层建筑与材料、施工方法7.3.4 用于高层建筑的结构材料n性能要求：轻质高强、耐火、防火、易于施工。常用仍为钢材、钢筋混凝土。n结构形式：钢结构、钢筋混凝土结构、钢材和钢筋混凝土组合结构1、钢结构（S结构）n优点：构件截面尺寸小、自重轻、建筑物有效空间大、抗震性能好、构件工业化生产程度高、施工简便快捷，综合效益高于钢筋混凝土结构。外观上优势：建筑物骨架纤细、轻巧，表现形式自由灵活、棱角清楚，有力度感；钢材外表有光泽，直接暴露在外给人以明快和清洁感；颜色多样。7.3 高层建筑与材料、施工方法n缺点：耐火
21、性差。解决方法：耐火钢、耐火涂料或耐火材料包覆，及钢管内灌注防冻结和防腐蚀的液体或水冷钢管结构体系等。n统计数据：全世界119栋高度在200m以上的超高层建筑中，有75栋采用钢结构，占总数的63%。世界前10名最高建筑中，有6座采用钢结构。7.3 高层建筑与材料、施工方法2、钢筋混凝土结构（RC结构）n全世界119栋高度在200m以上的超高层建筑中，有25栋采用钢筋混凝土结构，其中最早一栋钢筋混凝土结构超高层建筑是1976年在 芝加哥建造的水塔广场大厦，74层，高度262m，目前世界上最高的钢筋混凝土建筑物是广州的中天大厦，88层，高度322m。n优点：本钱低，稳定性和耐火性好，高性能混凝土和
22、泵送混凝土使性能改善和施工效率提高。n缺点：截面尺寸大，施工所用材料量大，自重较大。7.3 高层建筑与材料、施工方法3、钢-钢筋混凝土组合结构（SRC结构）n弥补钢结构和钢筋混凝土结构的缺点，在超高层建筑中逐渐增多。在世界前100名最高建筑中，采用钢-钢筋混凝土组合结构的建筑物，20世纪70年代有3座，80年代有13座，90年代有10座。n组合方式（1）在钢筋混凝土梁或柱的中心部位放置型钢，与钢混构件相比，型钢的参加大大增加了截面的钢材面积率，强度得到大大提高。钢筋混凝土包裹在型钢的周围，既保护钢筋又增加构件受力稳定性。7.3 高层建筑与材料、施工方法（2）钢管混凝土柱：在钢管内填充混凝土或钢
23、筋混凝土，形成钢管混凝土。在钢管内填充混凝土可防止钢管的局部失稳，同时，钢管对混凝土起横向约束作用。与钢筋混凝土及钢-钢筋混凝土组合相比，具有不需要模板，截面面积小的优点。与钢结构相比，由于混凝土可承担局部荷载，可减少用钢量。n用于多层或高层集中住宅，具有防震，提高刚度和隔音性能的优点。谢谢观看/欢送下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH