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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,結構工程專業(yè),各位同學 大家好,新型建筑材料與結構,11/11/2024,中國礦業(yè)大學,China University of Mining&Technology,建筑工程學院,School of Architecture&Civil Engineering,2,3 高層建筑與材料,建筑物按照層數(shù)可分為低層、多層、高層以及超高層建筑。通常12層稱為低層建筑，36層稱為多層建筑，7一30層左右稱為高層建筑，而30層以上（或高度超過100,m）,叫做超高層建筑。,高層建筑是現(xiàn)代社會科學和技術發(fā)達的標志之一，是人

2、口密度增大、城市功能集中的必然產(chǎn)物，也是人類不斷向新的高度挑戰(zhàn)，不斷探索新的建造技術，開發(fā)新型建筑體系和材料的體現(xiàn)。高層建筑為人類提供了高密度、大容量的居住或工作空間，給現(xiàn)代人的生活和工作帶來許多方便，同時對城市環(huán)境、居住條件以及生活方式也帶來諸多影響。,3,31 高層建筑的發(fā)展與未來,人類歷史上最早出現(xiàn)的高層建筑，可以追溯到古羅馬時代。2000多年前的古羅馬時代，就已經(jīng)在各城市建造了10層左右的高層建筑物，所采用的結構形式是承重墻結構，這主要是受當時的建筑材料只有石材或粘土磚等塊體材料的限制。后來隨著羅馬帝國的衰落，高層建筑也就隨之消沉了。,4,211 近代高層建筑的興起,1）承重墻結構對層

3、高的限制,到19世紀以前，人類的生產(chǎn)方式一直停留在以手工操作為主的水平，在建筑技術和材料方面也沒有突破性的發(fā)展。直到進人19世紀，西歐各國以工業(yè)革命為契機，開始出現(xiàn)了資本主義機械化大生產(chǎn)，人口向城市集中，出現(xiàn)了解決城市人口居住集中問題的需求。同時，煉鋼技術的成熟、水泥、混凝土材料的出現(xiàn)，為建筑結構形式向大型化發(fā)展提供了物質基礎。于是沉寂了近2000年的高層建筑又開始興建起來。由于受當時的設計水平和材料體系的影響，最初建造高層建筑的結構形式仍然采用砌筑承重墻結構。隨著建筑物高度的增高，用于承受建筑物自重的承重墻體就必須加厚。例如 1891年在芝加哥建造了一座高16層的,M,o,nadnock,（

4、,摩那頓克）大廈，由于自重較大，這座建筑物下部承重墻的厚度達到了18,m。,可見，要使建筑物達到更高的高度，必須采用受力更加合理的結構形式，開發(fā)新的結構與材料體系。,5,2）框架結構體系和金屬材料的應用,由于當時已經(jīng)有了鑄鐵、鋼材等金屬材料，人們也在探索更加合理的結構形式，以解決承重墻結構墻體過于厚重的問題。結構工程師開始開發(fā)輕型的框架結構系統(tǒng)。這種框架結構形式是由梁和柱構成剛性的框架，樓板和墻體的自重首先傳遞到梁上，然后通過柱直接傳遞到基礎，墻體只起圍護作用而不承重，而承重的梁和柱采用具有很高強度的鋼材或鋼筋混凝土。這種結構形式和材料的開發(fā)成功，使得高度更高、跨度更大、開口尺寸更大的高層建筑

5、成為可能。這種框架結構系統(tǒng)從開始到發(fā)展成熟大約花費了100多年的時間。這期間包括人們對鋼材、混凝土等材料的性能、連接或復合使用方法、梁和柱的合理斷面形狀以及鋼筋混凝土中鋼筋的配置方法、預應力鋼筋混凝土的開發(fā)和使用等等。,6,1801年在英國的曼徹斯特，人們第一次用鑄鐵材料建造了七層框架結構的軋棉工廠建筑物，并且首次采用了,I,型斷面的梁和往，為以后的框架結構建筑物奠定了結構形式的基礎。,3）構件標準化的設計思想,1851年，在英國萬國博覽會上展出的水晶宮，是最早采用鋼材、框架結構、玻璃板，并對構件進行了模數(shù)設計的建筑物。該建筑物在結構形式、材料、生產(chǎn)方式和施工方法等方面實現(xiàn)了完美的統(tǒng)一，確立了

6、框架體系和鋼材在高層建筑中的基礎地位。同時，構件標準化（模數(shù)化）的設計思想為后來建筑材料及構件的量化生產(chǎn)奠定了基礎。高層建筑不同于以前的平房建筑，材料用量大，將所用材料制成構件，有利于現(xiàn)場操作，能提高施工效率；,高層建筑的各層多數(shù)采用相同的設計樣式，所以也具備使用標準化構件的條件。,7,4）縱向交通手段的建立,隨著樓層的增高，人們開始研究開發(fā)建筑物內部的縱向交通系統(tǒng)。1851年在紐約建造的5號街飯店建筑中，最早出現(xiàn)了電梯。這種垂直方向的交通方式的開發(fā)，為人們利用高層建筑提供了方便的手段，否則，即使建造出高層建筑，也難以利用。,1866年-1870年期間建造的紐約生命保險公司大樓，也采用了電梯。

7、,5）用剪力墻增加橫向剛度,剪力墻的開發(fā)和應用是高層建筑的又一關鍵技術。隨著層數(shù)增多，高度增高，在風力、地震等水平荷載的作用下，建筑物的橫向變形和位移增大，為了將這種變形控制在所允許的范圍之內，以保證安全使用，必須增加建筑物在水平方向的剛度，而剪力墻是在結構上解決這一問題的有效辦法。1891年，,Burnham,和,Root,兩位建筑師在芝加哥建造了20層高度的,Masonic Temple，,并在此建筑物中第一次設計使用了鋼結構的剪力墻，使高層建筑的建造技術又向前邁出了一步。,8,6）混凝土材料在高層建筑中的應用,高層建筑的發(fā)展同樣推動了結構材料的發(fā)展。早期的高層建筑幾乎都采用鑄鐵或鋼材等作

8、為框架結構材料。從1890年開始，混凝土作為一般的建筑材料開始得到人們的承認。1903年由佩雷設計的巴黎的富蘭克林公寓大樓，開始采用了鋼筋混凝土材料。幾乎在同時，在美國的辛辛那提（,Cincinnati）,建造了 16層的,ingall,building，,是世界上第一個以鋼筋混凝土作為框架結構材料的高層建筑。但是，到20世紀中葉為止，混凝土材料在高層建筑中只是零散地被使用，或者使用混凝土也只是模仿鋼框架結構，而沒有開發(fā)出非常完善的以鋼筋混凝土材料為結構框架的體系。這種狀況直到第二次世界大戰(zhàn)結束以后才有改變。,9,目前，高層建筑所用的結構材料已經(jīng)是鋼材和鋼筋混凝土平分秋色，許多著名的高層建筑都

9、采用了鋼筋混凝土材料。例如朝鮮平壤市的柳京飯店（地上101層，高度305.4,m）、,芝加哥的水塔廣場大廈（76層，高度262,m）、,以及最新落成的世界最高的建筑物，吉隆坡的佩重納斯大廈（高度452,m），,均采用了鋼筋混凝土作為主體結構材料。,10,3,l2,實現(xiàn)高層建筑的社會條件和技術條件,1）社會需求,高層建筑是人類進入工業(yè)化、信息化社會所產(chǎn)生的城市現(xiàn)象，社會需求推動了高層建筑的發(fā)展。這種需求主要表現(xiàn)在以下幾個方面。,l,人口密度大，人口向城市高度集中，用于個人居住的住宅和社會公共設施的需求量增大，城區(qū)土地不足，土地價格上漲，在有限的土地上不能滿足建設量的需求，只好向空中發(fā)展。因此，人

10、口的增多和城市化是高層建筑產(chǎn)生的直接原因。,l,城市功能多樣化是促進高層建筑發(fā)展的又一個重要原因?，F(xiàn)代社會城市已成為地域的政治、經(jīng)濟、文化中心。管理機能集中，行政辦公、金融貿易、科教衛(wèi)生、文化、體育活動、交通樞紐等全部集中在城市的中心，因此，必須建造大容量的高層建筑才能容納大量的辦公人員和利用這些設施的人。,11,2）國家相關法規(guī),高層建筑涉及到安全、管理、能源、治安、環(huán)境等一系列社會問題，因此各國根據(jù)本國的國情、自然條件以及環(huán)境政策，要對高層建筑的建設制定一些法規(guī)，這些法規(guī)將對高層建筑的發(fā)展起到制約或鼓勵的作用。,l,英國在20世紀50年代以前，為了保持倫敦古都的風貌，曾經(jīng)制定法規(guī)限制一定范

11、圍內建筑物的高度，1956年作為城市再開發(fā)的一個積極政策，對首都倫敦撤消了建筑物的高度限制，從此倫敦的高層建筑才得以發(fā)展。,l,日本是一個多地震的國家，1923年9月關東大地震以及由此引發(fā)的火災，造成了十幾萬人喪生的慘劇。從此以后，日本的建筑法規(guī)一直限制建筑物的高度不能超過31,m，,長達近40年之久。直到1955年，以城市再開發(fā)為目的，在日本的建筑學會內部成立了高層化委員會，1962年，在建筑學會的答辯會上，通過了技術論證，解除了原來高度3,l,m,的限制。因此從20世紀60年代開始，日本開始發(fā)展高層建筑。,12,3）技術條件,高層建筑的建設是建立在一系列綜合技術手段的支持之上的，是人類從事

12、建設活動達到最高境界的綜合體現(xiàn)。高層建筑結構設計荷載作用方式復雜，要求安全可靠性高；構件數(shù)量龐大，材料種類繁多，計算、繪圖等工作量相當大；施工過程復雜，設備及材料的管理、工程操作難度大；投資巨大，要求使用壽命長。因此高層建筑的建設需要有設計、計算、管理、施工等綜合性的、堅實的理論基礎和技術來支持。要求具備以下技術條件。,13,結構設計的計算手段和繪圖手段：高層建筑不同于普通建筑之處就是層數(shù)多，構件數(shù)量多，受力狀態(tài)復雜。隨著高度增加，水平荷載（風荷載）增加，橫向變形量大。所以結構計算復雜。電子計算機和相應的結構計算、計算機輔助設計等軟件的開發(fā)，解決了高層建筑的繁雜而大量的計算工作。,現(xiàn)代施工管理

13、方法的開發(fā)：高層建筑的施工建設，從原材料的準備、運輸、基礎、主體結構的建成，建筑設備的安裝、內外裝修，直到竣工，是一個極為復雜的組織過程，工序繁多，工作量大。計算機技術為施工管理科學化、現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件。,14,現(xiàn)代化的建筑設備：,高層建筑的能源供給、照明采光、通風換氣、取暖制冷等空調系統(tǒng)，與普通建筑物相比，構成復雜，要求嚴格。例如，高度443,m,的西爾斯大廈，其電器設備系統(tǒng)相當于常住人口為14萬7千人的城市電力供給系統(tǒng)。其空調系統(tǒng)具有供給6000戶住宅的制冷空調設備。建筑物內有102臺電梯，每天有16500人利用這些電梯向建筑物的各層移動，構成了縱向的交通系統(tǒng)。此外，建筑物內還需配套停車設

14、施、排水系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)等，這些電器、水、空調、煤氣、交通等設備系統(tǒng)非常復雜。現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)達、設備水平的提高，計算機自動控制水平的提高等條件，為高層建筑的設備配套提供了有利的條件。,15,l,現(xiàn)代化的施工機械：高層建筑施工中高空作業(yè)量大，包括材料、構件的運輸和在高空部位進行安裝、組合等現(xiàn)場施工，難度大，危險性高，許多操作非機械不能實現(xiàn)。現(xiàn)代化的建筑施工機械，大噸位起重機，可將混凝土直接輸送到幾百米高度的混凝土泵送設備，適合各個部位作業(yè)的各類機械，給高層建筑的施工提供了條件。,l,材料的工業(yè)化生產(chǎn)及新型建筑材料的開發(fā)：高層建筑使用的建筑材料數(shù)量大，質量要求高，非工業(yè)化生產(chǎn)不能滿足量和質上的

15、要求。現(xiàn)代建筑材料例如鋼材、玻璃、混凝土等都已實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，為高層建筑的建設提供了物質基礎。同時，高層建筑要求輕質高強型材料、耐火性材料、不需搭設臨時設施即可施工的幕墻構件，組裝式墻板、樓板，廁所、浴室等單元構件等，這些基本都已實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)。鋼結構的連接技術采用高強螺栓，不需現(xiàn)場焊接等等，這些都是高層建筑不可缺少的物質條件。,16,l,20,世紀50年代，第二次世界大戰(zhàn)結束，世界各國進入了以經(jīng)濟建設為主的和平時期，建筑業(yè)及高層建筑的建設也進入了鼎盛時期。1956年英政府對首都倫敦撤消了對建筑物的高度限制，從此建造高層建筑成為城市開發(fā)的一個積極政策。,l,1962,年，日本解除了對建筑物

16、的高度限制，同時伴隨著經(jīng)濟的騰飛，日本開始大量建造高層建筑，從60年代開始，在原來一片荒涼的新宿地區(qū)建造大批高層建筑，如今這里已經(jīng)成為東京的副都心。,l,美國在高層建筑方面一直走在世界的前列。1972年在紐約建成了世界貿易中心，110層，417,m，,打破了帝國大廈長達40年之久的一統(tǒng)天下，奪得了世界最高建筑的桂冠。但是這項桂冠只保持了一年，即被1974年落成的高度443,m,的西爾斯大廈摘走。,17,1996,年在馬來西亞的吉隆坡落成的佩重納斯大廈又刷新了世界最高建筑的記錄，高度達到452,m。,該大廈不僅在高度上獨占鰲頭，其主體結構材料采用了鋼筋混凝土結構，這一點也是該世界最高建筑物的首例，佩重納斯大廈用事實證明了鋼筋混凝土材料用于高層建筑是完全可能的，不僅材料的性能能夠滿足要求，其施工技術也已經(jīng)很完善。,最初建造高層建筑的目的是為了解決日益膨脹的人口的工作、居住等實際需求，然而一個多世紀社會不斷進步以及建筑技術日趨完善的過程中，世界各國又往往把挑戰(zhàn)新的高度作為科技水平和經(jīng)濟實力的象征，因此，在世界范圍內曾一度掀起爭奪世界第一高度的競賽。到20世紀末為止，世界上高度位于前十名的高層