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垂直的大学
垂直的大学
罗斯福大学新的32层高垂直框架是钢框架多用性的一个展示。
建成塔楼的西北面和礼堂大楼外景
2007年,罗斯福大学决定其市区校园的未来时进退两难。
因为芝加哥市刚刚针对所有的新旧高层建筑出台了新的规范,要求必须完全配备消防系统。
这样一来,大学内17层高的学生住宿郝尔曼皇冠中心不符合这一标准的要求。
该大学市区校园环绕郝尔曼皇冠中心,毗邻历史悠久的世界著名剧院建筑,翻新还是放弃现有的建筑是个艰难的决定。
在对改造现有建筑成本进行估计,并考虑到未来可能的工程花费之后,大学董事会批准了一项计划,拆除赫尔曼皇冠中心,建造一个新的现代结构。
一个3层楼高的斜支撑被放置在礼堂大厦北部地面上
新塔楼准备为美术附楼外表面起侧向支撑作用。
拆除和建造成用于支撑外观的支撑框架放置在工地上
2层楼高的伸臂桁架与箱形柱进行连接,增强了混凝土核心筒的刚度,保证了大楼加速度在限值以内
向高空发展
芝加哥罗斯福大学雇佣了VOA建筑公司设计一座新的建筑,既能满足所有的需求,又能创造一个持久的校园地标建筑。
新的47万平方英尺的建筑包括了现有大学中常用服务场所:
教室、实验室、学生服务、办公室、食堂、健身中心和会议场地,同时也会扩大临近的礼堂大厦中的现存面积,并且给学校迅速增加的学生人数提供一个600间的宿舍。
然而,当一个建筑满足一个现代大学所有的要求和设施的时候,有一个非常严重的问题欠缺考虑——水平地面面积。
由于学校位于中心区域,只有区区16000平方英尺的空地,整个项目应该从垂直方向找面积,而不是采取传统的水平铺设的方式。
从这一点出发,VOA建筑公司设计出32层建筑,巧妙将所有需要的建筑功能在垂直方向得以实现。
建筑位于拆除的郝尔曼皇冠中心原址上,北面是另一座稍小些的拆除建筑。
纵向方面这座建筑分为三个明显不同的区域,1~5层包括了学生服务和学生生活的各种需要场所;6~13层包含了教室,实验室和办公室;15~31层是宿舍区域。
建筑高475英尺,将成为全美教育建筑的第二高建筑,世界排名第六。
为了实现这些独特而复杂的建筑功能要求,在设计初期阶段就考虑了各种框架系统形式和建筑材料。
最终选择了钢结构,因为它能为教室和实验室提供无柱空间,增加未来改变的灵活性,满足大学的需求,也适应了整个项目所需框架的复杂性。
与历史接口
新塔楼紧邻历史悠久的礼堂大厦,并在五个地方与之连接。
礼堂大厦由美国著名建筑师路易斯•沙利文和达克玛阿德勒设计,1975年国家公园管理处宣布其为历史古迹。
1889年其完工时,是芝加哥最高的建筑,也是美国最大体量的建筑。
据报道,它也是全美第一个多功能建筑,包括了一家400间房间的酒店和一个世界级拥有4300个座位的剧院。
需要悬挑17英尺来连接礼堂大厦,钢结构公司采用了3层钢桁架结构悬挑使建筑物向南延伸,而不是采用又重又高的悬臂楼盖。
桁架结构减小了每层楼盖的高度,减少了位移,并通过减小3层位置处水平钢桁架上的横向力以及地面上混凝土防渗墙来有效地将结构荷载力转移到侧向系统中。
一个类似的单层悬臂桁架延伸成一座桥连接到礼堂大厦的东部。
在该区域的西北角,新塔楼与第二座将要被拆除的建筑——美术附楼之间进行了历史衔接。
按照芝加哥地标委员会的规定,虽然建筑物楼层可以拆除,建筑物西面的外观必须进行保留和恢复。
这座有着赤褐色陶土和石质外观的6层建筑,修建于1925年,内部由一系列铆接钢框架进行支撑。
钢结构公司开发计划包括直接对钢框架进行废物利用,使其充当表面重力和平面横向抗侧力系统。
然而,对于平面外支撑,新塔楼通过一系列的侧向连接进行支撑。
在进行任何连接之前,对陈旧钢构件的化学组成进行了评估以确定其可焊性。
所有的连接允许某种形式的新塔楼和外观之间的垂直和平面内横向运动,但是不允许发生平面外力。
在拆除过程中,电力建设公司安装了一个临时的垂直支撑框架来支撑横向外观,直到新塔楼建好6层,此时,横向支撑外墙的任务被转移到新塔楼上。
框架的挑战:
没有相似的两个楼板
VOA的设计要求在塔楼的许多层楼板结构进行不同的扩展。
这些扩展框架与可伸缩悬臂钢框架长度可达10英尺6英寸。
虽然悬臂长度本身并不值得特别关注,但这些领域的复杂多变的框架值得特别关注。
通常悬挑于柱子上方的梁支撑着另外一根支撑着外墙托梁的梁。
这就使得建筑物边缘可以惊人的做到无柱支撑,它需要仔细的对整个复杂框架的竖向累加位移进行考虑。
决定钢梁尺寸的往往是刚度而不是强度,目的是尽量减小覆面体系的楼板变形。
由于本项目内部包含了各种建筑功能,解决了有限校园空间的问题,这也就需要慎重的考虑各种不同空间的适用性问题,特别是振动控制问题。
5层的健身中心位于对振动和声学敏感的地带,比如演讲厅和会议室的之间。
健身中心中的健美操室特别具有挑战性,通过给出相应的节奏激励和有限的结构厚度来增加楼板刚度。
建筑师和声学顾问设计了特定的隔离和漂浮板来控制声音传播。
钢结构公司使用SAP2010详细的动态模型和美国钢结构设计指南第11条来确保加速度在指定的范围之内。
虽然设计和建造团体一般会在住宅用房时使用混凝土,上部17层的结构对于钢结构在住宅建筑中的应用提供了一个很好的范本。
钢结构公司与VOA密切合作,确定主梁和纵梁线位置,使得梁被隐蔽在分区内,提高了天花板高度,使得楼板间高度达到了10英尺10英寸,楼板振动也进行了慎重研究以保证舒适度。
建筑物复杂的功能需求和外观设计使得没有两个楼层是相似的
REVIT模型截图中展示了一系列三层高桁架体系处与会堂大厦进行连接,连接采用一层高悬臂桥。
蓝色箭头表示的是新旧建筑间的连接
建筑右边是著名的礼堂大厦,左边是修复的美术附楼
钢结构侧向支撑体系
塔楼中最主要的抗侧力支撑构件为核心筒结构,内部空间规划要求核心筒放置合理,处于楼板的中心位置。
为了减小扭转和平面内剪力,一个钢支撑框架被安放在建筑物东侧。
支撑框架高度与建筑物高度相同,放置在中心轴和偏心的位置来满足内部空间分配。
东西方向的侧向支撑体系是一个重大的挑战。
混凝土核心筒的高宽比是由风洞试验确定的,建筑物顶部的加速度超过了限值。
事实上,对于加速度最敏感的住户住在上层的宿舍楼上只会加剧挑战,钢结构再一次解决了这个问题。
一个2层楼高的钢结构悬臂桁架从混凝土核心筒的西面开始延伸,贯穿15~17层,来增加核心筒结构的稳定性,将风力加速度控制在限值内。
每个伸臂桁架的端部连接着一个每英尺1275磅的组合柱,并包含了一个W14×730的支撑上覆4~20英寸的盖板以提供必要的轴向刚度。
合约文件要求每个支撑螺栓在大楼和外部地面浇筑完成之前并不拧紧,防止核心筒和支撑柱长短有误差时造成额外的荷载。
2012年3月工程完成以后,新塔楼将会成为罗斯福大学正在扩展的新市区校园的标志。
这座塔楼代表了建筑功能多样化,并与一个多世纪前的礼堂大厦进行了传统连接。
作为一个真正“垂直的大学”,这个项目为其他同样有空间限制的大学提供了一个优秀典范。
新塔楼成为了罗斯福大学一个地标性建筑,同时也是芝加哥天际线中的一抹亮色。
解决一个建造挑战
一个加快的进度表表明,为了避免在塔吊拆除后结构内部的恢复工作,塔吊最好在结构外围进行工作。
因为所有权的问题,没有足够的地方进行混凝土基础的浇筑,芝加哥钢结构建造协会副主席RobertJ.Herm,S.E.使用了一个创造性的方法。
吊车被放置在两个大梁上,沿着混凝土核心筒移动,将北部外延的可操作距离扩展了12英尺,吊车地步抬高了大概10英尺,有效地节约了地面空间。
塔楼的临街入口将为起伏的西面外观提供一个有利造型
(本文摘译自ModernSteelConstruction 周 颖译)
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