高層建筑發(fā)展史

謝江龍

（蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司 甘肅蘭州 730000）

序言

關(guān)于高層建筑的發(fā)展史，從古至今的著作數(shù)不勝數(shù)，人們從不同的角度不同的思維及不同的技術(shù)手段出發(fā)，分析了高層建筑從古至今的發(fā)展規(guī)律。我今天僅從我個人認為最早影響高層建筑發(fā)展的三個方面來分析一下，是什么影響了高層建筑的發(fā)展。

1 鋼筋混凝土技術(shù)的出現(xiàn)

在19世紀以前，房屋的高度受所用的土、木、磚、石等主要建筑材料本身性能的限制；同時也由于其時社會生產(chǎn)和生活還沒有使用高層房屋的實際需要。因而，在用磚石蓋房子的地方，建筑物一般不超過五、六層，在用木料造房子的地區(qū)，一般多為單層和兩層建筑，超過三層的就不多見了。鋼筋混凝土的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，使得建筑由多層向高層發(fā)展出現(xiàn)可能。首先混凝土的發(fā)明：這東西其實不是很清晰，作為中國人，我可以說是我國發(fā)明的——混凝土在我國很久之前就已經(jīng)存在且在使用了。當時它的組成材料大概有粘土、石灰、石膏、火山灰等等。后來有了波特蘭水泥。它的組成材料和之前我國的相比，發(fā)生了一些變化。它在使用時，更有使用強度、耐久性更長。最主要的是它的組成材料非常容易獲取，造價也不高，使用還非常的廣泛。相繼后來誕生了水灰比學說，為混凝土強度的理論出現(xiàn)做了鋪墊。隨著科技發(fā)展，輕集料混凝土、加氣混凝土及其他混凝土，各種混凝土外加劑也開始使用。

鋼筋混凝土的發(fā)明者，叫約澤夫·莫尼哀（1823-1906），法國園藝家。發(fā)現(xiàn)原因是，他當時為了將沙子、小石子、水泥這些材料凝合在一起，就將鐵絲編成根形狀，從而實現(xiàn)了他想要預(yù)期效果。經(jīng)過后期源源不斷的實踐、發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用創(chuàng)新，才有了后期鋼筋混凝土的大面積使用。繼而，鋼筋混凝土開始成為改變這個世界景觀的重要材料。

2 電梯的出現(xiàn)

由于電梯的出現(xiàn)，建筑突破6層的高度限制（徒步可行的登高距離）。使得建筑由多層向高層發(fā)展成為可能。人類利用升降工具運輸貨物、人員的歷史非常悠久。早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔時就使用了最原始的升降系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的基本原理至今仍無變化：即一個平衡物下降的同時，負載平臺上升。早期的升降工具基本以人力為動力。1203年，在法國海岸邊的一個修道院里安裝了一臺以驢子為動力的起重機，這才結(jié)束了用人力運送重物的歷史。英國科學家瓦特發(fā)明蒸汽機后，起重機裝置開始采用蒸汽為動力。在當時，這些技術(shù)已經(jīng)是突破性的發(fā)現(xiàn)與研究了。經(jīng)歷了陸續(xù)不斷的鉆研、研究、計算、創(chuàng)新，工程師們不間斷的精益求精，改良技術(shù)，成熟運作，取得了不小的收獲。盡管如此，在當時有個問題始終沒有得到很好地解決，那就是安全問題。在使用過程中，如果纜繩斷裂，負載平臺會產(chǎn)生墜毀的現(xiàn)象，增加了了使用升降梯危險系數(shù)。1852年，美國工程師奧的斯在展覽會上向公眾展示了他的發(fā)明，打消了人們長期對升降機安全性的質(zhì)疑，宣告了電梯的誕生。電梯進入人們的生活已經(jīng)150年了，生活在繼續(xù)，科技在發(fā)展，電梯也在進步。這100多年，電梯的各方各面，都有了改變。不管是材質(zhì)、運行模式、電梯樣式。之前的材質(zhì)以黑白居多，后期有了彩色。樣式也有直式到斜式。雙層轎廂電梯展示出節(jié)省井道空間，提升運輸能力的優(yōu)勢。可以說電梯是建筑由多層向高層發(fā)展的最重要的促進因素。

3 風荷載的應(yīng)用

風荷載是空氣流動形成的，對建筑物的作用是不規(guī)則的，風荷載實際上是一種隨機時變活荷載，但不同于一般活荷載（樓面和屋面活荷載、吊車荷載、雪荷載）。為了結(jié)構(gòu)設(shè)計方便，迄今為止，世界各國的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，都是將風荷載轉(zhuǎn)換為確定性的靜力等效風。

風對建筑物的影響不僅僅是風聲，主要是風荷載對水平位移的影響。垂直于高層建筑表面上的風荷載，按建筑所在的地區(qū)、地面粗糙度、建筑各高度點以及建筑體型等而不相同，建筑高度在5～200m間變化時，其風壓變化系數(shù)0.54-2.36.建筑物高度越大其風壓系數(shù)越大。根據(jù)有關(guān)部門進行的風洞試驗并經(jīng)過計算機實際測定和國外有關(guān)資料介紹，高層建筑最大風載荷點約在其高度的3/4處。

關(guān)于風力對高層建筑的影響，是一個綜合性的話題，到現(xiàn)在為止都在研究。出現(xiàn)了許多理論及數(shù)據(jù)。我們今天只通過一個實驗來側(cè)面了解一下：用紙制作二個等高的圓筒和圓錐，把圓筒和圓錐假想成高層建筑，用同等的風機從側(cè)面對圓筒和圓錐吹風。通過研究發(fā)現(xiàn)，高度相同的情況下，圓筒的位移遠遠大于圓錐，這一研究說明建筑形體的不同，建筑的高度也是有差距的。我們今天看到的高層建筑在頂部幾層都是呈圓錐形的，這樣能有效的減小風力對建筑的剛度和水平位移產(chǎn)生的影響。但科學技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，許多高層建筑都是圓筒形或者是到圓錐形的，這是利用計算機軟件模擬當?shù)氐闹鲗эL向和風力的綜合影響后，對建筑體型在底部甚至中部提前設(shè)計，達到在頂部呈圓錐的效果。