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【结构大师系列】Leslie Robertson作为结构工程师的一生

发布于：2017-11-08 13:48:08 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

Leslie E. Robertson

(1928~)，出生于美国加利福尼亚。16岁时，还在上高中的他加入美国海军，担任助理电子工程师。二战结束后，进入加州大学伯克利分校学习，于1952年获学士学位。在换了几份工作后，Robertson在1958年进入工程咨询公司Worthington–Skilling工作，后来一步步成长为公司合伙人，1986年公司更名为LESLIE E. ROBERTSON ASSOCIATES(LERA，中文名“理雅”)，在他的带领下，LERA不断开拓国内外市场，成为蜚声世界的结构设计事务所。

Robertson作为结构工程师广受赞誉。2004年获IStructE金奖，2004年获Khan 终身成就奖，2011年获IABSE国际桥协奖章。

Robertson职业生涯超过60年，不知道现在退休了没有。其作品非常多，小i选了几个有代表性的作品介绍。

IBM大楼（现美国钢铁工人联合会大楼），匹兹堡/1963

IBM大楼

和Robertson后面的作品比起来，这个项目的名气并不大，但该项目是其结构设计风格形成的重要作品。

IBM大楼共13层高，由内框筒和外部菱形网格筒体组成。外框和内筒之间形成大面积的无柱空间，业主可自由布置分隔。

IBM大楼施工中

传统的设计方法是确定荷载、钢材的强度等级，再通过计算确定杆件截面。而IBM大楼设计时，先确定荷载和杆件的截面（由功能、建筑效果等决定），再通过计算确定需要的钢材强度等级。大楼采用的钢材最低屈服强度为250MPa（上图中黄色杆件），最高屈服强度为690MPa（上图中红色杆件）。

菱形网格的拼装

IBM大楼外框筒采用单元式拼装方法，数层高的外框菱形网格在工厂预制完成后，运到现场拼接。

世界贸易中心双子塔（World Trade Center），纽约/1973

双子塔钢结构施工完成时的景象

纽约世界贸易中心1、2号塔均为110层，北楼高417米，南楼高415米。当时年仅35岁的Robertson主持了世贸中心双子塔的结构设计。由于篇幅有限，在此仅介绍几个特点。

1

）框筒抗侧力体系

世贸中心双塔采用密柱深梁的钢框架筒体作为主要抗侧力结构体系，在当时是一场高层建筑结构设计的革命。这种体系在建筑物外围建立用密柱、深梁的三维墙式结构来抵御侧向荷载，使内部楼盖范围内可以取消或减少立柱和支撑，也就可以增加使用面积。

在侧向荷载作用下，框架筒体中平行于侧向荷载的框架方格板起筒体的“腹板”作用，承受由侧向荷载产生的平面内弯曲和伴生的剪切；垂直于侧向荷载的框架方格板起筒体的“翼缘”作用，承受由侧向荷载引起倾覆力矩所产生的竖向拉力或压力。

框筒在侧向力作用下的内力分布及剪力滞后效应

密柱与深梁构成的框架筒体，并非完全意义的“筒”。在水平力作用下，“腹板”和“翼缘”中间区域柱子的轴力较小，降低了结构的抗侧刚度，即“剪力滞后效应”。该现象归因于深梁的柔性，若角部柱的内力为C1，则与它相邻柱的内力C2由于深梁的弯曲变形而小于C1(C2小于C1的程度取决于深梁的刚度)。

内筒主要用于竖向交通，不参与抗侧力。

2

）整齐的杆件截面尺寸

北塔典型平面

塔楼外框筒平面尺寸为64mx64m，在10~107层之间由236根密柱（每边59根）构成，柱距1.02m，截面尺寸0.36m见方；底层由于开门的需要，在第九层三根柱子合成一根，柱距为3.06m，柱截面尺寸0.76m；柱间通过1.3m高的钢梁（实际上是一块钢板）相连。

框筒的一个典型拼装单元

截面尺寸能做得如此统一，是因为对于不同受力需求的杆件，Robertson采取的方式是变换钢材厚度和强度而不是截面尺寸。柱的板厚由底部的76mm变化到顶部的6mm，钢材强度等级多达10档，屈服强度从248MPa变化到690MPa。这样，钢结构就可以采用标准化的单元式拼装，减少现场焊接量，增加施工效率。

3

）上世纪

70

年代的

BIM

钢结构的施工是一个庞大的系统工程，钢板在日本生产，由船运输到西雅图组装成三层高三个柱距宽的平板单元（见上图），在现场拼装之前统一堆放在新泽西。所有的流程无缝对接，这要归功于当时结构设计师已经通过IMB计算机输出打孔纸，对每一块钢板的材质、尺寸、焊缝等提供了编号，设计师与将近40家施工单位沟通的基础是打孔纸，而不是图纸。（看到这个资料，小i内心是震惊的。）

4

）楼面系统的设计

WTC楼面系统

楼面系统连接外框筒和内筒，其主要作用有三个：承受竖向荷载；为外框柱提供侧向支撑；作为隔板使外框柱在侧向力作用下内力分布更均匀。

楼面系统采用钢桁架支承，钢桁架跨度从18.3m到10.7m不等，间距2m。桁架腹杆伸出上弦杆表面76mm，进入102mm厚的轻质混凝土楼板内，作为抗剪键使桁架上弦和混凝土楼板共同作用。

5

）振动控制

帝国大厦与世贸中心顶部采集到的风振数据

世贸中心建造之前，以帝国大厦（381m，1931年）为代表的超高层建筑，其外墙壁均采用砖或石材，内部隔墙采用砖或砌块，虽然这些材料均属于非结构构件，但是通过模型计算发现，这些非结构构件提供的刚度是钢结构本身的4倍，同时也为建筑提供了阻尼。（见上图左侧）

世贸中心采用了玻璃幕墙，内部采用轻钢龙骨隔墙。这与之前的超高层有很大不同，没有了隔墙提供的附加刚度和阻尼，世贸中心的振动就有可能超出人们的接受范围。（见上图右侧）

为此结构设计师专门做了风洞试验，虽然通过试验得到了塔楼会如何振动的数据，但是工程师还不知道人们能接受多大程度的振动。由于之前没有研究资料，最后，他们自己设计了一个振动装置进行试验。

模拟振动装置

为减小风振，Robertson将粘弹性阻尼器首次引入超高层建筑。在楼面桁架的下弦与外框筒之间，安装了粘弹性阻尼器（由3M公司生产）。他们的研究对后续超高层建筑的抗风设计影响深远。

粘弹性阻尼器的安装示意图

香港中银大厦（Bank of China Tower），香港/1990

香港中银大厦

香港中银大厦是Robertson又一里程碑式的作品。大厦地面以上72层，高度315m，天线顶端高369m。塔楼平面从一52mx52m的正方形上升，分别在25层、38层、51层以对角线为界依次收进，将竖筒逐渐转变为三角形棱柱体，最后保留其中一个到达顶部72层。结构是一个以13层为模数的有交叉支撑的巨型空间桁架结构体系，承受全部侧向荷载以及建筑物自身的重力荷载。

中银大厦的构思与平面

中银大厦非常耐看，一个很重要的原因是建筑与结构设计均采用模数系统，体现了很强的逻辑性：墙面窗网格以1.3m为模数，楼层高度以3个1.3m为模数，内部立柱间距以6个1.3m为模数，建筑宽度以39个1.3m为模数，巨型空间桁架的节间高度以13个楼层为模数。

从“X”形和“钻石切割”形

最初的方案如左图所示，所有的巨型桁架均暴露在立面，因此在避难层可以看到明显的水平桁架。中国银行业主觉得结构方案很好，但是不能接受大厦的立面呈现象征着否定和失败的“X”。最后在与建筑师贝律铭的共同努力下，将横向桁架隐藏，终于说服业主，在立面上呈现“钻石切割”的形态。

角柱的节点处理

中银大厦的巨型空间桁架的节点处理很值得称道。建筑师贝律铭很讲究建筑的逻辑，在他的设计图中，各个面的斜撑与角柱交于一个点，这意味着不允许设计庞大的节点来实现巨型斜撑间的传力。因此，Robertson在角部设计了钢与混凝土组合柱，斜撑仅与自己平面内的柱相连，而不同平面内的柱并未通过节点板直接连接，而是通过混凝土将其捆绑在一起。

这一处理，不仅使建筑立面呈现良好的效果，而且使混凝土参与受力，大大增加了立柱的承载力和刚度。

中银大厦多个风洞模型

香港处于台风多发地段，其风荷载是纽约的两倍。因此，结构工程师做了多个风洞模型，从左到右分别为表面测压试验（pressure model），天平测力试验(force balance model)，气弹模型试验(aeroelastic model)。

建筑高度与单位面积用钢量的图表（竖轴为高度，横轴为用钢量）

最后值得一提的是中银大厦的经济性。由于采用了合理的结构体系和型钢混凝土组合构件，其用钢量不到150

kg/m

²

，这在远东地区是非常经济的。

上图中红点是中银大厦，其单位面积用钢量比它的邻居香港汇丰要低得多。

环球金融中心（Shanghai World Financial Center），上海/2008

上海环球金融中心

介绍项目之前先说一段小小的历史。上海环球金融中心是以日本的森大厦株式会社（MoriBuilding Corporation）为主导投资兴建的，1993年开始设计，设计高度为450m， KPF(Kohn Pedersen Fox Associates)为建筑设计方，ARUP做的方案结构设计。后因亚洲金融危机工程暂停，1999年LERA接手重启结构设计时，环球金融中心的高度被业主从450m提高到492m，并要求增加使用面积。但关键是1995年桩基就已经施工完毕，要想利用已有的桩基完成设计，留给Robertson唯一的选择就是更轻更有效率的结构体系。

环球金融中心结构体系（早期方案塔冠开洞是圆形的）

内部混凝土核心筒占据了很大一部分结构重量，为了减轻结构的重量，需要减小核心筒剪力墙的壁厚，这就必须减少核心筒承担的侧向力。因此，Robertson抛弃了原来的框架核心筒（周边框架靠抗弯抵抗侧向力）的方案，提出了带伸臂桁架的支撑框架结构体系。不仅减小了核心筒混凝土的用量，也减少了钢材的用量。

伸臂桁架示意图

新的结构抗侧力体系由三部分组成：1）空间桁架：巨型结构柱、巨型斜撑和环带桁架；2）内部核心筒的剪力墙（79层以上为带混凝土端墙的钢支撑核心筒）；3）由于伸臂桁架的存在，巨柱与内部核心筒之间的共同作用。在KPF的努力下，伸臂桁架层被用作观光层，斜撑被很好地隐藏掉了，最终在没有改变建筑效果的前提下，把新的结构装入了原有的建筑中。