最酷的金字塔顶

旧金山的泛美金字塔是世界上最独特和具有辨识度的高层建筑之一，最近对其塔顶的一次彻底检修将确保其保持最佳状态。

这个钢框架摩天大楼的楔形造型是从2层和5层之间的一个拱廊开始，然后一直延伸到50层楼面之上的一个10层高的建筑尖塔顶端。铝制百叶窗将50层楼之上的尖塔围合起来，否则该部分要直接暴露在大气环境之中。

在2022年该栋建筑开放50周年之际，在2020年成为泛美金字塔新东家的纽约房地产投资和开发公司SHVO宣布了一个2.5亿美元（约合人民币17.97亿元）的建筑修复计划并在2022年早期就委托福斯特建筑事务所来完成这个修复设计。

多年以来，泛美金字塔尖顶的钢框架结构经历着局部锈蚀，虽然这对尖塔的整体稳定性没有太大的影响，但是金字塔的新东家SHVO公司选择开启一个重大项目来解决尖塔所有的锈蚀问题并且为所有的钢材表面涂装新的防腐涂层。SHVO公司选择了一个集成式项目方法，委托Degenkolb结构师事务所来领导项目设计团队，由Hathaway Dinwiddie建筑公司来监管施工团队。认识到这是个意义重大的钢结构构件，Hathaway Dinwiddie建筑公司聘请了AISC会员单位Olson钢结构公司作为钢结构加工商、安装商以及详图商。在设计的初始阶段，Olson钢结构公司就一直和Degenkolb结构师事务所保持直接沟通，这一点对于项目的成功非常关键。

尖顶修复工程的一部分涉及到在尖顶的每一层都要增设永久平台来辅助进行这次修复工作同时也可以满足将来的维护需求。新平台的搭建是通过在每层原有梁之间增设填充框架并且用玻璃纤维格栅覆盖在框架顶部来实现的。由于增加了荷载，要想安装新平台就必须要在尖顶上设置另外的侧向支撑，包括呈X形布置的单拉角钢，这也极大地降低了对尖顶的单跨抗弯框架的要求。选择单拉支撑是因为支撑需要被分段运送到现场。

除了因为要设置平台而要对尖顶的承载力进行加强外，X形支撑也是一种可以减小尖顶破坏的自发加强措施。鉴于柱的壁厚不能满足在强烈地面振动情况下的层间位移角限值要求，X形支撑可以用来减小层间位移角。增加的支撑被设计成为单拉机制，因此采用X形支撑的形式来提供每个方向的对称抗力。

因为两种体系之间的内在刚度差异，在一个抗弯框架体系上布置一个支撑框架体系是非常规做法。但是鉴于尖顶质量较小，该方案是可行的且不会带来任何结构不规则问题。在这个高度上的结构非常轻，因为没有混凝土楼板，墙面也只有轻质金属百叶窗。因此，支撑构件可以采用非常小的截面，只要能模拟从45层到50层的楼面抗弯刚度即可。

在进行尖顶项目筹划的时候，SHVO公司也主动选择了进行45~50层的一个加固项目。在第45层，由于结构的楔形造型，抗侧体系从一个4个方向的三跨抗弯框架突变为2个方向的单跨抗弯框架。Degenkolb结构师事务所的分析表明这种在强度、刚度以及冗余度上的变化会导致在地震发生时45层以上楼层的连续性倒塌。分析也表明，对45~50层楼面的梁柱连接节点以及柱拼接节点进行加固以及对尖顶范围内的柱拼接节点进行加固并且增加尖顶内的单拉支撑等措施，有助于大幅降低预期的地震损伤。

原有的梁柱抗弯连接节点就是那种标准的无加固翼缘焊接腹板螺栓连接节点WUF-B（Welded Unreinforced Flange with Bolted Web），在1994年的北岭地震中出现了意料之外的梁翼缘和柱翼缘之间的焊缝断裂现象。经过认真计划、沟通和协作，根据AISC给出的通过预审可以直接用于地震作用下特殊及中等延性抗弯钢框架的连接节点（ANSI/AISC 358-16 ，ANSI/AISC 358S1-18 及ANSI/AISC 358S2-20）类型，将这些梁柱节点都升级为无加固翼缘焊接腹板焊接连接节点WUF-W（Welded Unreinforced Flange with Welded Web）。对原有梁翼缘和柱之间的焊缝进行了刨削代之以考虑需求而设置的焊缝，原有的焊接检修孔也进行了改动以和通过预审连接节点的几何要求保持一致，抗剪件也被焊接在梁腹板上。

柱拼接节点的加固构造是一个复杂的钢板构型过程，其设计意在跨越柱端间的部分熔透焊缝从而保护易断裂区域。原来的拼接焊缝容易产生裂缝是因为原来的细部构造问题。在20世纪60年代晚期及70年代早期使用的焊接材料中缺乏现代焊丝所特有的韧性特质，该韧性特质可以防止裂缝以及金属中的缺陷在承受拉力的时候快速扩展。原来的焊缝构造只要求焊缝熔透50%以下的翼缘厚度，拼接节点处另外没有熔透焊的一半翼缘会形成一条大的裂缝并且会继续扩展。

为了抑制这种裂缝，在拼接节点处按照一定大小增加了补强板，从而在受拉和受弯作用下可提供比柱壁大得多的刚度，因此将柱拼接焊缝处所受的力都转移到补强板上。因为在柱的两个外表面上工作环境受限，拼接节点的修复工作更为复杂，现场焊工无法进入柱壁之间的位置以及角部墙体的内侧表面位置。

在距离地面800ft.（243.84m）的高空将墙体移除不是一个切合实际的方案，因此Degenkolb结构师事务所和Olson钢结构公司共同协作，采用了一个实物模型来进行拼接板组件的顺序施工，从外部最角落处开始一直进行到仅需焊工将一只胳膊伸进有限空间的内角的施工（在设计的早期阶段，SHVO公司连同剩下的设计和施工团队决定打造一个最受限的现有条件的实物模型，从而为所有的利益相关方提供有价值的信息，因此Olson钢结构公司就建造了一个箱形柱以及绕着柱增设了金属板的足尺实物模型来模拟将建筑包裹起来的预制柱）。

Olson钢结构公司的主要目标是要确认Degenkolb结构师事务所给出的钢板柱拼接节点设计的可施工性。然而，最终的目标还包括每一个利益相关方都要评估和测试安装方法，识别可达性问题，并且作为一个教学目标让那些所有加入团队的相关方在实物模型阶段之后都能够理解在尖顶的顶端究竟发生了什么。

经过对某些焊缝细部构造的微小调整，最终确认了Degenkolb结构师事务给出的设计方案，允许为了改进的进入方式而采取的单边焊缝以及采用了一种允许部分钢板在工厂加工的安装体系。这种工艺也回答了一个有关给电焊烟尘通风的基本问题。因为泛美金字塔在尖顶处吸入空气，就有人担心如何防止这些烟尘进入到用户所在环境中。项目团队最终决定采用一种架设在焊接下方的风扇系统，利用原有的预制柱包裹材料来对任何在焊接过程中产生的烟尘形成一个烟囱效应。这个决定也证实了工人们可以呼吸到充裕的新鲜空气，焊接的时候无需佩戴呼吸机即可作业。这个拼接节点的顺序作业需要焊工和检查人员之间对预热、焊接、冷却、检查工作进行仔细编排，然后柱的每个面上的四块预拼装加劲板都要重复这样的流程，如果没有足尺实物模型，这简直就是一个不可能完成的任务。

当进行周边支撑以及柱拼接节点加固施工作业时，对尖顶的内部楼板和楼梯也进行了替换以改善内部空间的可用性。之前的尖顶内部每层只有一个带有非常小踏步的陡峭楼梯，升级后的楼面是一个完整的周边格栅平台，这样建造工程师们几乎就可以抵达尖顶的任何位置。由于楼层的宽高比限制，平台之间仍然得采用陡峭的船梯，还保留了一个可以到达第56层的中部开洞，可在将来布置一个升降机。

泛美金字塔尖顶的独特造型以及在一个原有结构内作业所带来的各种难题都意味着在这个项目的修复阶段，复杂的几何尺寸以及构造会一直存在。泛美金字塔建模工作中面临的一个实际挑战就是这些倾斜结构单元，不管是新建的还是原有的。金字塔的主要支承单元位于尖顶每个角部的周边箱型柱在两个方向上都是倾斜的。楼面梁以及中间层的防风梁和柱不在同一斜平面内，因此加固支撑需要跨越柱，和中间层的防风梁共同工作。建模并将这些倾斜构件连接起来的工作使得在设计阶段的早期就对每层构件的独特性有了清晰的了解，这样结构工程师就可以在设计阶段避免那些不可接受的结构碰撞在现场施工的时候出现。

在预施工过程中，设计和施工团队对现有条件进行了评估以便更好地理解工作环境，但是还没有完全获取到尖顶这10层楼面的现有条件和布置。因此，项目团队认为进行点云三维扫描是一个最佳行动方案，Olson钢结构公司雇佣了一个第三方勘测公司来进行数据收集和模型处理。尽管收集数据仅仅用了一天的时间，其采集到的结果却可以为持续数月的设计和施工阶段提供有价值的数据。

项目团队采用Tekla软件建立的一个基于扫描的详细三维模型有助于在项目的早期过程中就识别出碰撞情况并根据需要进行设计变更。这其中一个重大的碰撞问题涉及到原有的百叶窗和预制单元的外墙连接节点与新支撑及节点板之间的碰撞。这些连接节点在原来的图纸上不是很明显，但是在三维扫描中被发现了。从一开始就对这些辅助单元进行建模使得设计团队能给出一个对原有结构影响最小的加固方案——这是一个三维模型如何让整个团队在申请许可证之前而不是在施工现场解决一个可施工性问题的优秀范例。

该项目一个主要约束条件就是将材料和工具运输到尖顶上的能力。尖顶始于第50层的一个混凝土楼面（仅能通过一部船梯到达），第49层是一个拮据的机房设备层，第48层是一个未来的用户空间，也是通过电梯可抵达的最高楼层。电梯组被分成高区楼层组和低区楼层组，在第27层处可以进行转换，没有任何一部电梯大到可以放得下该项目所需的最长的钢构件。幸运的是，货运电梯可以达到600lb（272kg）的承载力，这大大提升了小型构件的运力，这些构件一旦被运到尖顶位置，就可以在现场进行组装。电梯可以运送的最长构件尺寸是8ft.（2.44m），可以运送的最重构件重量为291lb（132kg）。总之，4,000个单板部件以及1,000根钢梁、角钢、槽钢构件，共计95t，都是通过下部建筑运送到尖顶部分并进行安装的。

在所有新建筑顶部，该项目的最初目的是要解决尖顶的锈蚀问题。鉴于损伤的程度和强度看起来并不明显，因此一旦出现锈蚀问题就可能是压倒性的。在近50年的时间里，尖顶部位有超过2,500ft.（762m）长的钢构件是暴露在大气当中的，因此这可能是一个极其艰巨的任务。但是在经过多次计划会议之后，设计和施工团队的每位成员都聚在一起，共同有条不紊地处理尖顶的锈蚀问题。

首先，对钢构件的表面进行淡化和清洗。Degenkolb结构师事务所接下来观察和测量所有展现出锈蚀的区域的材料损失情况。在材料损失超过允许值的地方，Degenkolb结构师事务所、Olson钢结构公司以及其他设计顾问紧密协作，给出适合每个独特场地条件的修复细部构造设计。

这种协作的最终范例就是一个完全抗弯框架梁的替换工作。由于支承着原有的平台，初始现场勘察工作没有发现位于尖顶第58层最西侧的这根梁的锈蚀程度。一旦对其进行清洁和测量之后，发现很明显整根构件需要进行替换。Degenkolb结构师事务所和Olson钢结构公司立刻协调配合，在原钢梁上方设计并安装了一根临时框架构件，同时对原有的锈蚀钢梁进行拆除和替换。

从出现锈蚀到改造翻新，SHVO公司一直是深思熟虑且具有前瞻性地维护和保护这个标志性的结构。他们也欣喜地看到，通过仔细规划、完全的团队协作以及新技术的应用，节约了大量的时间，从长远来看也免去了很多麻烦，实现了对泛美金字塔尖顶的完美改造升级。