北美最高建筑—纽约世贸中心结构分析

1WTC新建项目包括地上300万平方英尺，地下50万平方英，对于一些参观过纽约世贸中心遗址的人们来说,很难想象如何在那里重新建造美国第一高楼。但对于有些人来说,他们从来没有怀疑过。

一、工程概况

世界贸易中心（1WTC），是曼哈顿世贸中心遗址重建计划的四座塔楼中最高的一座，由高层建筑与城市人居(CTBUH)理事会宣布将成为北美最高的建筑,同时也将成为世界已建建筑中的第三高楼。为了与丹尼尔•里伯斯金的总体规划保持一致，该塔楼从地面到塔尖的总高度为1776英尺，恰恰是美国的建国年份,主体结构的设计高度与原本的世贸中心塔楼高度相同,为1368英尺，最上部是一个408英尺高的螺旋塔尖。螺旋塔尖设计达到了塔楼设计要求的高度，主屋顶上有一个多层格子圆环，螺旋塔尖就安置在圆环上，与自由女神手中的火炬形神相通。

1.2 新标准

2001年双塔的倒塌成为工程界一个严重的案例，未来高层建筑的建设需要在防恐怖袭击方面吸取教训。设计团队面临了众多前所未有的挑战——特别是安全问题——预计将达到或超越尚未公布的法规和标准。我们也敏锐地意识到这座塔楼的设计或许会为未来的高层建筑设计提供一个标准，激励我们超越常规的高层建筑设计技术。

1.3 结构分析

1WTC的建造计划包括300万平方英尺的地上建筑和50万平方英尺的地下空间。塔楼包括71层的办公楼层、8层的MEP空间、1个50英尺高的大厅、客户放松空间、1个2层的位于1269英尺高空的观景平台、“天空”餐厅、停车场、零售部和通往公共交通网络的通道。塔楼结构在地下延伸了70英尺，为地下4层。考虑到地下地铁等的位置，塔楼下部构件需要重新排布。这些空间需要45000吨结构用钢。

1.4 塔楼设计

该建筑办公楼层从地上190英尺高度开始，在4层的主大厅上开始建造。塔楼的四角逐步被削掉，从办公楼层的第一层开始逐渐向内倾斜直到屋顶，此时楼板单边长度为145英尺，与底部的四边形旋转了45o。立面形成了8个拉长的等腰三角形，组成棱柱外形。在塔楼中部，平面变成了等边八角形。塔楼几何外形的变化不仅是为了满足面积要求，同时也创造了可以减小风效应的气动外形。纽约地区的高层建筑设计主要由风荷载控制，这种外形可以有效减小塔楼风压。

二、结构创新技术

塔楼的基础和地下结构采用扩展和条形基础建立在曼哈顿的基石上，每平方英尺可以承受60吨或更多的力。由于空间限制，例如靠近地铁线路，有时需要深挖基础以获得更大的地基承载力，此时的地基承载力达到了114吨每平方英尺。在岩石下80英尺的地方放置锚杆来抵御极端风事件带来的倾覆作用。

地铁在塔楼地下西部运行（挖掘下来的基石通过挡土墙包围，保持世贸中心本来的地下水位）。因为施工时必须保证地铁线路的正常运行，施工顺序在地下结构设计时就成了首要考虑的因素。临时结构钢框架被引入并整合到结构中。用于临时支撑楼板的永久和临时钢架跨越在铁轨上方，而一些塔楼的柱子则被转移至远离铁轨。

塔楼的稳定体系，通过地下结构进行提升，达到自平衡。塔楼结构是一个混合体系， 混凝土核心筒框架外包围了钢楼板骨架和周边韧性钢框架。钢筋混凝土核心筒体系在塔楼中心如同脊椎，为重力荷载、风荷载和地震荷载提供承载力。核心筒在底部几乎是正方形，基础挖深大约为110英尺——足够承担本塔楼的重量，包括设备间和各种形式的出口。墙体之间采用钢筋混凝土墙宽翼缘梁连接混凝土剪力墙，周边加入柔性框架，增强建筑冗余度，并进一步提高侧向风荷载和地震荷载作用下的整体建筑性能。周边框架包围了所有垂直和倾斜构件，形成了管状结构。

塔楼的反棱柱几何外形在其独特结构条件下，需要特殊的节点设计和制造方法。为进一步提高抗侧力体系，核心筒部分通过伸臂桁架与外框架结构相连。由此，周边框架核心筒体系可以使塔楼更加安全。

三、建造创新技术

混凝土核心区内的楼板体系采用混凝土梁板结构，核心筒外的楼板部分为压型钢板混凝土组合楼板，通过支撑钢梁连接到剪力连接件上。核心筒和外围框架之间（最大跨度为47英尺）采用无柱楼板体系，可以提高施工效率，也提供给用户灵活使用的空间。

最常见的混合建造方法是混凝土核心筒使用液压爬模和液压滑模施工，而不依赖已有的钢框架，钢框架随着已建成的核心筒进行推进，本工程采用一种创新的建造方法。在混凝土核心筒建造前，全层范围内施工全钢框架，包括核心筒内和核心筒外，核心筒内的钢框架作为骨架系统预埋在混凝土剪力墙内。建造过程大概分为4个工序，包括钢框架，金属楼板和核心筒外部混凝土，混凝土核心筒剪力墙，核心筒内的混凝土楼板建造。为了提升模板，核心筒外部采用了一个宽翼缘环带梁来保持楼板体系和核心筒剪力墙之间的临时空间。施工顺序在整个结构设计中十分重要，因为它会影响到各种构件的连接方式和节点构造，特别是在混凝土核心筒剪力墙和相邻区域的交界部位；同时也会影响到塔楼轴向收缩的性质，计算和施工补偿的方法。由于不同材料的性能影响，在混合体系结构中考虑轴向收缩变得越来越重要，例如钢材的变形、混凝土的徐变、蠕变和收缩作用等变得更加复杂。

研究轴向收缩目的是为了确定混凝土核心筒和周边钢框架在建造过程中的变形。钢材的弹性变形在吊装之前必须仔细考虑，以保证施工结束时楼板是平整的，并定位在理论的水平位置上。为了补偿这些收缩，建造商可以调整周边钢柱和中心混凝土墙的高度，使它们一开始并不在同一高度上。

结构设计规范

从一开始，面临的主要挑战就是为结构设计选择适当的规范和标准。纽约市现行使用的规范是基于1968年的规范修订的版本，与港务局的设计规范共同构成主要的设计规范。然而，本工程有必要采用最先进的规范来对塔楼进行设计，风荷载和地震荷载的设计采用IBC2003结构标准（它们将会被作为新版纽约建筑规范的基础）。考虑到结构的完整性，强化结构冗余度，美国政府标准，例如GSA、DOD和FEMA被用来作为进一步改进的参考。此外，最新的AISC和ACI规范，标准和规范被采纳，特别是关于抗弯框架连接的柔性设计。

塔楼底部的结构体系

风洞试验

结构的风荷载按照IBC2003进行设计，并考虑了纽约当地风荷载情况。此外，还进行了一系列的风洞试验，以确定飓风情况下的风效应以及满足人体舒适度时的风荷载的精确测量。针对设计的不同阶段，在Rowan Williams Davies & Irwin风洞实验室进行了高频测力试验和气弹模型试验，同时也考虑了塔尖的空气动力效应。风洞试验也考虑到了周边环境的影响，甚至包括后续建成的2、3、4号塔楼。最大的风荷载加速度会对人体舒适度产生影响，同时，飓风设计的重现周期为1000年一遇。

2013年12月，1WTC建造完成，2014年晚些时候将对外开放。该塔楼采用了多种创新的工程解决方案，是由众多设计和施工团队为了同一个目标，在几年间亲密合作，不懈努力，打造出的曼哈顿地区的地标性建筑，体现了国家精神和专业价值。