結構大師-Fazlur Khan
作者：楊笑天
Fazlur Rahman Khan法茲勒.汗，1929年出生於孟加拉，先後在印度和孟加拉學習土木工程專業。1952年赴美國UIUC求學，在短短3年之內取得了結構工程和工程力學的兩個碩士學位，以及結構工程的博士學位。
Khan提出並完善了框架筒體、框架-核心筒、桁架筒體、束筒結構體系，使人類建築能夠以合理的造價突破400米的高度，做出了原創性的傑出貢獻，開創了現代高層建築的新時代。
1955年，Fazlur Khan加入SOM公司，並於1966年以結構工程師的身份成為公司合夥人。他將筒體結構的概念應用於芝加哥漢考克中心和西爾斯大廈等摩天大樓，為SOM奠定了在超高層領域的地位。
背景：第一次高層建築熱潮
對於高層建築，風和地震引起的水平荷載是控制結構設計的主要作用，水平位移隨著高度而呈非線性增大的趨勢。高層結構應具有足夠的水平剛度和承載力。否則，過大的變形可能導致結構構件破壞、幕牆破碎、隔牆開裂，影響電梯運行和人的舒適感。
19世紀80年代起，在鋼材冶煉和電梯技術的發展推動下，美國掀起了的第一次高層建築熱潮。1883年，第一幢金屬框架承重的高層建築Home Insurance大樓建成。從1929年到1933年美國相繼建成了9幢200m以上的高層建築。這些高層建築普遍採用鋼材建造，結構體系未能突破框架結構、框架支撐結構兩種形式。
1931年落成的紐約帝國大廈Empire State Building，採用支撐加強的框架結構，共計102層，高度達381m。1951年增加天線後的總高度為443.2米。
帝國大廈基本代表了框架和框架支撐結構體系的極限高度，被稱為「建築之王」。在1931~1972年期間，它保持世界最高摩天大樓的紀錄，長達41年。直到Khan時代到來。
框架筒體結構：DeWitt-Chestnut公寓
在Khan的時代之前，絕大多數的摩天大樓是由鋼鐵建造的。Khan率先嘗試用鋼筋混凝土建造超高層建築。鋼筋混凝土筒體的剛度更大，改善了風荷載作用下的變形，相對於鋼材的經濟性優勢也很明顯。
1964年，120m，鋼筋混凝土，密柱筒體結構
DeWitt-Chestnut公寓(1964年)是Fazlur Khan的第一個重要作品，也是採用筒體結構體系建造的第一幢超高層。大樓高120m，由鋼筋混凝土密柱和深梁構成外圍筒體，抵禦水平荷載。大廈內部沒有芯筒和剪力牆。採用筒體結構的建築，對內部立柱的需求少，建築內部空間開闊。
框架-核心筒結構
芝加哥Brunswick 大廈
對於中等高度的高層建築，Khan發展了框架-剪力牆(核心筒)體系。將建築中心的樓電梯和服務設施，用鋼支撐框架或者鋼筋混凝土剪力牆圍成核心筒。如果外圍結構是普通框架，則稱為框架-核心筒結構；如果是密柱深梁構成的框筒，則稱為筒中筒結構。外框架與核心筒共同作用，得到更大的水平剛度和承載力。
第一個應用該結構體系的是1965年建成的芝加哥Brunswick大廈。大廈共35層，總高度144.5m，是當時最高的鋼筋混凝土建築。如今，應用鋼筋混凝土框架-核心筒體系，最高可以建到70層。
1965年,144.5m,鋼筋混凝土,框架核心筒結構,芝加哥
密柱、橫樑構成的框架外露，作為建築立面的表達
高層建築的底層，為了佈置寬敞的入口、大堂或廣場，常常要求較大的柱間距。Brunswick大廈在底層用7.3m高的深梁進行轉換，上層柱間距2.85m，下層柱間距17.1m。這是當時最大的鋼筋混凝土大梁。為此Khan和其它學者做了試驗研究，且考慮了水化熱、施工方案等細緻問題，以保證結構的安全(試驗證實安全係數約為3.0)。
Khan在後來設計的Two Shell Plaza和Marine Midland銀行大樓中，也採用類似的、更加流暢的轉換結構。
底層採用了多層加腋梁的轉換結構
1971年，Khan進一步完善了框架-核心筒體系，設計了高度217米的One Shell Plaza大廈。大廈內部核心筒與外框密柱形成筒中筒結構。在大樓的角部樓板採用了雙向受力的密肋樓板。
桁架筒體：漢考克中心John HancockCenter
1969年，由Khan與建築師Bruce Graham合作設計了芝加哥漢考克中心John Hancock Center，共計100層，總高度343.7m，加天線高度達457.2m。大廈低樓層用作辦公、高樓層用作公寓。外露的鋼結構包裹黑色鋁板，窗戶為古銅色防眩光玻璃，基座以凝灰岩大理石飾面，在結構和建築外形上塑造了堅強穩重的形象。
漢考克中心的四個立面上，各設置了5個半18層高的X型鋼支撐，節點處設置了水平系桿。外框柱、斜撐、橫樑構成巨大的桁架型筒體，大大提高了築的剛度。豎向承重體系和抗側體系簡潔清晰，結構骨架融入建築表達中。桁架筒體具有高效的抗側能力，因此拓寬了框架立柱的間距，實現更寬幅的玻璃窗。
外框柱向內傾斜，自下向上收進的楔形造型符合功能需求(商店、辦公、公寓和電視臺的進深需求不同)，同時提高了結構的整體穩定性。[小i註：外框的錐形化顯著提高超高層建築的水平剛度，側移減小10%~30%，提高外框的剪力分擔比例]
由巨型的弦桿、斜撐的軸向受力提供剛度的桁架筒體，比框架、框筒結構更高效。漢考克中心用鋼量約145 kg/m2，比當時傳統的框架體系節約20~50%左右。即使在今天，採用了更高性能的鋼材、更先進的設計分析手段，對於350m高度級別的超高層建築，145 kg/m2用鋼量仍然是非常好的經濟指標。
將鋼筋混凝土材料與桁架筒體結構相結合，Khan設計了Onterie Center大廈。它的組成是佈置間距約3m的鋼筋混凝土立柱，在每個樓層內用鋼筋混凝土牆板堵柱一個窗口，在外立面上形成斜向支撐。
Khan的遺作，第一次將剪力牆佈置在建築的四角。
束筒結構：西爾斯大廈
1974年，Fazlur Khan與建築師Bruce Graham再次合作，設計了西爾斯大廈(Sears Tower)。大廈地上110層、地下3層，建築高度443m、含天線高度527.3m，超過了1973年剛剛建成的紐約世界貿易中心姐妹樓(412m)，成為世界最高的摩天大樓。直至1998~1999年，西爾斯大廈的建築高度紀錄才相繼被吉隆坡雙子塔(452m)和臺北101(509m)打破。
西爾斯大廈採用的是，Fazlur Khan提出的束筒結構概念。大廈底部平面68.7x68.7米，由9個22.9米見方的正方形組成，每個正方形內部不設支柱，樓層的使用空間靈活。束筒結構可以理解為「一根筷子容易被折斷，九根筷子牢牢抱成團」。此外，內部柱列起到「腹板」的作用，進一步提高抗剪、抗扭能力和結構整體性。
普通的密柱深梁構成的框架筒體，並非完全意義的「筒」。在水平力作用下，「腹板」和「翼緣」中間區域的軸力減小了，降低了結構的抗側剛度，即「剪力滯後效應」。在西爾斯大廈的束筒結構中，內部柱列的「腹板」作用使「翼緣」受力均勻，改善了剪力滯效應。
大廈平面的9宮格向上陸續分段收進。為了保證束筒結構的整體性，沿高度設置了3個環帶桁架，其間樓層作業機械設備層作用，其中第66層和第90層為平面收進的位置。
大廈越高處風壓越大，收進的筒體有利減小迎風面積；越靠近底部水平剪力越大，由越多的束筒共同抵抗。大廈設計的風荷載允許位移(考慮風振)為建築總高度的1/500，即900毫米，建成後最大風速時實測位移為460毫米。
大樓在不同方向的立面形態各不相同，突破了一般高層建築呆板、對稱的造型手法，具有標誌性的外觀吸引了眾多公司入駐。
西爾斯大廈中安裝了102部電梯，於第33層和第66層設有兩個電梯轉換廳。這是在設計中首次提出了電梯分區分段運行和轉換層的概念，解決了超高層建築的豎向交通問題。
西爾斯大廈每平方米用鋼量約165kg/m2，比採用帝國大廈(高度381m)的用鋼量少20％左右。Khan在One Magnificent Mile項目(205m,1983年)中也採用束筒結構體系。
核心筒-外伸臂桁架結構體系
為了追求更加開闊的視野、增大開窗面積，密柱深梁構成的框筒結構漸漸被拋棄。很多建築師也不喜歡斜撐外露、表達結構的桁架筒體。於是，結構被隱蔽起來，越來越多的超高層採用框架-核心筒結構體系。由於提供主要水平剛度的芯筒在平面中部，效率不高，框架-核心筒的建造高度有限。
1972年，Khan繼續完善筒體概念，在框架-核心筒體繫上增加了伸臂和環帶桁架，用於協調外框與芯筒的變形。這種協調作用相當於在覈心筒頂部施加一個力偶(恢復力偶)，減小了芯筒的側移、轉動和傾覆力矩，從而實現更高的高度。
BHP House是第一個採用伸臂-環帶桁架結構的高層建築，在頂部和中部共設了兩道伸臂-環帶桁架。在建築底部設計了巨型桁架，轉換一部分框架柱，實現底層較大的柱間距。
1974年，Khan設計的美國銀行大廈U.S. Bank Center也採用了伸臂-環帶桁架筒體體系，但他這次選擇了鋼筋混凝土材料。
空間結構
除了超高層建築以外，Khan還設計了一些空間結構建築，同樣出色。比如麥加的阿卜杜勒國際機場和Hubert H. Humphrey 穹頂。
阿卜杜勒國際機場帳篷形狀的屋頂，採用了當時新型的建築材料-膜材，覆蓋巨大的室內空間，屋面膜結構設計為可收縮伸展。
1982年，53歲的Khan英年早逝。美國CTBUH協會（Councilon Tall Buildings and Urban Habitat）以Khan命名的終身成就獎，頒發給為高層建築結構工程作出傑出貢獻的工程師。直至今天，超過40層的高層建築，絕大多數仍採用Khan提出並完善的筒體結構體系。
引用Khan的一段話作為本文的結語： "When thinking design, I put myself in the place of a whole building, feeling every part. In my mind I visualize the stresses and twisting a building undergoes." ……"The technical man must not be lost in his own technology; he must be able to appreciate life, and life is art, drama, music, and most importantly, people."
註：CTBUH主要有三種建築物高度判斷方法：1）建築頂端高度，包括塔尖塔冠，但不包括天線等；2）建築大屋面高度；3) 建築頂點高度。
參考資料：
http://1.wikipedia.org/wiki/Fazlur_Rahman_Khan
2.普林斯頓大學的Fazlu Khan作品展: http://khan.princeton.edu
3.SOM公司網站：http://www.som.com
4.圖片網站：http://www.pinterest.com
5.建築結構概念設計及案例，羅福午等著
本文圖片均來源於網路，版權屬於原作者或網站
本文由iStructuer根據 FazlurKhan生平資料編輯整理。
謹以此文紀念結構大師 Fazlur Rahman Khan！
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