钢结构之美 | 联邦储备大楼

企业   2024-10-13 09:00   北京  

国家奖——造价在7500万~2亿美元的工程

联邦储备大楼,西雅图,华盛顿州


“这个项目展示了钢结构在一栋大楼的自适应再利用方面的真正独特的能力,采用其他结构材料是无法满足当前的规范要求的。”

——David Horowitz


建于1949年的这栋美国联邦储备大楼在经历了2001年的尼斯夸利地震后,由于过时的安全功能以及遭受的轻微损伤而在2014年退出工作,如今这栋大楼进行了竖向扩建,采用新的钢结构打造了一个新的抗震体系。

由于已精心修复的7层原有楼面,连同7层全新的楼面为特征的更新设计,这栋标志性大楼已经被改造成为一个拥有204,000ft.2(18,952.22㎡)A级办公空间的写字楼,上面新扩建的7层楼面被包裹在一个玻璃珠宝盒结构中,可以欣赏到无与伦比的西雅图新的水岸美景。除了在原结构上新增的7层楼面之外,对整栋建筑也进行了加固以满足当前建筑设计规范要求,而自大楼1949年建成以来,建筑设计规范也经历了很大的改变。
许多独特的挑战需要创新性的解决方案,包括在保留原结构体系的同时提供一个新的抗震体系,制作和安装新的钢框架并且将一个位于地下室的几乎永不磨损的重达500万磅(2,268t)的保险库也纳入新建筑结构中。这栋原来的历史建筑的框架结构是由位于宾夕法尼亚州的Bethlehem钢结构公司提供的,在这个扩建和翻新项目的最早期设计阶段,钢结构就被认为是新框架的清晰解决方案了。除了和已有结构的连接更加容易之外,钢框架体系的轻质特性也减小了原有建筑的受力,并减小了所需的加固工作量。
为了支承7层的扩建部分,新的钢柱被交织布置在原结构以及下方的新基础中。尽管建筑的新建部分和原有部分都有着大型的分离重力体系,二者却共享一个抗侧体系,因为原有的混凝土墙体体系刚度虽然很大,承载力却较弱。沿建筑高度上每层都安装了屈曲约束钢支撑以提供抗侧稳定性,并且这些支撑在建筑外部也是直接可见的。将较低楼层的原有混凝土墙和主体建筑分离开来,这样这些混凝土墙就可以支承其平面内的自重,但在平面外方向,由新的抗侧体系对其起到支撑作用。因为新增的钢结构是和原有钢结构交织布置的,原有钢结构是采用正交的柱网,新增钢结构的布置要避开原有柱网,这就导致新框架结构经常是非直角相交。采用了3D加工模型有助于生成精确的施工图并且在这个复杂结构中有助于避免新框架结构和原有框架结构之间产生冲突。

为了打造新老建筑之间的设计上的分离,在原结构的屋顶上方沿着周边打造了一圈单层的无柱区域。为了实现这一点,在收进处上方布置了一个悬挑钢板梁,可以支承来自上部新增7层楼面的边柱的全部重量。设计团队创建了一个重力框架体系3D模型来分析建筑的竖向变形和振动以确保钢板梁的受力响应在可接受范围内。

在地下室内,原有的55ft.×54ft.×27ft.(16.76m×16.46m×8.23m)的保险库占去了建筑内相当大的平面面积,也阻碍了在这个空间内对基础进行扩建的可能性。原有的施工照片显示,保险库内的钢制安全网非常厚,不可能一眼看穿。保险库的基础足以满足重力荷载和向下的抗震设防要求,但是由于连接固定的限制,不能满足地震引起的上拔荷载要求。为了提供足够的抗拔力,在保险库净跨的中部设置了一个承压板部件,将保险库盖子的底侧向上提起,这样保险库在这个支承点上就有足够的承载力支承其全部自重,免去了将保险库拆除并建造新的基础的必要,从而为项目节约了大量的时间和材料。

该建筑的历史地位带来了很多设计挑战,挑战之一发生在建筑角部,此处需要设置一个抗震缝,但是不能对建筑的石灰岩墙板覆层进行任何改动。为了打造一个抗震缝的同时还要保持建筑外立面原封不动,在建筑角部竖向沿着周围背衬混凝土墙体切出一个抗震缝来,但是不贯穿到具有历史意义的墙板上。这些墙板被锚固在不锈钢框架上,框架支承在抗震缝的一侧并且穿过抗震缝支撑着整个墙板。纤维增强复合材料(FRP)被粘贴在石灰岩墙板背面以防止在抗震缝处出现较大的变形时墙板裂成碎片。最后完工后的效果是建筑看起来就和最初的状态是一样的。

因为原来的安装误差,以及70年来建筑随着时间发生的变形,原有的钢结构只能说是接近但不是准确地位于最初施工图纸上所示的位置。为了对钢结构进行精准加工,对原有建筑内部进行了3D扫描并将生成的点云数据和加工模型进行了对比。在新的钢框架结构和原建筑相连的地方,在加工过程中对新框架的尺寸和细部构造都进行了相应的改动以能够完美连接原结构。另外,在框架安装完成后,再次进行3D扫描并和加工模型进行对比以进行质量控制并确认框架是否被安装在了准确的位置。

为了高效利用建筑材料,同时也表示对该结构悠久历史的尊重,在可能的方面对原有楼板进行了再利用。早期的压型钢板上覆混凝土板的体系并没有绝对地和结构框架相连系,这些地方的梁需要进行加固来抵抗竖向荷载,将楼面压型钢板和结构框架连系起来,减小了框架的无支撑长度,增加了承载力,但却没有增加结构的截面大小。通过这种方法进行加固节约了材料,也减少了安装的人力需求。


业主:马丁·塞林格地产公司(Martin Selig Real Estate),西雅图,华盛顿州

总承包商:Lease Crutcher Lewis公司,西雅图,华盛顿州

建筑设计:Perkins & Will建筑事务所,西雅图,华盛顿州

结构设计:KPFF咨询事务所,西雅图,华盛顿州

钢结构加工:Metals Fabrication有限公司,Airway Heights,华盛顿州

钢结构详图:Metals Fabrication有限公司,Airway Heights,华盛顿州


来源 | 建筑钢结构进展微信公众号

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