2022 年 Modern Steel Construction 杂志最酷应用项目盘点

每年，《现代钢结构》（MSC）杂志都会选择一些有趣的钢结构项目，通常是小型建筑或小件/或雕塑，以展示钢铁最酷的应用以及与钢结构相关的其他创新和进步。 2022 年最酷的应用包括俄勒冈州波特兰市高速公路上的步行和自行车道、科罗拉多州标志性钢教堂上方的钢“泡泡”、圣路易斯穿过动物栖息地的弯曲钢结构小径、北卡罗来纳州历史悠久的钢铁厂的修复和扩建，以及曾经是西海岸最高建筑的顶部翻新项目。

旧金山的泛美金字塔是世界上最具特色和辨识度的高层建筑之一，最近对其顶部进行的彻底翻修将确保其保持最佳状态。

这座钢结构摩天大楼的楔形外形始于 2 层和 5 层之间的拱廊，一直延伸到 50 层的 10 层建筑尖顶。铝制百叶窗包围了 50 层以上的尖顶，否则该部分将暴露在风雨中。

值此2022年大厦启用50周年之际，2020年成为泛美金字塔新主人的纽约房地产投资开发公司SHVO宣布了一项耗资2.5亿美元（约合人民币17.97亿元）的建筑修复计划，并委托Foster + Partners在2022年初完成修复设计。

多年来，泛美金字塔塔尖的钢架结构一直受到局部腐蚀。尽管这对塔尖的整体稳定性没有产生重大影响，但金字塔的新主人 SHVO 决定开展一项重大项目，以解决塔尖的所有腐蚀问题，并在所有钢表面涂上新的防腐涂层。SHVO 选择了一种综合项目方法，委托 Degenkolb 领导项目设计团队，并委托 Hathaway Dinwiddie 监督施工团队。Hathaway Dinwiddie 意识到这是一个重要的钢结构部件，因此聘请了 AISC 成员 Olson Steel Structures 担任钢结构制造商、安装商和细节设计师。Olson Steel Structures 从最初的设计阶段就与 Degenkolb 保持直接沟通，这对项目的成功至关重要。

尖顶修复工程的一部分包括在尖顶的每一层增加永久性平台，以协助修复工作并满足未来的维护需求。新平台的建造方式是在每层的原有横梁之间添加填充框架，并用玻璃纤维格栅覆盖顶部。由于负载增加，新平台的安装需要在尖顶上增加横向支撑，由 X 形排列的单张角钢组成，这大大降低了对尖顶单跨抗弯框架的要求。选择单张支撑是因为支撑需要分段运送到现场。

X型支撑除了因需要设置平台而加强塔尖承载力外，也是一种可以减少塔尖破坏的自发性加固措施。由于在强地面振动作用下，柱壁厚无法满足层间位移角限值要求，可采用X型支撑来减小层间位移角。附加支撑设计为单拉机构，因此采用X型支撑来提供各方向对称的抗力。

在框架系统上布置支撑框架系统是不合常规的，因为这两个系统之间存在固有的刚度差异。然而，考虑到尖顶的质量很低，这种解决方案是可行的，不会引入任何结构不规则性。这个高度的结构非常轻，因为没有混凝土地板，墙上只有轻质金属百叶窗。因此，支撑元件的横截面可以很小，只要它们能够模拟从第 45 层到第 50 层的楼层的弯曲刚度即可。

在规划尖顶项目时，SHVO还主动对45至50层进行了加固工程。在45层，由于结构的楔形，抗侧力体系突然由四个方向的三跨抗弯框架变为两个方向的单跨抗弯框架。Degenkolb结构工程师的分析表明，这种强度、刚度和冗余度的变化将导致地震发生时45层以上的楼层连续倒塌。分析还表明，加强45至50层的梁柱连接节点和柱拼接节点、加强尖顶内的柱拼接节点以及增加尖顶内的单拉力支撑将有助于大大减少预期的地震破坏。

原梁柱受弯连接节点为标准的WUF-B（带螺栓腹板的焊接无钢筋翼缘）连接，在1994年Northridge地震中，意外出现梁翼缘与柱翼缘间焊缝断裂的情况。经过周密的规划、沟通与协作，在AISC预审合格的地震作用下特殊和中等延性受弯钢框架连接节点（ANSI/AISC 358-16、ANSI/AISC 358S1-18、ANSI/AISC 358S2-20）的基础上，将这些梁柱连接升级为WUF-W（带焊接腹板的焊接无钢筋翼缘）连接。将梁翼缘与柱之间原有的焊缝刨平，并根据需要设置焊缝进行替换，对原有的焊接检查孔也进行了修改，使其符合预审合格连接节点的几何要求，并将剪力构件也焊接到梁腹板上。

柱拼接接头的加固是一个复杂的钢板配置过程，其设计目的是跨越柱端之间的部分穿透焊缝，以保护脆弱区域。由于原始细节构造，原始拼接焊缝容易开裂。20世纪60年代末和70年代初使用的焊接材料缺乏现代焊丝的韧性特性，可以防止金属中的裂纹和缺陷在受到拉伸时迅速扩展。原始焊接构造仅要求焊缝穿透不到翼缘厚度的50％。在未完全穿透的拼接节点处，在翼缘的另一半形成较大的裂纹并继续扩展。

为了抑制此类裂缝的产生，在节点处增加了一定尺寸的加强板，使其在拉伸和弯曲作用下具有远大于柱壁的刚度，从而将柱节点焊缝处的力传递到加强板上。由于柱子两个外表面的作业环境有限，现场焊工无法进入柱壁与角壁内表面之间的位置，使得节点处的修复工作更加复杂。

拆除离地面 800 英尺高的墙壁并不是一个切实可行的选择，因此 Degenkolb 和 Olson Steel 合作使用模型按顺序构建面板组件，从外角开始一直到内角，焊工只能将手臂伸入狭窄的空间。（在设计阶段的早期，SHVO 与其他设计和施工团队决定创建一个最受限制的现有条件的模型，以便为所有利益相关者提供有价值的信息，因此 Olson Steel 构建了一个全尺寸的箱形柱模型，并在它们周围添加了金属面板，以模拟包裹建筑物的预制柱。）

Olson Steel 的主要目标是确认 Degenkolb 钢板柱拼接设计的可施工性。然而，最终目标还包括与每个利益相关者一起评估和测试安装方法，确定可访问性问题，并作为教学目标，让团队中的所有利益相关者了解模拟阶段后尖顶的情况。

对一些焊接细节的细微调整最终证实了 Degenkolb Architects 提出的设计，允许单面焊接以改善接触，并允许在工厂制造一些板材的安装系统。这个过程还回答了一个关于焊接烟雾通风的基本问题。由于泛美金字塔在顶部吸入空气，因此人们担心如何防止这些烟雾进入用户环境。项目团队最终决定使用安装在焊缝下方的风扇系统，使用现有的预制柱包裹物为焊接过程中产生的任何烟雾创造烟囱效应。这一决定还证实了工人将有足够的新鲜空气可以呼吸，并且可以在焊接时不戴呼吸器工作。这个接头的操作顺序需要焊工和检查员之间精心安排，对柱子每个面上的四个预组装加强筋进行预热、焊接、冷却、检查，然后重复该过程，如果没有全尺寸模型，这将是一项不可能完成的任务。

在进行周边支撑和柱节点加固工作的同时，尖顶的内部楼板和楼梯也被更换，以提高内部空间的可用性。之前的尖顶只有一个陡峭的楼梯，每层都有很小的台阶。升级后的楼层是一个完整的周边网格平台，这样建筑工程师几乎可以到达尖顶的任何位置。由于楼层的宽高比，平台之间仍然使用陡峭的船形楼梯，并保留了一个可以到达第 56 层的中央开口，将来可以布置电梯。

泛美金字塔尖顶的独特造型和在现有结构内工作的挑战意味着，在项目的整个修复阶段，复杂的几何形状和结构都会出现。泛美金字塔建模的实际挑战之一是倾斜的结构元素，包括新的和现有的。金字塔的主要支撑元素是尖顶每个角落的周边箱形柱，它们向两个方向倾斜。地板梁和中间层的风梁与柱子不在同一倾斜平面上，因此需要加强支撑来跨越柱子并与中间层的风梁配合使用。对这些倾斜元素进行建模和连接使结构工程师在设计阶段早期就能清楚地了解每个楼层的独特特征，从而避免现场施工期间出现不可接受的结构冲突。

在施工前，设计和施工团队评估了现有条件，以更好地了解工作环境，但尖顶 10 层的现有条件和布局并未完全捕捉到。因此，项目团队认为点云 3D 扫描是最佳做法，Olson Steel Structures 聘请了第三方调查公司来收集数据并处理模型。虽然数据收集只花了一天时间，但收集到的结果为持续数月的设计和施工阶段提供了宝贵的数据。

项目团队使用 Tekla 软件创建了一个基于扫描的详细 3D 模型，它有助于在项目早期发现冲突并根据需要进行设计更改。其中一个主要冲突问题涉及现有百叶窗和预制单元外墙连接与新支架和角撑板之间的冲突。这些连接在原始图纸上并不明显，但在 3D 扫描中被发现。从一开始就对这些辅助单元进行建模使设计团队能够提出一种对现有结构影响最小的加固解决方案 - 这是一个很好的例子，说明 3D 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可施工性问题。

该项目的一个主要制约因素是将材料和工具运送到尖顶的能力。尖顶从第 50 层开始，是混凝土地板（只能通过船梯到达），第 49 层是狭窄的工厂地板，第 48 层是未来的用户空间，这是电梯可以到达的最高楼层。电梯组分为上下两层，第 27 层有一个开关，没有一部电梯足够大，可以容纳项目所需的最长钢构件。幸运的是，货运电梯的容量为 600 磅（272 公斤），这大大改善了小构件的运输，一旦它们被运送到尖顶，就可以在现场组装。电梯可以运输的最长构件为 8 英尺（2.44 米），可以运输的最重构件重 291 磅（132 公斤）。总共有 4,000 个单板组件和 1,000 根钢梁、角钢和槽钢（共重 95 吨）通过下部结构运输至尖顶并进行安装。

与所有新建筑一样，该项目的最初目标是解决尖顶的腐蚀问题。鉴于损坏的程度和强度并不明显，腐蚀问题可能非常严重。由于超过 2,500 英尺（762 米）的钢材暴露在风雨中近 50 年，这可能是一项艰巨的任务。但经过多次规划会议后，设计和施工团队的每一位成员齐心协力，有条不紊地解决了尖顶的腐蚀问题。

首先，对钢表面进行打磨和清洁。然后，Degenkolb 观察并测量了所有腐蚀区域的材料损失。当材料损失超过允许值时，Degenkolb、Olson Steel Structures 和其他设计顾问密切合作，根据每个独特的现场条件制定详细的修复设计。

此次合作的最后一个例子是更换一根完整的抗弯框架梁。最初的现场检查未能发现这根梁的腐蚀程度，它位于尖顶 58 层的最西侧，因为它支撑着一个现有的平台。在清理和测量之后，很明显整个构件都需要更换。Degenkolb 结构工程师和 Olson Steel Structures 立即协调设计并在原始梁上安装一个临时框架构件，同时拆除并更换原始腐蚀的梁。

从腐蚀到修复，SHVO 一直深思熟虑，积极主动地保护这座标志性建筑。他们欣喜地看到，通过周密的规划、完整的团队合作以及新技术的运用，从长远来看，他们节省了大量的时间和麻烦，实现了泛美金字塔塔尖的完美修复和升级。

来源 | 《建筑钢结构进展》微信公众号