前言

    在1972年至1997年的25年间，高443米的芝加哥西尔斯大厦一直是世界第一高楼。1997年，这一摩天大楼的霸主地位被马来西亚吉隆坡的高450米的双塔石油大厦替代。但在新世纪到来之时，芝加哥不甘落后，目前正在设计中的芝加哥南迪尔伯恩大街7号大楼一旦建成，芝加哥就会重新夺回世界摩天大楼的霸主地位。该大楼共108层，高度确定为472米(至屋面结构)，在屋面以上还有两个高138米的天线塔，总高度为610米。负责该大厦结构概念设计的辛恩先生是芝加哥SOM设计公司的高级结构工程师，亦是世界高层建筑和城市环境协会(Council on Tall Buildings and Urban Habitat----CTBUH)第三委员会(体系和概念)的副主席。笔者与辛恩先生一起工作过，常保持联系和技术交流。最近，辛恩先生将正在设计的芝加哥南迪尔伯恩大街7号大厦的情况向笔者进行了介绍，本文根据他的介绍以及笔者自己的理解而撰写。

    建筑设计概况

    这座108层的大厦总建筑面积177000平方米。地下两层建筑面积11800平方米，作为商场；地面大堂以上有11个楼面为停车库，建筑面积32240平方米，共800个停车位；再往上至51层是办公层，建筑面积71071平方米；51层至95层楼面是旅馆层，有360个客房，建筑面积44220平方米；而顶部13个楼面则为通信用房，建筑面积8417平方米。
    从外观上看，塔楼在竖向分为6组，最下面的2组在立面上收进，上面4组间有明显的凹槽分开，最上面3组的楼板均为悬挑，因此在旅馆房间的周边均没有柱子，使居住者有很开阔的视野而俯瞰芝加哥的全貌。这座细长的建筑的宽度自下往上逐步减小，锥形的立面看上去简洁明了，建成后将是芝加哥的一个标志性建筑。
    从社区发展的观点来看，它打破了超高层建筑须占用较大地盘的传统。大厦只占用了长64米、宽58米的地盘，只是芝加哥南迪尔伯恩大街( South Dearborn Street)的一个四分之一的街区，而高度比它低的西尔斯大厦却占用了整整一个街区。

    结构设计特点

    一、结构体系的选择
    大厦异常细长，其高宽比为8.5：1。相应于大厦两个平动方向的周期约9秒，相应于扭转的周期约2.5秒。为了有效地抵抗水平荷载，尤其是风荷载，大厦的结构体系采用了缆索桅杆(stayed -mast)的概念。大厦就象是一艘带有风帆的船。边长为20米的钢筋混凝土核心筒可视作中央的桅杆(mast)；沿竖向布置的两道结构钢组成的伸臂桁架可视作船上悬挂风帆的横木(outgiggers);与其相连的外围的柱子或墙可视作缆索(stays)。两道伸臂桁架分别位于车库层/办公层及办公层/旅馆层边界处。核心筒墙体不间断地一直通到顶部通信层处。第一道伸臂桁架以下外围的缆索由连续的腰带状的钢筋混凝土墙组成，第一道伸臂桁架至第二道伸臂桁架间外围的缆索由24根结构钢柱子组成，以传递由水平荷载形成的倾覆力矩。

    二、平面和竖向的结构布置
    第一道伸臂桁架下面是11层的车库，它的外围不需要窗子，设计上采用了厚度为0.6米的连续的腰带状的钢筋混凝土墙，该部分有很大的抗侧刚度，几乎没有什么侧移。在第一道伸臂桁架至第二道伸臂桁架间的办公层部分，外围有24根结构钢柱子，柱子中心距在6-9米之间。与世界贸易中心外围柱子间距1米及西尔斯大厦外围柱子间距4.6米相比，可使办公室有更广阔的视野。
    大厦受力的关键部位是第二道伸臂桁架处，即旅馆层与办公层交界处(标高205米)。第二道伸臂桁架占据了4层楼面的高度，并在周围设计了腰带状的桁架，其目的是为了有效地将倾覆力矩传递至外围的24根柱子。
    在第二道伸臂桁架以上，除了中央的核心筒，外围没有一根柱子，使旅馆层居住者及电信层工作者的视野没有任何阻挡。这些楼层上的楼板均直接从核心筒上悬挑出来，其悬挑长度6-9米，沿竖向逐渐减小。悬挑梁采用现场浇捣的后张预应力法，梁间则为钢筋混凝土单向板。核心筒外围墙体的厚度为1.2米，十字形内墙体的厚度为0.3米，混凝土强度为C100。悬挑部分的荷重传至核心筒后，对核心筒的受力状态反而有利，这些荷重减小了核心筒在风荷载作用下的拉应力。

    三、减小风效应的措施
    为了减小作用在大厦上的风荷载及风荷载引起的晃动，设计上作了以下考虑：建筑的角部有意识地做成柔和的曲线，以减小风引起的涡流影响；按大厦的不同用途在竖向形成的几个楼层组合间设置了凹槽，这对风的影响也是一个制约；大厦沿高度方向宽度越来越小，有助于进一步减小作用在大厦上的风和倾覆力。
    所谓风引起的涡流影响是指风作用在建筑物上后，由于该建筑物的体形等各种条件而形成的旋风，它使建筑物在与风作用方向不一致的斜向受拉。旋风的频率与风速和建筑物的宽度、体形有关。风速是客观存在的，无法控制；设计者可从主观上控制建筑物的体形和宽度，以减小旋风的作用。例如，西尔斯大厦的体形自上而下从矩形变为十字形，再变为角部带有凹槽的正方形，最后在底部是正方形。以上所述的在南迪尔伯恩大街7号大厦设计中考虑取的一些措施，亦采用了同一思路。
    由于大厦的上部楼层是旅馆，居住者对风运动引起的感觉必须控制在严格的标准内。 大厦已经进行了两个测力天平的风洞试验。风洞试验证实了中央核心筒的钢筋混凝土质量以及由悬臂楼板传至核心筒的荷重，对于减小风运动引起的居住者的感觉的有利作用。另一个主要采用结构钢的比较方案由于没有足够的质量，因而无法满足居住者对风运动引起的感觉的标准。

    四、基础设计
    大厦基底处的反力大约为1920KN/M2。地下二层以下钢筋混凝土基础板的厚度为3.7米。核心筒部位下有20根直径2.6米的桩，外围布置了32根直径1.5米的桩，桩的长度约为30米，均锚入基岩内1.8米深度。

    施工预测
    世界上许多摩天大楼的计划，因费用昂贵和工期漫长而最终不得不放弃。因此，关键是设计要简单经济，施工要方便快捷。南迪尔伯恩大街7号大厦的预算为5亿美元。芝加哥规划部门已在去年通过了设计方案，并同意拆除基地上原有的一幢18层楼建筑，估计今年年内可开工。地下部分施工结束后，予计每星期可完成两层楼面，希望在2004年建成成为世界最高的摩天大楼。