材料和不同的结构形式联合组成建筑物的各种不同部分，包括承重框架，外壳，楼板和隔墙。建筑物也有像升降机，供暖和冷却，照明这样的与机械和电力有关的系统txvlog。上部结构是建筑物地面以上的部分，而下部结构和基础则是建筑物地面以下的部分。

摩天大楼的出现得益于19世纪的两大发展：钢骨架结构和旅客升降机。钢，作为一种建筑材料，源于1885年贝色麦转炉的引入。Gustave Eiffel（1832-1932）将钢结构引入法国。1889年巴黎展览会的塔和他为Galerie des 机械的设计表现了钢结构的灵活性。艾菲尔铁塔高984英尺（300米），是人类建造的最高的结构，直到40年后才被美国一系列的摩天大楼超越。

第一个升降机是在1857年被Elisha Otis安装于纽约的一幢百货公司。在1889年，Eiffel在艾菲尔铁塔上安装了第一个大尺寸的升降机，它的水力升降机能在一个小时内运送2350个旅客到达顶点。

承重框架。直到19世纪晚期，建筑物外墙被用作支承楼板的承重墙。这种结构本质上一种梁柱模型，并且仍然被用于房屋框架结构。

承重墙结构由于需要巨大的墙厚而限制了建筑物的高度。例如，芝加哥建于19世纪80年代16层的Monadnock大厦，较下层的楼板下的墙厚达5英尺（1.5米）。在1883 年，William Le Baron Jenney (1832-1907)采用铸铁柱支撑楼板的方式以形成笼状结构。由钢梁和钢柱组成的骨架构造最早用于1889年。由于骨架构造，围墙变成一个“幕墙”，胜于起支撑作用。砖石一直被用作幕墙材料，直到20世纪30年代，轻金属和玻璃幕墙开始被使用。在钢结构引入后，建筑物的高度持续快速地增加。

在二次世界大战前，所有的高层建筑都是采用钢结构。战后，钢材的短缺和混凝土质量的改良导致钢筋混凝土高层建筑的出现。芝加哥的Marina塔(1962)是美国最高的混凝土建筑。它的高度达588英尺(179米)，被伦敦的高达650英尺（198米）的邮政大厦和其他塔式建筑所超越。

关于摩天大楼构造观点的转变恢复了承重墙的使用。在纽约城由Eero Saarinen于1962年设计的哥伦比亚广播系统大楼，有一个由5英尺（1.5米）宽，相邻柱的中心距为10英尺（3米）的混凝土柱组成的环形墙。这个环形墙实际上有效地组成了一个承重墙。产生这种趋向的一个理由是，采用建筑物的墙壁作为一个筒体，可以非常经济地获得起到抗风作用的足够硬度。世界贸易大厦是这种筒体方法的另一个例证。相反地，刚性框架或垂直的桁架通常被用于提供侧向稳定性。

外壳。建筑物的外壳由透明元素（窗）和不透明元素（墙）所组成。尽管塑料正在被使用，窗传统上还是使用玻璃，特别是在学校，破损产生了一个维护问题。用于覆盖结构并由结构支撑的墙元素由多种材料建造：砖，预制构件，混凝土，石，不透明玻璃，塑料，钢和铝。木主要被用于房屋建筑，由于有火灾的危险，它通常不用于商业，工业和公用建筑。

楼板。建筑物中楼板的构造依赖于所使用的基本结构框架。在钢结构中，楼板或是搁置在钢梁上的混凝土板，或是表面附有混凝土的波状钢组成的凹板。在混凝土结构中，楼板或是搁置在混凝土梁上的混凝土板，或是一系列顶端有一个薄板双向都近距离排列的混凝土梁，在其下部提供了一个多余的空间。这种类型的板的使用依赖于支撑柱或墙间的跨度和空间的功能。例如，在公寓中，当墙和柱的间距在12英尺到18英尺（3.7米到5.5米），最常用的结构是无梁的实心混凝土板。这种板的下部可以用作其下层空间的天花板。办公大楼中常使用波纹钢楼板，这是因为波纹钢楼板的波纹当由另一块金属板盖上时，可以形成电话线和电线通道。

机械和电力系统。一个现代建筑不仅包括它所需要的空间（办公室，教室，公寓），还包括帮助提供舒适环境的机械与电力系统的辅助空间。在摩天办公大楼中，这些辅助空间可能构成总建筑面积的25%。在办公大楼中，供暖，通风，电力和卫生管道系统的重要性体现在工程预算的40%被分配给它们。因为使用带有不能开窗的密封性建筑屋的增加，精细的机械系统被用于通风和空调。渠道和管道携带来自中央风扇室和空气调节机的新鲜空气。悬吊在上部楼板结构下面的天花板，隐藏着管道系统，还包含照明设备。用于动力和电话通讯的电力配线，也被安置在天花板空间内，或被埋置在楼板结构中的管道内。

已经有种种尝试将机械和电力系统通过坦白地表达它们以合并到建筑物的建筑学中。举例来说，在爱荷华州首府得梅因的美国共和保险公司大楼（1965），管道和楼板结构以一种有组织和优雅的形式暴露在外，用吊顶进行分配。这种方法使得减少建筑物的花费成为可能，并且可以允许改革，例如在结构的跨度方面。

地基与基础。所有的建筑物都支撑在地面上，因此，土体的性质成为任何建筑设计中极端重要的考虑因素。基础的设计依赖于许多土体的要素，如土的类型，土壤的层理，土层的厚度和它的压缩性，以及地下水的状态。土壤很少有一个单一的成分。它们通常是不同厚度土层的混合物。为了评估，土壤被按照颗粒大小分为不同等级，它们从淤泥到粘土到砂到砂砾到岩石依次增加。大体上，较大颗粒土的负载能力将会强于较小的一些。最硬的岩石可以高达每平方英尺100吨（每平方米976.5公吨）的负载，但是最软的淤泥所能承受的负载只有每平方英尺0.25吨（每平方米2.44公吨）。所有表面以下的土都处在受压状态中，说得更精确一些，这些土承受与作用在其上的土柱重量相等的压力。许多土（除了大多数的砂和砾石以外）显示出弹性性质——在荷载作用下受压变形，当荷载解除后可以回弹。土壤的弹性常常依赖于时间，也就是说，土的变形可能发生在荷载作用后从数分钟到数年的时间长度上。超过一个时段，如果建筑物作用在土体上的负载高于土的天然压实重量，它可能产生沉降。相反地，如果建筑物作用在土体上的负载小于土体的天然压实重量，它可能隆起。土也可能在建筑物自重作用下产生流动，就是说，它很容易被压挤出。

由于压实和流动效应，建筑物趋向于沉降。例如比萨和博洛尼亚的斜塔，不均匀沉降能产生破坏效果——建筑物可能倾斜，外墙和隔墙可能产生裂缝，窗户和门可能够变得不起作用，并且极端的情况是建筑物可能倒塌。尽管在某些极端条件下，像墨西哥城的情况，能产生严重的后果，但是不均匀沉降并不是那么严重。过去100年以来，那里地下水水位的变化已经使一些建筑物沉降超过10英尺（3米）。由于这种运动能发生在施工工程中和其后，仔细分析在建筑物下土的行为显得非常重要。

土的巨大的可变性导致基础问题多样的解决方法。在地表附近存在坚硬土时，最简单的解决方法是把柱放置在一个小的混凝土板上（扩展基底）。土较软的地方，有必要将柱荷载传递到一个较大的面积上，在这种情况下，则在整个建筑物底下采用连续的混凝土板（筏或席）。地表附近的土体不能承载建筑物重量时，木制，钢制或混凝土制桩被打入以加固土体。

建筑物的施工工程自然是从基础到上部结构。但是，设计工程则是从屋顶到基础（沿重力的方向）。过去，基础不依照系统调查。科学设计基础的方法已经在20世纪内得到发展。美国Karl Terzaghi的先锋研究，利用土力学和探测及测试程序技术，使精确预报基础的行为成为可能。过去基础的破坏，像经典的例子——比萨斜塔，已经变得几乎不存在。然而，基础仍然是许多建筑物一个隐藏而昂贵的部分。

第四课 高层建筑

Fazlur Rahman khan大体上建筑施工工艺学方面已经有许多进步, 在超高层的设计和施工上已经取得了惊人的成就。

高层建筑早期的发展开始于钢结构。钢筋混凝土和薄壳筒系统已经经济而竞争性地被用于大量的住宅和商业目的的结构。由于新型结构系统的创新和发展，现在从50到100层的高层建筑遍布全美国。

更大高度的要求增加了梁柱的尺寸以使建筑物刚性更强，以便在风荷载作用下建筑物将不会产生超过一个可接受限度的摆动。过度的侧移可能导致隔墙，天花板和其他建筑细部的重复性损害。此外，过度侧倾可能使建筑物的居住者因为对摆动的知觉而导致不便。钢筋混凝土和钢结构系统，能充分利用整个建筑物固有潜在的劲性，因而不需要额外加劲以限制侧倾。

例如，在一个钢结构中，经济性由建筑物房屋面积每平方英尺钢的全部平均数量来定义。图一中的曲线A采用层逐渐增加的数量表现传统框架的平均单位重。曲线B则表现框架受到所有横向荷载保护下的平均钢重量。上下边界之间的间隙则表现传统梁柱框架为高度付出的额外费用。结构工程师已经发展了可消除这一额外费用的结构系统。

钢结构体系。因为一些类型的结构改革，钢高层建筑物得到了发展。此改革被用于办公大楼和公寓的建造。

带有刚性带式桁架的框架。为了将一个框架结构的外柱约束于内部的垂直梁架,可能在建筑物中部和顶部采用一个刚性带式桁架的系统。这一系统的最好例证是在密尔瓦基的威斯康辛州第一银行建筑物 (1974)。

框架筒体。只有当建筑物突出地面的所有的柱构件能够彼此连接使整个建筑物成为一个空心筒体或一个劲性箱体时，一幢高层建筑的整个结构才能最有效。这种特殊的结构体系第一次大概是用于芝加哥的43层楼高的德威特栗木钢筋混凝土公寓。而这一系统最重要的应用是纽约的110层楼高的世界贸易中心的钢结构双塔。

对角柱桁架支撑筒体。建筑物的外柱可以被适当的分隔却仍能通过在梁柱中线处交叉对角构件连接使之作为一个筒体而共同工作。这种简单而又极其有用的系统最早被用于芝加哥的约翰汉考克中心，其仅仅使用了传统的40层楼高建筑的用钢量

组合筒体（束筒）。由于对更大更高的建筑物的持续需求，框架筒和对角柱桁架支撑筒可能采用组合使用的形式以创造更大的筒，并仍可以保持高功效糖心vlog。芝加哥110层楼高的西尔斯瑞巴克总部有9个筒，由三排建筑物组合而成。一些个别筒体终止在建筑物不同的高度，证明了无限建筑可能性的结构观念。西尔斯塔高1450英尺（442m），是世界上最高的建筑。

薄壳筒体系。筒结构体系的发展提高了高层建筑抵抗侧向力（风和地震作用）和飘移（建筑物的侧向运动）的能力。薄壳筒使筒结构体系有了进一步的发展。薄壳筒的进步是利用（高层）建筑的外表面（墙和板）作为与框筒共同作用的结构构件，为高层建筑抵抗侧向荷载提供了一个有效的途径，而且可获得不设柱子，节省成本，使用面积与建筑面积之比很高的室内空间。

由于薄壳表面的作用，筒体的框架构件数量减少，使得结构更轻，费用更少。所有标准柱和外墙托梁都采用标准型钢，使得组合构件的使用和花费最小化。四周外墙托梁的深度要求也被减少，而且楼板上的顶梁对有用空间的占用会达到最小。这种结构系统已经被使用于 54 层楼高的匹兹堡的梅隆银行中心。

混凝土体系。虽然采用钢结构建造的高层建筑开始很早，但是钢筋混凝土高层建筑的快速发展在办公大楼和公寓方面对钢结构体系产生了很大的挑战。

框架筒体。由上面讨论到的，高层建筑最早的框架筒体概念应用于43层楼高的德威特栗木公寓。在这一建筑物中，外柱以中心距为5.5英尺（168米）的间隔排列，内柱则用于支撑8英寸厚的混凝土平板。

筒中筒。另一个用于办公大楼的钢筋混凝土结构体系是将内部框架筒体与传统的剪力墙工艺相结合。这种体系由间距很小的柱子构成的外框架筒与围绕中心设备区的刚性剪力墙内筒组成。这种被称为筒中筒的体系使设计目前世界上最高（714英尺或218米），总费用只相当于传统35层楼高的剪力墙结构体系的轻型混凝土建筑（52层楼高的休斯顿的壳广场建筑）成为可能。

结合混凝土和钢的体系也得到发展，这方面的一个例子是由Skidmore, Owings 和 Merrill发展的复合体系。它是采用间距很小的混凝土外框架筒包围钢框架内筒组成，因此兼有钢筋混凝土和钢结构体系的优点。在新奥尔良的一个 52 层楼高的壳广场建筑便是以这一体系为基础。