在纽约下曼哈顿地区9.11事件被毁的世贸中心原址，目前按新规划将建造4幢高层建筑，首先建造的1号楼（1WTC）正在施工，其主要屋盖标高与被毁双塔的屋盖标高相同，都是1368ft（417m），但上部有高408ft (124m)的塔尖，其顶部标高达1776ft（541.5m），已被《高层建筑和居住房屋学会》（CTBUH）宣布为西半球的最高建筑。由美国SOM建筑事务所设计。

这一代表性高度在很大程度上是一种挑战和机遇，在结构上是重大考虑。大家知道，2001年屋盖标高与此相同的双塔在9.11事件中倒塌，在世界工程界引起了很大争议——今后超高层建筑设计需吸取这次教训，采取减小撞击后果的战略措施——这是未来建筑法规在安全方面面临的首要问题，但以往标准对此尚未做出任何规定。设计者清醒地意识到，该塔楼的设计可能为未来高层建筑树立一个标准，这使得对其设计的思考要超出通常高层建筑的设计，所以其体系值得特别关注。

1 工程概况

该工程规划的建筑面积为300万ft²（28万m²），地下部分为4层，其建筑面积为50万ft²（4.65万m²）。地下底层的某些部分要为地铁通过留出空间，需重新进行布置。塔楼的办公区为71层、机电设备层（MEP）为8层。门厅高50ft（15.24m），在标高1269ft （387m）处设有二层瞭望平台的客房娱乐区，设有太空餐厅、公园、零售商店和公用电梯通道。塔楼向地面以下延伸70ft（21.3m），达地下4层，底层基底有地铁通过。

（摄 影：Iwan Baan + James Ewing）

塔楼采用混合结构，中部为混凝土核心筒，周边为延性钢框架，塔楼的中部是支承重力荷载和抵抗风荷载和地震力的主要部分。核心区是用正交方向的剪力墙隔开的，核心区大致为正方形，底部边长110ft（33.5m），可以承受房屋自重，其中设置机房和管道。剪力墙连梁用宽翼缘H型钢，将孔口两侧的墙连成整体。为了提高结构的赘余度和结构在风和地震作用下的整体性，周边框架采用了框筒体系。

塔楼底部为边长205ft（62.5m）的正方形，自地面以上90ft（58m）处向上算起的4层，在主门厅之上为机房。体型上将其四角逐渐“切除”，从办公区的首层缓慢向内倾斜，顶部成为边长145ft(44m)的正方形，但在平面上转了45°。塔身表面由八个拉长的三角形组成，塔楼的半高截面为正八边形。这种多边形的变截面塔身不仅可与项目要求的总面积相协调，其空气动力学外形还减小了塔楼的风荷载。纽约位于沿海地区，那里的高层建筑设计通常由风荷载控制，该工程的风荷载是按1000年一遇设计的。

左：钢框架用了约45000t钢结构

右：塔楼的总高度（包括塔尖）为1776 ft，主要屋顶高度与原世贸中心的高度（1368 ft）相同

塔楼坐落在曼哈顿红色基床上，采用筏式基础和条形基础，地基承压力60t/ft²以上。由于受附近现有地铁线路的空间限制，有些地方需要开挖到更深的基岩，使其地基承压力达到114t/ft²。为了承受罕遇风荷载下的抗倾覆力，还打了不少80ft（24.4m）长的岩石锚杆。

地铁通过原先世贸中心框筒地下部分基坑的西部，该基坑开挖至基岩，为了防水，周边构筑了注浆墙。为了在施工过程中不影响地铁通行，施工方案成了结构地下部分设计中的一个大问题。将塔楼的有些柱子由地铁轨道上移开时，设置了临时性钢框架，并将其与跨越地铁线路的桥架结构连成一体，以便支承混凝土楼板。

塔楼的稳定体系因地下部分埋深较大而得到加强。由于是混合结构。核心是坚实的混凝土，由钢筋混凝土梁、楼板和剪力墙组成。核心区墙体起塔楼主要脊柱的作用，既承受重力荷载，也承受风力和地震力。核心区大致呈正方形，其底部进深110ft(33.5m)，作为建筑本身已足够大，其中设置了机房和各种用途的管路。核心区以外采用支承在钢梁上的压型钢板混凝土组合楼板。墙体孔口之间的连梁用宽翼缘H型钢，周边采用延性框架，使结构具有赘余度，进一步提高了结构在水平风力和地震力下的整体性能。

塔楼是下大上小的（多边形）棱柱体，为了进一步提高体系对水平力的抗力，上部设备层在正交方向设置了组合箱形截面的伸臂桁架。周边框架和核心筒放在一起，使世贸中心1号楼与单独采用其中任一种体系相比具有更高的安全性。

（摄 影：Iwan Baan + James Ewing）

2 施工特点

核心区的混凝土梁和楼板用现浇混凝土和平板楼板，核心区以外的楼板用组合楼板，与支承钢梁间用栓钉连接。核心筒和周边钢框架之间的无柱楼板区，最大跨度达47ft（14.3m），可提高施工效率、也可提高出租时的灵活性。

混合结构最常用的施工顺序是先用滑模打筑混凝土核心筒，然后安装周边钢框架，但在纽约的新工程中不采用这种方法。该工程的施工顺序是先安装楼层所有钢框架，包括核心筒内的，然后再打筑混凝土。核心筒内的钢框架主要是安装体系，是埋在混凝土墙中的。结构施工分为4个步骤：钢框架、金属楼板和核心筒外的混凝土、核心筒混凝土剪力墙、核心筒内混凝土楼板。核心筒外缘要设置宽翼缘钢环形梁，以便在楼板和核心墙之间保持间隙，这是模板提升时需要的。每8~12层按上述顺序作业。

该施工顺序是结构设计的关键方面，因为它不仅影响不同构件间的连接方法和构造，特别是在混凝土核心筒墙和相邻部位之间，也会影响塔楼的轴向缩短及其计算方法和施工的补偿。在混合结构中，由于材料性能的差异，例如，钢和混凝土的弹性变形、徐变和收缩效应的差异，轴向缩短显得更重要。

为了指出混凝土核心墙和周边钢框架在先后施工时预期的变形，对轴向缩短进行了研究。核心筒中的钢柱在外包混凝土之前的缩短应仔细考虑，目的是在楼层施工完毕后应保持理论标高。为了补偿此缩短，承包商应调整周边钢柱与中心混凝土墙的标高差，对它们采用不同程度的增长。对于钢结构，可以在制作时将柱子加长一点，或在现场按时加垫片，或在两者同时采用。

（摄 影：Iwan Baan + James Ewing）

3 回顾

塔楼结构是按2003的IBC进行风荷载设计的，考虑了纽约地区的风荷载情况。进行了一系列风洞试验，较准确地确定了风荷载、塔楼对龙卷风的反应以及对人体的舒适度。在不同阶段，在Rowan Williams Davies & Irwin 风洞实验室进行了高频力的平衡（HFFB）和空气弹性试验，也考虑塔尖的空气动力学试验和空气弹性试验。风洞试验考虑了周围环境的影响。鉴于1号楼完工时，2~4号楼也许还没有完工，在办公楼最高层可能会遇到人体舒适度问题，结构设计也考虑了千年一遇的风暴。

世贸中心1号楼已于2013年12月建成，虽然今年还没有开放。该塔楼采用很多工程上的创新，其中的一些已在这里介绍。该工程是众多设计和施工团队经多年的共同努力的结果，这幢标志性塔楼重新确立了下曼哈顿地区的超群和卓越，也标志着国家的精神面貌和创造力。

（摄 影：Iwan Baan + James Ewing）

本文由蔡益燕译、郁银泉校；原文来源于：Modern Steel Construction。

蔡益燕：教授级高工，中国建筑标准设计研究院钢结构所原顾问总工。

郁银泉：教授级高工，全国工程勘察设计大师，中国建筑标准设计研究院副院长兼总工。

参考文献：

AISC《Modern Steel Construction》，2014, Feb. & May.

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