三、优秀设计
1.优秀设计的内涵
优秀设计是指一项建筑工程的设计是优秀的，因此应该涵盖建筑工程的整体。
国家现行标准规定，民用建筑应符合适用、经济、安全、卫生和环保等基本要求。民用建筑设计除应执行国家有关工程建设的法律、法规外，尚应符合以下8个要求：一是应按可持续发展的原则正确处理人、建筑和环境的相互关系;二是必须保护生态环境、防止污染和破坏环境;三是应以人为本，满足人们物质与精神的需求;四是应贯彻节约用地、节约能源、节约用水和节约原材料的基本国策;五是应符合当地城市规划的要求，并与周围环境相协调;六是建筑和环境应综合采取防火、抗震、防洪、抗风雪和雷击等防灾安全措施;七是方便残疾人、老年人等人群使用，应在室内外环境中提供无障碍设施;八是在国家或地方公布的多级历史文化名城、历史文化保护区、文物保护单位和风景名胜区的多项建设，应按国家或地方制定的保护规划和有关条例进行。
国家标准的这些规定明确提出了一项建筑工程的设计除在建筑上有创意外，还应在使用功能上是合适的，与周围环境是协调的、更不能污染和破坏环境，在多种使用荷载作用下是安全的，施工安装是合理的，原材料和其他资源的使用是节约的，建筑造价是经济的。因此，一项建筑工程的设计是否优秀应予综合评定，包括综合规划、建筑、结构、施工、设备、造价等多个方面。但是，建筑工程的规划、建筑和结构设计是其中的关键环节，往往决定了其他方面的优劣。
2.国内外优秀高层建筑设计分析①帝国大厦
1931年建成的美国纽约帝国大厦102层、高381米。结构体系为钢框架结构。该大厦自下向上逐渐分段收缩，略呈阶梯形。为加强整个建筑物的侧向刚度，在中央电梯区的纵横向都设置了钢斜支撑，所用钢构件均用铆钉和螺栓连接。钢结构外包炉渣混凝土，以加强整个框架结构的侧向刚度。完工后对建筑物量测得到的频率估算表明实际建筑物的侧向刚度是裸露框架结构的4.8倍，以致1945年一架飞机撞进该大厦的78层～79层间时，仅造成局部建筑的毁坏，对全楼无致命危害。该工程用钢指标约206千克/平方米。
帝国大厦作为世界上早期的标志性高层建筑，是高层建筑发展中的一座里程碑，它保持世界最高建筑达40年之久。
②汉考克中心
1968年建成的美国芝加哥约翰·汉考克中心100层、高344米，是一座多功能(商业、办公、公寓)综合性大厦。结构工程师卡恩和建筑师格莱厄姆一起创造了一个合理的建筑体型和结构体系——对角支撑桁架型由下向上逐渐收缩的锥形筒体结构体系。这种独特的锥体塔楼在建筑上满足了不同的建筑功能需求，在结构上比普通的矩形筒体减小10%～30%的侧移，锥体4个外侧面上设置的5个半18层高的X型巨型钢支撑及联系支撑的巨型水平系杆和钢框架柱与裙梁结合，形成刚性桁架型筒体结构体系，使结构抗侧力能力显著提高。结构用钢指标仅为145千克/平方米，比37年前建成的帝国大厦的钢框架结构降低了约30%。
汉考克中心是“用结构美表现建筑美”的典范，其结构与建筑协作的成果体现在这个基于理性和自然规律的建筑艺术表现中，更重要的是著名结构设计师卡恩所提出的筒体设计概念，无论对钢结构还是钢筋混凝土结构都产生了深远的影响，使高层结构体系发展到一个新的水平。
③世界贸易中心
1973年建成的美国纽约世界贸易中心北塔417米、南塔415米，双塔地上均为110层、地下6层，是一个服务设施齐全的办公城。结构体系创新性地采用密柱深梁型框筒体系(外筒内框)。外筒平面尺寸为64米×64米，地面层处柱距为3.06米，至第9层一分为三，柱距为1.02米，柱与高度为1.32米的裙梁相连，形成犹如墙体一样工作的密柱深梁钢筒体。其内核心区可看作是由钢框架、斜支撑和电梯井筒组成的框架结构，承受重力荷载。从建筑上看，这种体系使得内部楼盖平面内可以相对地取消或减少立柱和支撑，增加了使用面积，室内空间布置的影响较小。从结构上看，它有比框架结构大得多的抗侧移刚度和抗扭刚度，承载能力也比框架结构大，而且结构形式上下统一，易于安装和施工。该工程用钢指标为186千克/平方米。
世界贸易中心采用密柱深梁的钢框架筒体作为结构的主要抗侧力体系，尽管这种体系存在剪力滞后等不足之处，并于2001年9月11日遭恐怖分子袭击而倒塌。但这种创新的体系在当时仍是一场高层建筑结构设计的革命，并且在建筑技术上的创新也是前所未有的。它首次进行了模型风洞试验，首次采用了压型钢板组合楼板，首次在楼梯井道采用了轻质防火隔墙，首次用粘弹性阻尼器减轻风振动效应等，这对后来的高层建筑结构的设计和建造都具有重要的参考价值。
④西尔斯大厦
1974年建成的美国西尔斯大厦110层、高443米，被公认为当时世界第一高楼。设计者美国SOM公司设计该大厦的一个重要概念是：“要从建筑的外观上充分表现它的结构和平面”。在这个设计概念指导下，设计者将9个尺寸相同的22.86米见方的单独筒体组合在一起，两相邻筒共用一组立柱和深梁的框架方格，形成新的结构体系——成束筒结构。该成束筒的各个筒体是在不同高度处截断的，形成一组阶梯型的体量。从建筑上看，在使用上满足了要求较小楼面租赁客户的需要，在外观上从不同角度都能看到变化的景观和天际线。从结构上看，成束筒结构是一组筒体，有共同的内筒臂相互连接，使它在侧向荷载作用下的剪力滞后效应大大减小，各内柱受力的不均匀性也大大减小，因而它的抗侧力刚度大于单框架筒，抗剪切和抗扭转能力都大大加强，它建造的高度比单个框筒更高;成束筒的各个筒格可以在不同高度处截断而不削弱结构的整体性，使结构受扭荷载可以容易地为各筒格的封闭形式所抵抗，并使建筑物顶部所受的风荷载大大减小。这种有效的结构体系使得大厦的用钢指标约161千克/平方米。
西尔斯大厦在建筑外观上从不同方向，呈现各不相同的形态，并满足了空间和美学两方面不同的需要，突破了一般高层建筑对称的造型手法。更重要的是结构工程师卡恩(FazlurKhan)为解决高层建筑的关键性抗风问题，提出了束筒结构体系的概念并付诸实践，使筒体结构体系又发展到一个新的层次。西尔斯大厦同样是建筑造型与结构创新相结合的典范。(待续)
沈祖炎系中国工程院院士、同济大学教授
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