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19世紀(jì)80年代起，在鋼材冶煉和電梯技術(shù)的發(fā)展推動下，美國掀起了的第一次高層建筑熱潮。 1931年落成的紐約帝國大廈EmpireState Building采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，共計102層，達(dá)到381m的高度。1951年增加了天線后總高度達(dá)到443.2米。 帝國大廈,1931年,結(jié)構(gòu)設(shè)計SOM 帝國大廈基本代表了框架和框架支撐結(jié)構(gòu)體系的極限高度，被稱為“建筑之王”。在1931~1972年期間，它保持世界最高摩天大樓的紀(jì)錄，長達(dá)41年。 之后Fazlur Khan、Leslie Robertson提出并且完善了框架筒體、桁架筒體、束筒的結(jié)構(gòu)體系，使人類能夠以經(jīng)濟(jì)合理的造價突破400米的建筑高度，開創(chuàng)了高層建筑的新時代。
舊金山美國鋁業(yè)公司大廈（1967年） 芝加哥漢考克中心，1969年 漢考克中心的四個立面上，各設(shè)置了5個半18層高的X型鋼支撐，節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了水平系桿。外框柱、斜撐、橫梁形成巨大的外圍桁架筒體，具有高效的抗水平力性能。結(jié)構(gòu)受力骨架清晰地融入建筑表達(dá)中，豎向承重體系和抗側(cè)體系簡潔清晰。 在20世紀(jì)下半葉，絕大多數(shù)的超高層建筑會選擇框架筒體、桁架筒體的結(jié)構(gòu)體系。直到21世紀(jì)初，斜交網(wǎng)格(Diagrid Structure)作為一種新穎的高層鋼結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)，在建筑表現(xiàn)和結(jié)構(gòu)抗側(cè)效率兩方面統(tǒng)一。典型的案例有瑞士再保險總部大廈、廣州電視塔、廣州西塔、北京保利國際廣場等。 北京保利國際廣場，2016 追溯:斜交網(wǎng)格 舒霍夫塔Shukhov Tower，1919 如果追溯斜交網(wǎng)格高層/高聳結(jié)構(gòu)的歷史，最早的案例大概是“舒霍夫塔Shukhov Tower”。 舒霍夫和他設(shè)計的斜交網(wǎng)格殼塔 (1919年) Vladimir Shukhov (1853～1939)，被同時代的人稱為“俄國第一工程師”。舒霍夫是梁、殼和膜體系在彈性理論下的應(yīng)力應(yīng)變實用數(shù)學(xué)分析方法研究的先驅(qū)。他創(chuàng)造性的發(fā)展了雙曲殼塔、網(wǎng)狀殼體、以及儲油罐、輸油管、工業(yè)鍋爐塔架、船只和駁船等各種各樣的結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)然，他最為著名的是，時至今日很多依然屹立在俄羅斯大地上的“舒霍夫”雙曲殼塔。 舒霍夫塔采用斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，分節(jié)呈雙曲曲面形態(tài)，更增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，被用作水塔、信號塔、輸電塔等。建成百年后，仍屹立不倒。 IBM辦公大樓，1963年 于1963年建成的的IBM辦公大樓，是第一座采用斜交網(wǎng)格體系的現(xiàn)代高層建筑，共13層，高度58米。[現(xiàn)改名為“United Steelworkers Building”] IBM 大廈，1963年，結(jié)構(gòu)設(shè)計LERA 斜交網(wǎng)格構(gòu)成的外筒結(jié)構(gòu)暴露在建筑外面。建造過程中以不同的顏色標(biāo)記構(gòu)件截面，可見在支座周邊的構(gòu)件截面較大。
幕墻和結(jié)構(gòu)均遵循模數(shù)設(shè)計，便于施工安裝 瑞士再保險總部大廈，2003 年 2003 年建成的瑞士再保險總部大廈位于英國倫敦，綽號“小黃瓜”。由諾曼·福斯特設(shè)計，是一個優(yōu)美而講求高科技的杰作。
大樓采用圓形平面，外形像一顆子彈。呈雙螺旋形態(tài)的斜交網(wǎng)格是最主要的結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件。它被高層建筑CTBUH理事會選為21世紀(jì)第一個10年作品獎，同時也開啟了斜交網(wǎng)格超高層結(jié)構(gòu)的新紀(jì)元。
大樓首層入口
雙螺旋形塔冠 瑞士再保險總部大廈的幕墻分格與斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)貼合，直接支承在主體結(jié)構(gòu)上。曲線形的建筑可使周圍氣流平緩地通過，氣流被建筑邊緣鋸齒形布局的內(nèi)庭幕墻上的可開啟窗扇所“捕獲”(開戶窗位于深色幕墻條帶區(qū))，幫助實現(xiàn)自然通風(fēng)。
布置在深色幕墻條帶區(qū)的開戶窗，有助通風(fēng) Parada 青山店，2003年 同樣于2003年落成的Parada青山店，是瑞士建筑師 Herzog在日本的第一個設(shè)計作品，吸引了建筑界的特別關(guān)注。
Parada青山店，2003年 建筑表面以規(guī)則的菱形網(wǎng)格覆蓋，其結(jié)構(gòu)、幕墻和空間是一體化設(shè)計的。無論整體還是細(xì)部，都呈現(xiàn)出水晶般的外觀。
▲如水晶般奢華的幕墻
▲菱形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)師將所有構(gòu)件設(shè)計為統(tǒng)一的150x250mm，基本采用H形截面，局部用了箱形截面。再根據(jù)網(wǎng)格受力大小，調(diào)整鋼板的厚度分為7種，最厚鋼板達(dá)60mm。
結(jié)構(gòu)體系:網(wǎng)格外殼、水平拉梁、芯筒、基礎(chǔ)隔震 整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系，由中間的芯筒和網(wǎng)格外殼組成，建筑室內(nèi)不設(shè)立柱。建筑局部設(shè)1層地下室，并在地下室以下做了基礎(chǔ)隔震設(shè)計，以進(jìn)一步減少上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。
▲ 包裹防火涂料后的菱形網(wǎng)格
斜交網(wǎng)格的受力特點(diǎn) 斜交網(wǎng)格環(huán)繞建筑外表面, 替代了傳統(tǒng)上的垂直柱與斜向支撐。與框架支撐體系的“框架和支撐分別承受豎向力和水平力”不同，斜交網(wǎng)格同時承受豎向和水平荷載，對結(jié)構(gòu)性能的影響各有利弊。引用文獻(xiàn)1中的算例分析結(jié)果表明： 1）豎向荷載作用下，斜桿受軸壓力、樓層梁受拉力很大，且隨著樓層自上而下逐漸增大，大于常規(guī)框架外筒結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，有較大的豎向壓縮變形和外鼓變形趨勢。
北京保利國際廣場大廈，斜桿軸力圖 2）水平荷載作用下，斜交網(wǎng)格具有巨大的抗側(cè)剛度。在文獻(xiàn)1的算例中， 其總體抗側(cè)剛度是支撐框架的1.48~ 2.8 倍，是密柱深梁框架的1.68~ 10.4 倍。 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度主要由斜桿與樓層梁組成的幾何不變體系提供，受斜桿截面面積的影響最大, 與慣性矩、桿端約束形式的關(guān)系很小。但是這種剛度的優(yōu)勢隨高寬比的增大而減小；當(dāng)高寬比為6 時, 其剛度與支撐框架接近。
北京保利國際廣場大廈，抗側(cè)受力示意 3）斜交網(wǎng)格筒體具有很明顯的空間作用特性。環(huán)梁內(nèi)自平衡的環(huán)箍拉力和徑向梁的拉力共同抵抗高層結(jié)構(gòu)的外鼓趨勢。 平面形狀柔和的布置, 可以減小垂直荷載下的桿件內(nèi)力。而對于建筑平面是有明顯轉(zhuǎn)角的三角形或四邊形時，采用斜交網(wǎng)格體系時必須非常小心。
廣州西塔：斜交網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)層設(shè)環(huán)梁和體外預(yù)應(yīng)力 4）耗能能力：在水平推覆力的作用下，主要構(gòu)件均為軸向受力構(gòu)件。在受壓狀態(tài)下，桿件因失穩(wěn)而屈曲，承載能力將迅速降低而退出工作。 提高斜桿受壓抗震性能(延性和耗能)的有效途徑有，減小斜桿長細(xì)比、采用受壓延性較好的鋼管混凝土、或沿用BRB支撐的概念設(shè)計關(guān)鍵的斜桿等。 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)因其出色的抗側(cè)剛度，適用于以承受風(fēng)荷載為主( 包括臺風(fēng)) 的低烈度設(shè)防區(qū)。而在較高烈度地震設(shè)防區(qū), 其延性和耗能能力較弱，必須對其大震下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行謹(jǐn)慎研究。 關(guān)于斜交網(wǎng)格的豎向壓縮變形問題。Parada青山店結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對比了如下幾種解決方案： a.不采取措施的菱形網(wǎng)格在重力下壓縮約50cm； b.在建筑四角加柱能夠有效減小壓縮變形； c.利用每個樓層的水平梁拉結(jié)，梁內(nèi)軸力較大，但影響局部樓層挑空； d.拉結(jié)三道水平梁，梁內(nèi)軸力巨大。
基于建筑布置和效果，最終選用了方案d。即使有三道水平梁拉結(jié)，結(jié)構(gòu)頂層的壓縮量仍有30mm。施工放樣時，將每層格子提高約3mm，以保證在完成后的建筑形態(tài)，給設(shè)計施工帶來巨大挑戰(zhàn)。
廣州電視塔,2010 廣州塔又稱“小蠻腰”，由一座高達(dá)454m 的主塔體和一個高146m 的天線桅桿構(gòu)成，總高度600m，為高聳結(jié)構(gòu)，作為廣州市的標(biāo)志性建筑屹立在中軸線的珠江南岸。
廣州塔，2010年，結(jié)構(gòu)設(shè)計Arup&廣州市院 在塔身2/3高度處(278.8m)結(jié)構(gòu)收緊，腰部最小為20.65mX27.5m，塔底到頂高寬比為7. 5，形成兩端大、中間小的“細(xì)腰”型。 廣州塔建筑體型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)體系特殊，鋼結(jié)構(gòu)外筒腰部纖細(xì)、桅桿與主塔的連接、內(nèi)外筒連接的薄弱部位、外筒柱透空區(qū)的穩(wěn)定、溫度效應(yīng)特殊性等等，均給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。
外筒由24 根鋼管混凝土斜柱、46道圓環(huán)、46圈斜撐組成，內(nèi)筒為橢圓型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。由底至上分為5個功能段和4個透空區(qū)，共39個樓層。
外筒柱形成的平面呈橢圓形 從底層到頂層平面，橢圓順時針轉(zhuǎn)45° 外筒的斜柱、斜撐和環(huán)桿節(jié)點(diǎn)中心并不相交于一點(diǎn)。設(shè)計中采用斜柱和斜撐中心相交，而環(huán)桿與從斜柱伸出的水平牛腿連接的方法。
為使外伸梁與外筒斜柱的連接實現(xiàn)真正鉸接，釋放彎矩和轉(zhuǎn)角變形，梁端與外筒斜柱的連接采用萬向鉸節(jié)點(diǎn)。 廣州塔的主要計算指標(biāo)
廣州國際金融中心（廣州西塔）, 2010 廣州西塔高440米，共有103層。項目外形如“通透水晶”，最外層為雙曲面玻璃幕墻，菱形斜交網(wǎng)格柱的獨(dú)特立面造型。
廣州西塔，2010，SOM&華南理工設(shè)計院 結(jié)構(gòu)上采用鋼管混凝土柱斜交網(wǎng)格外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的筒中筒體系。外筒主要以軸力來抵抗水平荷載引起的傾覆力矩，基底剪力大部份由鋼筋混凝土內(nèi)筒承擔(dān)。 鋼管混凝土斜交網(wǎng)格外筒與混凝土內(nèi)筒，分擔(dān)的豎向荷載分別為43％和57％；基底剪力分別為39％和61％；總傾覆力矩分別為61％和39％。 斜交網(wǎng)格外筒的豎向剛度比較差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向壓縮變形和水平外鼓變形，廣州西塔最大豎向變形137mm，給設(shè)計和施工均帶來很大挑戰(zhàn)。
豎向荷載作用下外筒彈性變形圖
斜交網(wǎng)格柱的豎向變形：彈性形變、徐變
剪力墻的豎向變形：彈性形變、徐變、收縮 與框筒結(jié)構(gòu)不同，斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的彈性形變占比大 廣州西塔采取了外框筒環(huán)梁+拉梁+核心筒內(nèi)閉合環(huán)梁構(gòu)成的獨(dú)立的平面內(nèi)抗拉體系。
結(jié)構(gòu)平面布置圖 為了進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)層抗拉體系的安全儲備，在斜桿交點(diǎn)的樓層施加了體外預(yù)應(yīng)力，采用1860級高強(qiáng)低松弛鋼絞線。預(yù)應(yīng)力使得樓層內(nèi)產(chǎn)生沿徑向的壓力，大幅減少了環(huán)梁、拉梁及核心筒連梁的拉力。
對比實體單元和桿單元模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的性能差異
節(jié)點(diǎn)分析：斜桿、環(huán)梁、樓面拉梁，節(jié)點(diǎn)板加強(qiáng)
風(fēng)荷載作用下外筒斜交網(wǎng)格軸力分布圖 震動臺試驗表明：結(jié)構(gòu)模型在7度罕遇地震作用后基本保持彈性，8度罕遇地震作用后，自振特性有微小變化，說明模型稍有損傷，最大層間位移角為1/133。
北京保利國際廣場，2016 北京保利國際廣場塔樓，多褶面設(shè)計靈感源自于中國傳統(tǒng)的折紙燈籠，交叉網(wǎng)格線環(huán)布建筑表面，為北京的天際線增添了一道獨(dú)特的風(fēng)景。
折紙燈籠的方案概念
塔樓采用鋼管混凝土斜柱構(gòu)成的斜交網(wǎng)格外筒 + 鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒的筒中筒結(jié)構(gòu)體系。交叉網(wǎng)格外筒的剛度巨大，使得內(nèi)部布置自由度更大。但交叉網(wǎng)格外筒的延性不如常規(guī)框架體系，體系的屈服機(jī)制和耗能能力不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在高烈度區(qū)的抗震設(shè)計難度更大。
施工照片：網(wǎng)格為圓管截面外包裝飾板
建成實景與施工過程照片 在斜桿相交的節(jié)點(diǎn)樓層，外環(huán)梁除承擔(dān)本層樓面荷載外，還起到環(huán)箍效應(yīng)而軸向受拉。而其它樓層則通過吊掛方式，樓蓋與網(wǎng)格斜柱不連接，以釋放變形和內(nèi)力。 以玻璃封閉的鋼制外骨架只是兩層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的外層。內(nèi)部的第二層玻璃外圍構(gòu)成高達(dá)120米（400英尺）的中庭空間，幾乎是這座31層摩天大樓的總體高度。該中庭空間可以調(diào)節(jié)室外的極端溫度，使建筑的整體能耗降低23%，碳排放降低18%。
大廈挑空中庭
大廈塔冠效果圖
深圳農(nóng)村商業(yè)銀行 SOM 大廈采用外部鋼斜交網(wǎng)格，讓人聯(lián)想到銀行的Logo。斜交網(wǎng)格與立面之間保持距離，從而提供靈活的無柱室內(nèi)辦公空間，同時兼具遮陽功能。預(yù)期2019年竣工。
深圳農(nóng)村商業(yè)銀行總部 低區(qū)入口 Hearst Tower, 2006
Atlas Building,2006
Tornado Tower,2008
Capital Gate,2011
Lotte Super Tower, SOM
One Shelley Street, 2012
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