纽约时报大厦的建筑特色与结构设计挑战

纽约时报大厦具有时尚的现代都市广场气息及丰富的文化体验。从2007年建成至今。一直是纽约的一个重要地标。它是Renzo Piano建筑事务所、Fox&Fowle建筑事务所与开发商Forest City Ratner公司及大厦业主纽约时报共同合作的结果。结构设计由宋腾添玛沙帝工程顾问有限公司（Thornton Tomasetti，Inc.简称TT公司）完成。建筑设计中需要考虑业主和设计团队的需求，同时寻找创新和效率的平衡，这些给结构工程设计带来了很多挑战。

Renzo Piano建筑事务所采用具有创造性的欧洲风格的建筑设计，并融合了熟悉纽约当地的设计规范及实践和Fox&Fowle建筑师的经验。外露的钢结构是纽约时报大厦的一大亮点，它融合了外观的美感，同时注重结构的合理性、制造安装的实用性。结构设计主要面临的挑战为如何在满足建筑设计要求的前提下，使外部结构的连接能够满足美学要求和施工需要，以及应对温度影响下外部结构的变形需求。本文将在阐述其建筑设计的基础上，重点讲述纽约时报大厦的结构设计。

1.建筑设计理念

建筑的主要设计概念为亮度与比例的表达。建筑师们致力于创造建筑整体的透亮感，整个建筑越到屋顶越为透亮。建筑外墙由透明的玻璃及紧密相隔的陶瓷管组成，使建筑达到透亮感，这种透亮感幕墙延伸到屋顶及锥形塔尖直至天际。此外，该建筑还采用了很多独特的设计理念，比如体量、景观、光感与环境的融合，以及与街道其他建筑的相对关系，最终创造了一个开放的设计，让使用者产生一种被城市围绕的感觉。

设计的挑战主要是来自于太阳光对于建筑的照射。通常的做法是采用小玻璃或者是镀厚膜玻璃，但这会影响外面的人向建筑内观看和建筑内的人向外观看，因此建筑师采用陶瓷管的双面玻璃作为迎光面，从地板到屋顶的内墙采用水白色玻璃。由此，可以通过反射环境的光来增强城市的天际线，建筑幕墙的颜色会随时间、天气的变化而变化，也能够从街道上看到室内空间，这对于增加大堂的明亮度与空间的灵活性起到很大的作用。

为了适应迅速变化的媒体环境，工作空间设计非常灵活多变。大厦内整体空间开阔，布置很多会议场所鼓励部门内部以及部门之间的相互交流。楼梯位于建筑的角部，促进部门间的交流以及建筑内外的沟通。此外，建筑师通过散布电梯井的方式来开放大堂空间，使得超过约106m的大空间都是可见的。

在建筑与结构一体化的思想前提下，建筑师让一部分钢结构、梁和柱子暴露在外，而这些通常是不可见的。这些外露的结构增强了建筑立面的生动性，并衬托出了陶瓷管的亮度及可视性。

2.建筑可持续设计

2.1露天花园

纽约时报大厦采用了很多可持续设计，其中最突出的“绿色”设计是独特的露天花园。花园的四周都由玻璃环绕，种植了几株15m高的白桦树木，地面两种苔藓覆盖。还有优雅的木制天桥，成为繁忙市区中的一片绿洲。

2.2双层幕墙

为了减少热量进入建筑，建筑师在双层幕墙的第二层设计了水平的陶瓷管作为遮阳工具。双幕墙的采用使楼层全高使用超清玻璃成为可能，能够使空间的光线最好，也能使建筑外的人看清楚建筑内部的情况。陶瓷管通过全天反射光线、改变颜色提升了建筑整体的设计感。

2.3照明和阴影

通过与劳伦斯伯克利国家实验室和一流采光专家的合作，以及纽约州能源研究和发展管理局（NYSERDA）的财政援助，纽约时报公司创造了一个非常先进的、可调光的照明系统，同时也具备30%节能的动态遮阳系统。

通过日光采集，最大限度地利用自然光，电照明只是作为补充。整个照明系统中的18000多个电子镇流器（镇流器限制电路中流动的电流量）均在照明系统整合在一个独立的计算机芯片，可以单独控制。这意味着照明水平可以通过调节以满足不同的需求以达到最高效率。

遮阳系统通过采用太阳的位置以及庞大的传感器网络的输入决定提高或降低遮阳比率，一方面防止极强光进入产生晕眩感，另一方面在阳光较少的时候增加光线的通过。照明和遮阳系统的共同工作确保了建筑能够更有效地利用自然光。

2.4能源的共用

纽约时报大厦的所在地有一个利用清洁可燃烧天然气能源的联合电厂，能够提供时代广场40%的电力。此电厂在冬天为时代广场提供暖气，在其他时间段提供冷气。这是一个对比其他设备公司更有效的发电设备，其副产品热能被很好地利用。这种情况在纽约是十分特别的，因为很少在商业区的写字楼中有发电厂。

2.5地面通风

纽约时报大厦拥有一个多功能的、舒适且高效的地板送风系统，该系统不仅可以节省能源，也能确保有一个更舒适的温度调节。在寒冷的日子，可以用地板送风的余热来生成热空间。这是纽约市最大的地板安装系统。

3.结构系统设计

3.1结构平面布置

整个建筑分为两个部分，52层高的塔楼和附在塔楼两侧的5层高裙房。塔楼平面东西方向约44m、南北方向约57m。四个角各有约14m×6m的缺口使塔楼呈十字形状。为了使可租用面积最大化，大厦中心布置了一个约20m×27m的核心筒用来布置电梯、机房和楼梯间。这样的核心筒布置使得可租赁空间从核心筒至外柱的跨度为12m。通过沿着外柱悬挑5英尺的楼板来实现增加额外的办公空间。裙房为东西方向约73m。南北方向约57m。

3.2抗侧力体系

建筑的抗侧力体系主要为带斜撑钢框架核心筒和外伸臂。在东西方向，沿着电梯井有三个主要的斜撑轴线（轴3，4，6）。每条斜撑轴有两跨布置人字支撑，使结构体更有效。5轴北侧服务电梯需向南侧开门，在电梯开洞处的转换支撑会使支撑体系效率较差，因而取消了5轴处的支撑。

在南北方向，建立有效的支撑轴是非常具有挑战性的，因为支撑无法像东西方向一样放在电梯井内。对于28层以下的楼层，在南北方向有两个支撑轴（轴B和D），每个轴为三跨。端部的跨采用了人字形支撑或偏心支撑的形式，以满足电梯大堂入口的需要。中间跨为两端偏离柱的单斜撑，用来布置机房的通道。28层以上的楼层，低区电梯去掉后能够提供更多的可租赁空间。为了进一步增大可利用空间，斜撑轴B和D取消。单斜撑轴C.2延伸至屋顶，此轴同样为三跨。同样，端部的跨采用了人字形中心支撑或偏心支撑的形式，以满足电梯大堂入口的需要。中间跨为柱与柱之间的单斜撑。

为了使抗侧力体系更加有效，大厦布置了两道外伸臂，加强了外框柱和核心筒的联系，使其共同作用。外伸臂布置在28层和51层的机电层。每根柱子通过外伸臂与核心筒相连接，包括柱A.5和E.5，由于轴5没有斜撑来传递外伸臂的剪力，在28、29、51、52层布置楼面水平斜撑，以将外伸臂的力传递至轴4和轴6的斜撑，既提高了结构整体的效率，同时也为结构体提供冗余度。

由于差异压缩变形的影响，连接框架柱和核心筒的外伸臂在重力下也参与受力。核心筒柱比外柱刚度明显要高，因而压缩少。外伸臂试图平衡该变形差，实际的作用就是外框柱的部分重力荷载会通过外伸臂转移至核心筒，TT公司建立了多个计算模型对不同施工顺序进行了分析计算。

除了主要的3个核心支撑轴以外，在东西抗侧力体系中也包括了另外两个在建筑南北面的×斜撑轴（轴2，7）。由于这些支撑位于楼外，它们的设计主要受建筑师对外观表述的影响。交叉斜撑采用了定制的成对的钢拉杆。直径在64mm（2.5英寸）至100mm（4英寸）之间。支撑轴的斜撑杆、柱梁沿着楼层向上按一定比例减少尺寸。在建筑外部的钢结构需采用防火涂料。放火涂层的数量与构件的表面积有关。小直径的斜撑若杆表面积过小，如防火涂料需达到防火时限的要求，将十分不经济。由于斜撑杆不防火，抗侧力体系需要对两种工况进行设计，一种是正常情况下有斜撑杆，另一种为极端情况下斜撑杆失效。核心筒支撑在强度上能够支撑结构和侧力，同时外部的小斜撑杆用于帮助结构满足侧移角和加速度的要求。

支撑框架结构的变形大多数是由倾覆力矩与剪切引起的，而柱子在解决倾覆力矩产生的拉力和压力时可产生如弦杆一样的作用。因此，底部的柱子增大可最有效地解决位移角问题。柱子最大尺寸为750mm×750mm，截面由五块钢板焊接在一起形成一个750mm×750mm的实心钢。

在最终的布置下，结构在10年一遇的风载作用下满足位移角1/450的要求。在南北方向和东西方向的周期为6.8s和6.0s。非飓风风暴下建筑加速度小于25milli-g，满足一般的高层办公建筑标准。

3.3重力楼板体系

临近建筑槽口的约20m×6m悬臂端跨是设计中的一个挑战，因为此设计需要与结构、建筑、钢结构安装和幕墙设置协调。从轴B和C方柱子悬挑出楔形梁（CB）。这些梁为定制的宽翼缘工字钢，高度从550mm渐变为450mm，宽为350mm。这些梁的翼缘厚度随楼层上升而减少。

建筑南北面的外幕墙沿着轴B和D的双通道延伸边跨2.5m。结构采用外露的翼梁（WB）用来支撑幕墙。翼梁由一个预制的螺栓焊接到CB的另一端来支撑。中间轴C的跨用空腹桁架来支撑，因为在办公区采用斜杆会影响其使用功能。在整个塔楼，空腹桁架的竖杆均采用W14×257。施工过程中将布置临时支撑链接至该竖杆，以承担施工荷载。

4.外部钢节点

本项目最具特点的结构部分为外部钢结构的使用。这些构件为建筑概念的重要组成部分，为满足建筑美学的要求对节点进行了严格的设计。所有外部焊缝必须打磨光滑，外露的焊接孔是不允许的。外柱为750mm×750mm的预制箱型构件。翼缘厚度按照建筑层数变化，两腹板在翼缘的端部内凹75mm。腹板的厚度沿着楼层向下从25mm增加至175mm，因而增加了柱子面积来承担建筑荷载以及提供侧向刚度。

为了实现建筑师所需的轻盈感，使用了x斜撑杆体系连接，而不是单一笨重的杆件。成对的斜撑杆相互垂直，交错布置。外柱、斜撑杆和水平的XB构件相交处也是本项目的重要节点，两个380mm宽板延长柱翼连接到柱子的腹板。在两块连接板之间由桥板来配合斜撑杆的角度。由于每个斜撑杆转角不同。设计了两种桥板节点。斜撑杆通过单铰与桥板连接。

由于完全无误地安装如此大的钢构件操作起来很难，在合同中要求建立一个全尺寸的螺栓节点大样来测试构件的容许度和实用性，因此合同文件中对于外部结构节点大样的品质要求做了相应的规定。

因为有8根柱子在建筑体的外面，因而与之相连的梁需要穿过建筑立面。建筑师的一个要求为所有的伸出建筑体的梁需要有相同的中心线标高。这些标高将于楼层的梁顶标高不一致。同样。建筑要求外露在建筑外的梁高为400mm。因此，设计出了特殊的“牛腿”节点来解决垂直于外墙的梁高问题。但“牛腿”梁并不是暴露的，外面包裹了面层。

5.外部钢结构的设计

5.1隔热设计

由于外部采用了大量的钢结构，在温度应力作用下的变形和应变是设计中的一个重要部分。外部的构件会受温度影响而伸缩，而内部的构件则不会。根据Rowan Williams Davies and Irwin（RWDI）为纽约市提供的温度历史数据，设计团队应用了30种温度荷载组合来对建筑进行设计。这些荷载组合考虑了辐射加热、冷却以及太阳照射对建筑的影响。

应对风荷载产生的倾覆力矩而布置的外伸臂，也能够帮助抵御内外柱由于温差而产生的变形。然而在建筑东西方向的柱网不需要外伸臂来抗侧力。内外相邻柱的温差引起的变形差不满足规范的要求。为了减少差异引起的影响，两个“温度桁架”被布置在这些柱网上，这些桁架的布置使得柱子的变形能够满足规定要求1/300。

5.2桅杆

建筑的顶部竖了一个90m高的桅杆。此桅杆为一个底部直径为2.4m、顶部直径为200mm的锥形桅杆。桅杆向下延伸至51层机电层，坐落在一个25mm的圆底座上。此底座栓接在一个楼面梁支撑的楼板上，同时在52层的屋顶面对桅杆做了支撑，以确保在底部的稳定性。细长的形状和顶楼的高风压使得桅杆需要进行疲劳验算。设计过程中考虑采用阻尼器来限制金属疲劳。但最终采用了特殊的节点设计来解决。

桅杆在实际建筑上的效果需要被考虑。在51层和52层布置了楼面桁架来传递由桅杆产生的基底剪力。此外，布置了竖向桁架来传递桅杆的自重给柱子。桅杆上附加了若干小的卫星天线装置，因此桅杆的侧向位移需考虑天线装置的允许位移以及结构本身的要求。