[分享]挑战重力的另一种方式——悬挂结构

作者：Theone唯一时间: 2018-05-14 00:00 阅读: 次大中小

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与传统的下部支承式结构相比，悬挂结构最大的特点是下部不需要支撑。悬索桥是最常见的一种悬挂结构，能够满足通航需求。

而在房屋建筑领域，悬挂屋面也比较多见。但悬挂楼层的结构并不多，能想到的几个案例都很经典。下面逐一为大家介绍。

香港汇丰银行总部

（HSBC Headqarters，HK/1986）

建筑师：诺曼·福斯特(Norman Foster)

结构工程师：奥雅纳事务所（ARUP）

采用悬挂式结构体系的前因后果

早在1886年，汇丰银行第一栋总部大楼已经矗立在港岛中环现址上。1935年又在边上建造了第二栋总部大楼。

1978年，汇丰打算斥资3亿英镑重建总部大楼。当时的要求是“建造世界上最好的银行总部大楼”。同时，汇丰银行还提出了其他要求：

1）为满足银行业务扩展和技术更新的需求，大楼内部应具有最大的灵活性；

2）在原址局促的地段上迅速建成；

3）在新楼建造期间，银行在原址能够继续开展业务；

4）可能的话保留原有银行的大堂。

▲汇丰银行老楼拆除后的地块

▲汇丰银行新楼造好后的地块

而在竞标阶段，银行对老楼的态度模棱两可：可能全部保留，可能只保留银行大堂，也可能全部拆除。

基于这一点，福斯特提交的不是一个固定的方案，而是一种可以推导出若干不同建筑形态的策略——“阶段重生”。

即先拆除部分老楼，在其位置上新建新楼的上面部分，期间银行可以在未拆除的老楼中继续开展业务；待新楼部分建好后，银行业务转移到新楼中，此时再拆除剩下的老楼，继续完成新楼的其余部分。悬挂式结构通过不同的组合，可以满足原有建筑部分或整体、暂时或永久地被保留。

▲投标阶段的草图

同时，银行的地下空间相对固定：保险库、安全存放、公共展示等。但建筑上部功能非常复杂，且汇丰银行强调了对于空间最大程度可变性的要求，而悬挂结构完美地将上部功能变化对下部结构的影响降到最低。这也是采用悬挂结构的一个因素。

凭借着创造性的方案，当时籍籍无名的福斯特赢得了汇丰银行的委托。

▲汇丰银行大楼结构方案演化

但紧接着，银行发现若在既有建筑下面开挖金库所需的深基坑，在金钱和时间上都是巨大的消耗。因此，银行在委托福斯特设计后不久，便决定不再保留原来的银行大楼和大堂。但福斯特对于建筑内部灵活性的考量、悬挂式的结构等概念被保留下来。

除了设计策略以外，将底层空间开放为市民空间，也将规范允许的地块容积率从15提升到了18。这意味着将增加20%（即19800平米）的建筑面积。这也是采用悬挂结构的加分项。

汇丰银行的悬挂式结构体系分析

汇丰银行总部大楼上部结构43层，180m高，地下有四层深16m~20m不等的地下室。总宽约55m，总长约70m。总平面呈矩形，横剖面呈“山”形。

(1) 结构的主要承重构件为两端的巨型格构柱，承受全楼的重力荷载和水平荷载。每个巨型格构柱的平面轮廓尺寸为4.8mx5.1m，由4个圆钢柱组成，钢柱间每隔3.9m（层高）均连以矩形截面加腋钢梁，形成空腹格构式的竖向构件。水平面内，还增加了斜向的交叉撑。

▲平面图和巨型格构柱

(2) 平面图中可以看出，电梯、卫生间、楼梯间等服务型设施已从大楼内部抽离，悬挂在东西两侧，这样的处理赋予了使用空间极大的开敞与自由度。同时，这些服务型设施的重量平衡了格构柱两边的荷载，增加了结构合理性。

(3) 各楼层的重力荷载由5个不同高度上设置的“两层高伸臂桁架”分别承受，5个部分相互独立，从上至下分别悬挂着4层、5层、6层、7层和8层楼盖。具体做法是在该桁架中部和两端共悬吊3根吊杆，分别承受下部数层楼盖的荷载，并将它们传递给巨型立柱。

每榀桁架的杆件都由厚钢板组成，吊杆为实心钢棒。桁架构件之间、桁架与吊杆之间用U形节点板和销轴连接。

（3）全楼东西向的稳定，由上述5个两层高的桁架与格构柱形成框架来保证。南北向的稳定，则要靠设置在中间5排的两层高的交叉撑提供；它们与两层高的桁架在同一标高上。此外，还有交叉撑位于第5~8层间的大厅中庭处。

▲东西向和南北向的抗侧力体系

大楼的整个结构完全暴露。银行大堂设置在二层，客户通过自动扶梯穿过一道分隔室内外的玻璃分隔到达建筑内部，就像进入了宇宙飞船。

汇丰银行大楼的用钢量没有查到权威的数据，从小i收集的资料看，约2.8万t左右。建筑面积9.9万平米，每平米用钢量约280kg。

从结构角度看，大楼的用钢量着实非常大。但是，从建筑的综合效果来看，包括首层开放带来的容积率提升、空间灵活变化带来的使用高效性、给业主汇丰银行带来的形象宣传效果，其经济性不能说一定不好。

▲港币上印有汇丰银行大楼

明尼阿波利斯联邦储备银行大楼

（The Federal Reserve Bank in Minneapolis/1972）

建筑师：Gunner Birkerts

结构工程师：Skilling, Helle, Christiansen, Robertson事务所（这里的Robertson就是LERA的创始人LeslieE. Robertson）

当时业主的基本要求是：建造一个11层的银行建筑，它要跨越一个宽阔的广场，还要留有增层扩建的可能性。

结构工程师创造性地采用了“双筒体+悬索”的结构体系。两条呈悬链线的悬索承受楼层荷载，并将它们传递给两侧的筒体；而水平荷载完全由两侧的筒体抵抗。

▲大楼施工现场

悬索上部支承着受压钢立柱（工字形截面），其下部以同样的间距吊挂着受拉吊柱（扁钢）。为方便连接，数根4英寸（100mm）直径的悬索内嵌在宽翼缘的构件中，立柱和吊柱均与悬索外面的构件相连。

顶部为两榀K式巨型桁架，用于平衡悬索端部的水平压力。两榀巨型桁架之间通过水平支撑相连，以保证其侧向稳定。

该11层建筑顶部为一长条形矩形平面，目前没有任何结构。将来需要增层扩建时，可在它上面再架设承重拱结构。新增楼层的重力通过拱传递给两侧筒体，并产生筒体向外的推力，正好可以平衡悬索引起的向内的压力。

目前，该建筑被用作酒店（Marquette Plaza）。酒店将首层封闭，作为大堂使用，这一举措弱化了原有结构的最大特点，小i觉得有点遗憾。

慕尼黑宝马总部

（BMW Headquarters in Munich /1972）

建筑师：Karl Schwanzer

结构工程师：Dyckerhoff & Widmann AG

宝马总部大厦坐落在德国慕尼黑奥林匹克公园附近，是一座22层的现代银灰色高楼，主体由四个圆柱型塔楼组成，象征发动机的四个气缸，又称“四缸大厦”。

确切地说宝马在慕尼黑建造了一个总部园区（BMW Campus），除了总部大厦（BMW Headquarters/Tower），旁边有一座1973年建成的碗状建筑物，是德国宝马博物馆（BMW Museum）。再边上是2008年新建的宝马世界（BMW Welt），由蓝天组（Coop Himmelb(l)au）设计，这个结构也很有特色，以后有机会介绍。