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與傳統(tǒng)的下部支承式結(jié)構(gòu)相比，懸掛結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是下部不需要支撐。懸索橋是最常見(jiàn)的一種懸掛結(jié)構(gòu)，能夠滿(mǎn)足通航需求。
而在房屋建筑領(lǐng)域，懸掛屋面也比較多見(jiàn)。但懸掛樓層的結(jié)構(gòu)并不多，能想到的幾個(gè)案例都很經(jīng)典。下面萬(wàn)豪膜結(jié)構(gòu)逐一為大家介紹。
香港匯豐銀行總部
（HSBC Headqarters，HK/1986）
建筑師：諾曼·福斯特(Norman Foster)
結(jié)構(gòu)工程師：奧雅納事務(wù)所（ARUP）
采用懸掛式結(jié)構(gòu)體系的前因后果
早在1886年，匯豐銀行第一棟總部大樓已經(jīng)矗立在港島中環(huán)現(xiàn)址上。1935年又在邊上建造了第二棟總部大樓。
1978年，匯豐打算斥資3億英鎊重建總部大樓。當(dāng)時(shí)的要求是“建造世界上最好的銀行總部大樓”。同時(shí)，匯豐銀行還提出了其他要求：
1）為滿(mǎn)足銀行業(yè)務(wù)擴(kuò)展和技術(shù)更新的需求，大樓內(nèi)部應(yīng)具有最大的靈活性；
2）在原址局促的地段上迅速建成；
3）在新樓建造期間，銀行在原址能夠繼續(xù)開(kāi)展業(yè)務(wù)；
4）可能的話(huà)保留原有銀行的大堂。
▲匯豐銀行老樓拆除后的地塊
▲匯豐銀行新樓造好后的地塊
而在競(jìng)標(biāo)階段，銀行對(duì)老樓的態(tài)度模棱兩可：可能全部保留，可能只保留銀行大堂，也可能全部拆除。
基于這一點(diǎn)，福斯特提交的不是一個(gè)固定的方案，而是一種可以推導(dǎo)出若干不同建筑形態(tài)的策略——“階段重生”。
即先拆除部分老樓，在其位置上新建新樓的上面部分，期間銀行可以在未拆除的老樓中繼續(xù)開(kāi)展業(yè)務(wù)；待新樓部分建好后，銀行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到新樓中，此時(shí)再拆除剩下的老樓，繼續(xù)完成新樓的其余部分。懸掛式結(jié)構(gòu)通過(guò)不同的組合，可以滿(mǎn)足原有建筑部分或整體、暫時(shí)或永久地被保留。
▲投標(biāo)階段的草圖
同時(shí)，銀行的地下空間相對(duì)固定：保險(xiǎn)庫(kù)、安全存放、公共展示等。但建筑上部功能非常復(fù)雜，且匯豐銀行強(qiáng)調(diào)了對(duì)于空間最大程度可變性的要求，而懸掛結(jié)構(gòu)完美地將上部功能變化對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響降到最低。這也是采用懸掛結(jié)構(gòu)的一個(gè)因素。
憑借著創(chuàng)造性的方案，當(dāng)時(shí)籍籍無(wú)名的福斯特贏得了匯豐銀行的委托。
▲匯豐銀行大樓結(jié)構(gòu)方案演化
但緊接著，銀行發(fā)現(xiàn)若在既有建筑下面開(kāi)挖金庫(kù)所需的深基坑，在金錢(qián)和時(shí)間上都是巨大的消耗。因此，銀行在委托福斯特設(shè)計(jì)后不久，便決定不再保留原來(lái)的銀行大樓和大堂。但福斯特對(duì)于建筑內(nèi)部靈活性的考量、懸掛式的結(jié)構(gòu)等概念被保留下來(lái)。
除了設(shè)計(jì)策略以外，將底層空間開(kāi)放為市民空間，也將規(guī)范允許的地塊容積率從15提升到了18。這意味著將增加20%（即19800平米）的建筑面積。這也是采用懸掛結(jié)構(gòu)的加分項(xiàng)。
匯豐銀行的懸掛式結(jié)構(gòu)體系分析
匯豐銀行總部大樓上部結(jié)構(gòu)43層，180m高，地下有四層深16m~20m不等的地下室?？倢捈s55m，總長(zhǎng)約70m?？偲矫娉示匦?，橫剖面呈“山”形。
(1) 結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件為兩端的巨型格構(gòu)柱，承受全樓的重力荷載和水平荷載。每個(gè)巨型格構(gòu)柱的平面輪廓尺寸為4.8mx5.1m，由4個(gè)圓鋼柱組成，鋼柱間每隔3.9m（層高）均連以矩形截面加腋鋼梁，形成空腹格構(gòu)式的豎向構(gòu)件。水平面內(nèi)，還增加了斜向的交叉撐。
▲平面圖和巨型格構(gòu)柱
(2) 平面圖中可以看出，電梯、衛(wèi)生間、樓梯間等服務(wù)型設(shè)施已從大樓內(nèi)部抽離，懸掛在東西兩側(cè)，這樣的處理賦予了使用空間極大的開(kāi)敞與自由度。同時(shí)，這些服務(wù)型設(shè)施的重量平衡了格構(gòu)柱兩邊的荷載，增加了結(jié)構(gòu)合理性。
(3) 各樓層的重力荷載由5個(gè)不同高度上設(shè)置的“兩層高伸臂桁架”分別承受，5個(gè)部分相互獨(dú)立，從上至下分別懸掛著4層、5層、6層、7層和8層樓蓋。具體做法是在該桁架中部和兩端共懸吊3根吊桿，分別承受下部數(shù)層樓蓋的荷載，并將它們傳遞給巨型立柱。
每榀桁架的桿件都由厚鋼板組成，吊桿為實(shí)心鋼棒。桁架構(gòu)件之間、桁架與吊桿之間用U形節(jié)點(diǎn)板和銷(xiāo)軸連接。
（3）全樓東西向的穩(wěn)定，由上述5個(gè)兩層高的桁架與格構(gòu)柱形成框架來(lái)保證。南北向的穩(wěn)定，則要靠設(shè)置在中間5排的兩層高的交叉撐提供；它們與兩層高的桁架在同一標(biāo)高上。此外，還有交叉撐位于第5~8層間的大廳中庭處。
▲東西向和南北向的抗側(cè)力體系
大樓的整個(gè)結(jié)構(gòu)完全暴露。銀行大堂設(shè)置在二層，客戶(hù)通過(guò)自動(dòng)扶梯穿過(guò)一道分隔室內(nèi)外的玻璃分隔到達(dá)建筑內(nèi)部，就像進(jìn)入了宇宙飛船。
匯豐銀行大樓的用鋼量沒(méi)有查到權(quán)威的數(shù)據(jù)，從收集的資料看，約2.8萬(wàn)t左右。建筑面積9.9萬(wàn)平米，每平米用鋼量約280kg。
從結(jié)構(gòu)角度看，大樓的用鋼量著實(shí)非常大。但是，從建筑的綜合效果來(lái)看，包括首層開(kāi)放帶來(lái)的容積率提升、空間靈活變化帶來(lái)的使用高效性、給業(yè)主匯豐銀行帶來(lái)的形象宣傳效果，其經(jīng)濟(jì)性不能說(shuō)一定不好。
▲港幣上印有匯豐銀行大樓
明尼阿波利斯聯(lián)邦儲(chǔ)備銀行大樓
（The Federal Reserve Bank in Minneapolis/1972）
建筑師：Gunner Birkerts
結(jié)構(gòu)工程師：Skilling, Helle, Christiansen, Robertson事務(wù)所（這里的Robertson就是LERA的創(chuàng)始人LeslieE. Robertson）
當(dāng)時(shí)業(yè)主的基本要求是：建造一個(gè)11層的銀行建筑，它要跨越一個(gè)寬闊的廣場(chǎng)，還要留有增層擴(kuò)建的可能性。
結(jié)構(gòu)工程師創(chuàng)造性地采用了“雙筒體+懸索”的結(jié)構(gòu)體系。兩條呈懸鏈線(xiàn)的懸索承受樓層荷載，并將它們傳遞給兩側(cè)的筒體；而水平荷載完全由兩側(cè)的筒體抵抗。
▲大樓施工現(xiàn)場(chǎng)
懸索上部支承著受壓鋼立柱（工字形截面），其下部以同樣的間距吊掛著受拉吊柱（扁鋼）。為方便連接，數(shù)根4英寸（100mm）直徑的懸索內(nèi)嵌在寬翼緣的構(gòu)件中，立柱和吊柱均與懸索外面的構(gòu)件相連。
頂部為兩榀K式巨型桁架，用于平衡懸索端部的水平壓力。兩榀巨型桁架之間通過(guò)水平支撐相連，以保證其側(cè)向穩(wěn)定。
該11層建筑頂部為一長(zhǎng)條形矩形平面，目前沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)。將來(lái)需要增層擴(kuò)建時(shí)，可在它上面再架設(shè)承重拱結(jié)構(gòu)。新增樓層的重力通過(guò)拱傳遞給兩側(cè)筒體，并產(chǎn)生筒體向外的推力，正好可以平衡懸索引起的向內(nèi)的壓力。
目前，該建筑被用作酒店（Marquette Plaza）。酒店將首層封閉，作為大堂使用，這一舉措弱化了原有結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)，讓人覺(jué)得有點(diǎn)遺憾。
慕尼黑寶馬總部
（BMW Headquarters in Munich /1972）
建筑師：Karl Schwanzer
結(jié)構(gòu)工程師：Dyckerhoff & Widmann AG
寶馬總部大廈坐落在德國(guó)慕尼黑奧林匹克公園附近，是一座22層的現(xiàn)代銀灰色高樓，主體由四個(gè)圓柱型塔樓組成，象征發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)氣缸，又稱(chēng)“四缸大廈”。
確切地說(shuō)寶馬在慕尼黑建造了一個(gè)總部園區(qū)（BMW Campus），除了總部大廈（BMW Headquarters/Tower），旁邊有一座1973年建成的碗狀建筑物，是德國(guó)寶馬博物館（BMW Museum）。再邊上是2008年新建的寶馬世界（BMW Welt），由藍(lán)天組（Coop Himmelb(l)au）設(shè)計(jì)，這個(gè)結(jié)構(gòu)也很有特色，以后有機(jī)會(huì)介紹。
在20世紀(jì)60年代，寶馬公司急速擴(kuò)張，隨著員工人數(shù)增加，總部辦公樓的建造被提上日程。
與匯豐銀行業(yè)主類(lèi)似，寶馬公司希望總部辦公樓能夠提供一個(gè)靈活的辦公空間，能在未來(lái)適應(yīng)不同的需求。
▲頂部轉(zhuǎn)換桁架
寶馬總部大廈高99.5m，22層四葉草形式的樓面吊掛在頂部四個(gè)巨大的轉(zhuǎn)換桁架上，通過(guò)頂部轉(zhuǎn)換桁架將豎向力傳遞給四個(gè)混凝土筒體，最終傳遞到基礎(chǔ)。在上部1/3高度處，有一桁架轉(zhuǎn)換層，分擔(dān)頂部懸挑桁架承受的荷載，協(xié)同懸掛樓面。
▲樓層中間桁架轉(zhuǎn)換層內(nèi)部
吊柱位于樓面中部靠近核心筒的位置，樓面梁呈放射狀。從下圖中可以看到，其內(nèi)部空間排布非常靈活。
▲樓面梁的布置情況
▲寶馬大廈內(nèi)部空間
寶馬總部大廈的建造過(guò)程很有意思。首先，澆筑四個(gè)混凝土核心筒；然后，施工頂部轉(zhuǎn)換桁架。樓面采用分階段提升的施工方法。轉(zhuǎn)換桁架和其上部的7層樓面最先在地面上澆筑，隨后將建好的樓面整體提升，以留出地面空間進(jìn)行下部樓層的建造。
樓面的提升利用固定在頂部桁架上的鋼拉索和下部的液壓千斤頂完成，桁架轉(zhuǎn)換層自帶提升裝置，靠核心筒壁上預(yù)留的洞口向上爬行。
▲寶馬大廈施工過(guò)程
這樣的建造過(guò)程極大地縮短了工期，混凝土核心筒耗時(shí)4個(gè)月；16個(gè)月以后，樓層的建造和提升就已全部完成。趕在慕尼黑奧運(yùn)會(huì)之前大樓竣工。
小結(jié)
懸掛的高層建筑可改造性特別強(qiáng)。匯豐銀行、寶馬總部都是對(duì)空間的可改造型要求特別高，幾十年仍可以保證不落伍。
當(dāng)然，懸掛結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率不高。結(jié)構(gòu)的造價(jià)往往是偏高的，但是綜合考慮其他方面，懸掛結(jié)構(gòu)不失為一種創(chuàng)新性的選擇。
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