隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，懸掛結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中已被廣泛應(yīng)用，也取得了巨大的發(fā)展。懸掛結(jié)構(gòu)是指屋頂或建筑各層懸掛在立柱（井筒或塔架）上的結(jié)構(gòu)，又稱懸吊式建筑結(jié)構(gòu)。懸掛結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅在形態(tài)上豐富了建筑的造型，打破了“建筑須上小下大”的傳統(tǒng)形式，帶來視覺上的新穎體驗，還在建筑功能的探索上取得了長足進(jìn)展，使建筑朝著“綠色生態(tài)”的方向發(fā)展——城市“開放空間”的擴(kuò)大、建筑“社交功能”的拓展和空間使用率的提高，等等。除此之外，懸掛結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用也使得建筑得以朝著更“高”的方向發(fā)展，一定程度上緩解了現(xiàn)代社會建筑密度較高和擁擠的現(xiàn)狀。本文對懸掛結(jié)構(gòu)建筑實例進(jìn)行了介紹，淺析了該結(jié)構(gòu)的概念、特征及在綠色空間和高層建筑領(lǐng)域的探索和應(yīng)用。

概  述

建筑的發(fā)展和走向與所處的社會現(xiàn)狀息息相關(guān)。目前，現(xiàn)代社會無可奈何地面臨著一些建筑空間上的難題。首先，公共空間和住宅建筑如雨后春筍般地拔地而起，但是，城市開放空間卻越來越緊缺。在城市中，開放空間往往只是公共空間和住宅建筑的附屬品，因此會產(chǎn)生城市交互功能衰退的問題，隨之而來的是一系列壓力和焦慮并存的社會問題的產(chǎn)生。其次，人口密度越來越大，這意味著住宅建筑的密度亦可能繼續(xù)增大，也意味著建筑會朝著越來越“高”的方向發(fā)展，這樣，低層建筑的采光難問題也逐漸成為了亟需解決的難題。

因此，如何在有限的空間中爭取足夠多的開放空間，建造出屬于現(xiàn)代城市的綠色空間和高層建筑或?qū)⑦@兩者有機(jī)結(jié)合，是建筑師和結(jié)構(gòu)工程師們共同面臨的課題。而懸掛結(jié)構(gòu)恰好給予了這個難題一個恰當(dāng)?shù)慕獯穑尳ㄔ煺邆兊靡哉归_對新的建筑形式的探索。

在本文中，筆者將結(jié)合建筑實例，從懸掛結(jié)構(gòu)的概念與發(fā)展、形式與特征、實例與應(yīng)用三大方面淺談懸掛結(jié)構(gòu)在締造綠色空間和高層建筑方面的貢獻(xiàn)。

自然的延伸：懸掛結(jié)構(gòu)的概念與發(fā)展

懸掛結(jié)構(gòu)是一種新興的建筑結(jié)構(gòu)形式，先后經(jīng)歷了模擬自然、逐漸發(fā)展和最終被應(yīng)用到建筑中三個成長階段，在功能和形式上已進(jìn)行了豐富的探索，給人類社會帶來的意義是巨大的。

靈感與起源：自然界形態(tài)的啟發(fā)

懸掛結(jié)構(gòu)實際上起源于自然。自然界中，果樹、蜘蛛網(wǎng)等的形態(tài)都是該結(jié)構(gòu)的原型。以果樹為例（圖1），樹干承擔(dān)類似懸掛結(jié)構(gòu)中立柱（井筒或塔架）的作用，果實對應(yīng)懸掛結(jié)構(gòu)中的屋頂和各樓層，連接果實和樹干的樹枝則對應(yīng)懸掛結(jié)構(gòu)中的連接構(gòu)件，應(yīng)用到建筑中，則成為分散的鋼索和吊頂，用于承擔(dān)屋頂和樓板的重量，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，從而增大結(jié)構(gòu)跨度和減少材料用量（圖2）。

除此之外，果樹的形態(tài)還給懸掛結(jié)構(gòu)的形態(tài)與應(yīng)用帶來了其他啟發(fā)。首先，果樹交錯的藤蔓有很好的透光性，卻又非常牢固，是最經(jīng)濟(jì)的一種受力體系，這成了大跨度懸索橋和懸掛屋蓋等結(jié)構(gòu)的雛形；其次，果樹清晰、明確的受力特點也給建筑形態(tài)帶來了啟發(fā)。“果實——藤蔓——樹干”這種簡單的連接方式直接能夠反映到建筑中的“被懸掛體——連接構(gòu)件——主體落地結(jié)構(gòu)”，使懸掛結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系一目了然且切實可行。最后，果樹的“對稱”形式也啟發(fā)了懸掛結(jié)構(gòu)建筑的對稱形態(tài)，這樣就可以把重心集中落在中間的承重結(jié)構(gòu)上（圖3）。

提出與應(yīng)用：懸掛結(jié)構(gòu)在吊橋與屋頂中的使用

（1）懸索橋的概念和受力特點

懸掛結(jié)構(gòu)最早是作為一種解決交通問題的方式被運(yùn)用在懸索橋上的。懸索橋又稱吊橋，指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索（或鋼鏈）作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。

懸索橋主要是由主纜、加勁梁、主塔、鞍座、吊索等構(gòu)件構(gòu)成的柔性懸吊體系（圖4），成橋時主要由主纜和主塔承受結(jié)構(gòu)自重，加勁梁受力情況由施工方法決定。

懸索橋在工作時，兩個主橋塔作為主要承重構(gòu)件將主纜索架起，再由固定在主纜索上的吊桿將作為橋面承重構(gòu)件的主梁懸吊柱。在受力時，外力先作用于橋面，再由橋面?zhèn)鬟f到主梁，再傳遞到主塔，最后傳遞到地基（圖5~6）。此過程中，負(fù)責(zé)連接的吊桿和主纜索承受的拉力很大，現(xiàn)如今的懸索一般會選擇強(qiáng)度較大的多股高強(qiáng)鋼絲。

因此，相比其他橋梁，使用懸掛結(jié)構(gòu)的懸索橋具有以下優(yōu)勢：第一，懸索橋可以使用較少的材料來跨越較長的距離；第二，懸索橋能夠建造在較高的高度，允許船只在橋下通行；第三，懸索橋比較靈活，同時適合大風(fēng)和地震區(qū)的需要。

（2）懸掛屋頂?shù)母拍詈桶l(fā)展歷程

懸掛結(jié)構(gòu)除了被應(yīng)用在橋梁上之外，還被應(yīng)用于建筑的屋頂構(gòu)造當(dāng)中。1837年在法國建造的洛里恩軍械庫就采用了懸掛結(jié)構(gòu)的屋頂，但是其形式依舊受到了“懸索橋”的影響——用纜索把屋頂懸吊起來。早期的懸掛結(jié)構(gòu)大多被應(yīng)用在了大跨度的建筑屋頂上，但隨著技術(shù)的不斷成熟，懸掛式結(jié)構(gòu)也不斷被刷新和應(yīng)用。1927年，Rash等人提出了用鋼桅桿懸掛樓層的建筑方案，使城市變?yōu)榫€形建筑塔群。1938年，Williams提出了用懸掛法建造超高層建筑結(jié)構(gòu)的想法。但直到20世紀(jì)50年代后期，高強(qiáng)度鋼的出現(xiàn)才使得懸掛結(jié)構(gòu)真正被廣泛應(yīng)用于中高層建筑中，自此懸掛結(jié)構(gòu)才開始真正意義上進(jìn)入建筑實用階段。

發(fā)展與成熟：懸掛建筑的出現(xiàn)

（1）現(xiàn)代懸掛建筑的發(fā)展

早期的懸掛建筑多應(yīng)用于大跨度、大空間的單層建筑當(dāng)中，在20世紀(jì)50年代后期進(jìn)入建筑實用階段以后，已有20多個國家建造了近百座各式各樣的懸掛建筑，如德國的BMW總部大樓、南非的約翰內(nèi)斯堡標(biāo)準(zhǔn)銀行大廈、我國的香港匯豐銀行大廈等。

（2）現(xiàn)代懸掛建筑的形式

目前，懸掛結(jié)構(gòu)大多被應(yīng)用在高層建筑中，是采用吊件將樓層分段懸掛在承重主構(gòu)架上所構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)體系，主要由三部分組成：一是承重主構(gòu)架，分為芯狀鋼梁式、樹狀構(gòu)架式、巨型框架式等，它承擔(dān)全部側(cè)向荷載和豎向荷載并將荷載傳遞到基礎(chǔ)；二是吊件，其作用是將各樓層與承重體系聯(lián)系在一起，多為鋼吊桿或鋼絲繩，具有截面小、長細(xì)比大的特點，由于只承受拉力，不會受壓桿穩(wěn)定性影響，因此強(qiáng)度也能被充分發(fā)揮；三是被懸掛的樓層（圖7）。

（3）現(xiàn)代懸掛建筑的分類

懸掛結(jié)構(gòu)依據(jù)其性能的不同通常可以分為四類，分別為剛性筒體結(jié)構(gòu)、拉索桅桿結(jié)構(gòu)、張拉集成結(jié)構(gòu)和單層大空間懸掛結(jié)構(gòu)。因此，懸掛建筑也大體也可按這四種類型來劃分。剛性筒體結(jié)構(gòu)是目前世界上建成數(shù)量最多的一種懸掛建筑，此處以美國明尼阿波利斯聯(lián)邦儲備銀行大廈來為例，簡要介紹剛性筒體結(jié)構(gòu)懸掛建筑的特點。

剛性筒體結(jié)構(gòu)使用單筒或多筒承受建筑的全部側(cè)向和豎向荷載，筒體的材料可以是鋼筋混凝土，大多數(shù)筒體都被作為垂直運(yùn)輸?shù)碾娞菥褂谩Ｇ矣捎谄鋮⑴c，懸掛建筑得以向高層方向進(jìn)發(fā)。

明尼阿波利斯聯(lián)邦儲備銀行大廈共16層，在兩端設(shè)置了剛勁的豎向芯筒，多根主鋼索拉設(shè)于兩芯筒頂部之間，呈懸鏈狀。在主鋼索以下的各層樓蓋以吊柱的形式吊掛在鋼索上。在主鋼索以上的各層樓蓋以鋼柱的形式立在鋼索上，形狀就如同一座懸索橋一般（圖8~9）。

為了平衡主鋼索的拉力，保持建筑整體的穩(wěn)定和平衡，在兩個芯筒之間采用了K形框架。通過這種結(jié)構(gòu)形式，其樓蓋能夠得以架設(shè)在110m跨度的空中，從而實現(xiàn)大跨度的目的。

從實例中解讀：懸掛結(jié)構(gòu)的形式與特征

對綠色空間的探索：廣東省博物館新館

廣東省博物館新館的設(shè)計采用了“寶盒”的概念，希望在建筑內(nèi)部實現(xiàn)大跨度的無柱空間并且形成開放、寬敞的中庭，從而達(dá)到在尺度和光線上的舒適體驗。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，廣東省博物館新館選擇了懸掛結(jié)構(gòu)建筑形式。

（1）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：懸掛和桁架并用

懸掛結(jié)構(gòu)給予該建筑兩大特點，分別是建筑最外圈懸空的形態(tài)和中庭大跨度的無柱空間。首先，在建筑整體布局上，結(jié)構(gòu)設(shè)計利用建筑的豎向交通空間設(shè)置剪力墻作為抗側(cè)和豎向承重構(gòu)件。為了實現(xiàn)建筑最外圈懸空的形態(tài)，在建筑頂層設(shè)置了大跨度的懸臂鋼桁架作為主要受力體，再通過在桁架上設(shè)置吊桿懸掛外圍展廳，從而最終實現(xiàn)了這個建筑最外圈懸空形態(tài)的設(shè)計。為了實現(xiàn)中庭大跨度的無柱空間，同樣是在桁架上設(shè)置吊桿作為豎向受力構(gòu)件，不僅實現(xiàn)了無柱的開闊空間，還平衡了部分由懸臂桁架產(chǎn)生的傾覆彎矩（圖10~12）。

懸掛結(jié)構(gòu)的應(yīng)用創(chuàng)造了該建筑的綠色空間。主要表現(xiàn)在三個方面：首先，造型契合“寶盒”的概念，更加美觀。懸掛結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使該建筑不同于傳統(tǒng)建筑中上窄下寬的一貫特色，創(chuàng)造出了顛倒的特殊形態(tài)，能夠豐富視覺體驗。其次，節(jié)約城市用地，提高城市空間的利用率。懸掛結(jié)構(gòu)使建筑的底部支撐空間減小，建筑外緣懸空，生成了建筑外緣底部的開放空間（圖13）。開放空間的存在是對人群自然社交和城市輕松氛圍感營造的助推力。最后，無柱中庭加強(qiáng)了建筑和自然的聯(lián)系（圖14）。由懸掛結(jié)構(gòu)生成的無柱中庭很好地實現(xiàn)了光線的引入并且可以調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部的通風(fēng)，使建筑很好地適應(yīng)廣州當(dāng)?shù)氐臍夂颍纬珊妥匀坏木o密聯(lián)系。

因此，廣東省博物館新館使用桁架和懸掛結(jié)構(gòu)很好地實現(xiàn)了建筑最初的“寶盒”構(gòu)想，并且使該建筑成為了一座極富綠色特征的建筑——提高了城市空間的利用率、增加了城市開放空間、豐富了建筑形態(tài)、生成了開闊的內(nèi)部空間并加強(qiáng)了建筑與自然的聯(lián)系。

對高層建筑的探索：香港匯豐銀行大廈

（1）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：格構(gòu)柱和桁架組成的高層懸掛體系

香港匯豐銀行大廈建筑地上為43層，約180m高。從整體上看，該建筑的主要承重部分是兩端的巨型格構(gòu)柱（圖15~16），承擔(dān)了所有豎直和水平荷載。為了使建筑具有自由、開放的中央空間，并且為了強(qiáng)化建筑整體的穩(wěn)定和平衡，建筑內(nèi)部的電梯和衛(wèi)生間等服務(wù)設(shè)施被從主體空間移除，被設(shè)計懸掛在建筑兩側(cè)，從而均衡了承重柱兩邊的荷載，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

從樓層來看，各樓層由5個設(shè)置在不同高度的巨型桁架承重，力由巨型桁架傳遞到巨柱上，再由巨柱傳遞到基礎(chǔ)上。整個建筑東西向的穩(wěn)定性由5個兩層高的桁架來保證，而南北向的穩(wěn)定性則依靠設(shè)置在中間的5排雙層交叉支撐保證。格構(gòu)柱在水平力作用下產(chǎn)生彎曲變形，桁架轉(zhuǎn)動會受格構(gòu)柱約束，兩者相互作用，相互平衡，保證了高層建筑的穩(wěn)定性。

（2）懸掛結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用

現(xiàn)代社會，對自然休憩空間的需求，和改善封閉室內(nèi)環(huán)境的需求，逐漸成為高層建筑中必須被重視的問題，且中庭開始在高層建筑中廣泛流行。在香港匯豐銀行大廈的案例中，最大特點就是在建筑外部就能夠完整地看到整個建筑的結(jié)構(gòu)框架，內(nèi)部沒有任何支承結(jié)構(gòu)從而使內(nèi)部辦公空間實現(xiàn)了最大化，進(jìn)而滿足高層建筑（尤其是辦公建筑）對于自然氛圍和開闊空間的訴求。

而在高層建筑中使用懸掛結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力是懸掛結(jié)構(gòu)能為高層建筑帶來巨大裨益。首先，懸掛結(jié)構(gòu)為建筑帶來了巨大的靈活性，能夠營造出各種不同的無柱大空間，滿足高層建筑對于開闊空間和舒適辦公環(huán)境的需求。第二，懸掛結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有非常顯著的緩震作用。第三，懸掛結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)城市開放空間的釋放，在高樓林立的城市中，懸掛結(jié)構(gòu)勻出的建筑底層的開放空間緩解了城市的擁擠感和人們的焦慮感，大大提高了城市空間的利用率。最后，懸掛結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和材料的先進(jìn)性，它復(fù)合集中使用各類材料及張力構(gòu)件、軸力構(gòu)件，并可充分發(fā)揮材料和構(gòu)件的強(qiáng)度。

因此，懸掛結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代高層建筑的探索中已具有至關(guān)重要的地位，不能被忽視。

結(jié)  語

懸掛結(jié)構(gòu)為綠色空間的實現(xiàn)和高層建筑的建造開辟了全新道路。在綠色空間的實現(xiàn)上，懸掛結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出開放的建筑底部空間，拓展了城市開放空間，實現(xiàn)了建筑內(nèi)部大尺度無柱中庭，引入自然風(fēng)和光線，加強(qiáng)了建筑對自然的適應(yīng)和聯(lián)系，提高了空間利用率，為城市緩解了因社會發(fā)展而引起的一系列緊張、擁擠和壓抑的情緒。在高層建筑的建造中，懸掛結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅實現(xiàn)了高層建筑所需的內(nèi)部的大尺度開闊空間，實現(xiàn)了內(nèi)部中庭的設(shè)置，還為高樓林立的城市拓展出底部開放的空間。

綜上所述，懸掛結(jié)構(gòu)在綠色空間和高層建筑領(lǐng)域的探索和應(yīng)用取得了巨大進(jìn)展，創(chuàng)新的懸掛結(jié)構(gòu)給空間、建筑和城市帶來了全新體驗，值得我們持續(xù)關(guān)注。

（編輯：奚雅青）

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