挑戰(zhàn)重力 - 懸挑結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式

Word文檔挑戰(zhàn)重力—懸挑結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式在重力作用下，物體有向下墜落的趨勢(shì)?，F(xiàn)實(shí)中大量的跨越是"擱置'，但也有大量的狀況是"懸挑'。懸挑結(jié)構(gòu)以其劇烈的表現(xiàn)力，對(duì)現(xiàn)代建筑的藝術(shù)造型產(chǎn)生了巨大的影響，并給予了現(xiàn)代建筑簡(jiǎn)潔大方的藝術(shù)表現(xiàn)力。今日，由特約"蔣本衛(wèi)'介紹工程師如何挑戰(zhàn)重力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)懸挑。

在建筑設(shè)計(jì)中，懸挑現(xiàn)象非常常見(jiàn)，縱觀古今中外的建筑，懸挑以紛繁多樣的形態(tài)消失在歷史的很多時(shí)期，發(fā)揮著不同的功能和作用。

我國(guó)古建筑中就有檐口的出挑，它采納的是磚或石料層層漸漸向外出挑的方式。另外，我國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中常采納"斗拱'的方式實(shí)現(xiàn)懸挑，最大能實(shí)現(xiàn)4~5米的懸挑。

隨著技術(shù)的日新月異，在當(dāng)代建筑中，懸挑的尺度越來(lái)越大，應(yīng)用的方式也越來(lái)越多，在建筑表現(xiàn)力上也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

建于1936年的流水別墅是一個(gè)聞名的懸挑建筑實(shí)例，呈十字交叉、凹凸錯(cuò)落的兩個(gè)陽(yáng)臺(tái)懸挑在瀑布之上，成為挑戰(zhàn)豎向荷載、傾覆作用的一種有力表達(dá)方式。

西班牙馬德里的歐洲之門是一個(gè)傾斜15的建筑，超過(guò)了比薩斜塔的12傾角，建筑立面上突出表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)元素，拉桿和壓桿組成一個(gè)平衡力系，使傾斜的建筑給人一種穩(wěn)定感。

深圳大運(yùn)中心主體育場(chǎng)由20個(gè)外形相像的空間錐面圍圍著馬鞍面相連而成。柱腳鉸接，從一個(gè)基本構(gòu)成單元來(lái)看，單元是不穩(wěn)定的，在重力作用下會(huì)傾覆。但各單元間通過(guò)屋面環(huán)向體系形成空間壓力環(huán)，供應(yīng)抗傾覆力矩。奇妙地實(shí)現(xiàn)了體育場(chǎng)屋頂向內(nèi)懸挑。

陽(yáng)臺(tái)和雨篷也是常見(jiàn)的懸挑結(jié)構(gòu)，在一般的建筑中，以小尺度的懸挑為主，但也不乏特別的例子。丹麥VM住宅中獨(dú)特的三角形陽(yáng)臺(tái)是最引人注目的地方，在每個(gè)懸挑的三角形端部都有一根斜拉索與主體相連，以保證平安。

東方車站在主入口以及巴士站站臺(tái)，都采納了巨型的懸挑雨篷遮擋。主入口的雨篷呈拱形，懸挑長(zhǎng)達(dá)20多米；站臺(tái)雨篷采納斜柱支撐，給人一種"飛扶臂'的感覺(jué)。

懸挑結(jié)構(gòu)概述

▼概念

懸挑結(jié)構(gòu)，是指一端支承在豎向支撐構(gòu)件上，另一端向外延長(zhǎng)挑出支撐構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。

圖中A、B、C、D四個(gè)支點(diǎn)中，當(dāng)至少有一個(gè)支點(diǎn)沒(méi)有構(gòu)件支撐時(shí)，就構(gòu)成了懸挑，其中1、2、3形成單面出挑，4由于把支承集中于中央，而使所掩蓋的空間四周臨空，形成四周出挑、外形如傘。

▼懸挑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

懸挑結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與其他結(jié)構(gòu)比有不利的一面，其結(jié)構(gòu)的冗余度（富余度）相對(duì)較少。除了進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度和變形驗(yàn)算外，還要進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。一般認(rèn)為懸挑結(jié)構(gòu)的允許跨度為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的一半。

▼懸挑結(jié)構(gòu)的基本體系

懸挑結(jié)構(gòu)的基本體系，主要有板式體系；框架式（梁式）體系；桁架體系；剛架式體系；拱式體系；空間體系。

懸挑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方式也是多種多樣的，下面主要對(duì)現(xiàn)代建筑中一些懸挑狀況來(lái)談?wù)剳姨艚Y(jié)構(gòu)的主要實(shí)現(xiàn)方式。

▼懸挑空腹桁架

當(dāng)整體懸挑跨度在10m以內(nèi)，同時(shí)建筑又對(duì)立面要求較高，不允許使用斜桿時(shí)，懸挑空腹桁架是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

珠海橫琴梧桐樹(shù)大廈，立面呈樹(shù)形，每層的建筑平面長(zhǎng)度均不同，且兩端懸挑沒(méi)有柱落地，最大懸挑跨度約11m。挑戰(zhàn)重力懸挑結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式_13

這個(gè)項(xiàng)目中建筑師劇烈要求不能使用斜桿。綜合懸挑的跨度及受力狀況，按不同的豎向分區(qū)采納了分段"空腹懸挑桁架'?？崭箲姨翳旒茉谑芰ι现饕允軓潪橹?，且桁架的下部擔(dān)當(dāng)較多的荷載，因此其效率相對(duì)不高，懸挑的跨度有限。

▼懸挑實(shí)腹桁架

當(dāng)懸挑跨度再增大時(shí)，就需要采納有斜桿的實(shí)腹懸挑桁架了。實(shí)腹懸挑桁架的懸挑跨度可達(dá)到20~30m，同時(shí)對(duì)桁架的高度也有肯定的要求，通常為懸挑跨度的1/5~1/3?？紤]到斜桿對(duì)建筑功能的影響，可結(jié)合設(shè)備層進(jìn)行布置。

中廣核大廈北樓，是采納平面型懸挑實(shí)腹桁架的一個(gè)典型案例。北樓地上24層，結(jié)構(gòu)總高度100m，在10層以上外挑16.5m，懸挑部分的總高度近60m。為了反抗豎向荷載作用下的傾覆，設(shè)計(jì)師在懸挑部分的下部8層設(shè)置了桁架結(jié)構(gòu)，桁架總高度30m，懸挑桁架與框架柱位于同一平面，共四榀。斜桿的布置也盡可能對(duì)考慮減小對(duì)建筑功能的影響。

▼斜桿、斜拉索的加入

當(dāng)然，為了削減斜桿對(duì)建筑使用的影響，還可以對(duì)實(shí)腹桁架做一些變通，比如把斜腹桿改成斜拉索，這就是斜拉索方案。深圳萬(wàn)科總部大樓，就是采納斜拉索結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型代表。斜拉索往往用于橋梁結(jié)構(gòu)，這一項(xiàng)目將其大量引入到了建筑結(jié)構(gòu)中。

深圳萬(wàn)科總部大樓中落地的均是筒體或結(jié)構(gòu)墻，底層平面距地有10~15m，在建筑的端部最大有近20m的懸挑。懸挑部分的豎向荷載傳至底層平面，再通過(guò)預(yù)應(yīng)力斜拉索傳遞至豎向落地的筒體或結(jié)構(gòu)墻上。由于斜拉索會(huì)產(chǎn)生水平力重量，為了保證力的有限傳遞，該方案對(duì)底層樓面的平面內(nèi)剛度有肯定的要求。

由于拉索材料的強(qiáng)度高，相對(duì)鋼材來(lái)講，其所需的截面相對(duì)較??；同時(shí)，拉索還可以通過(guò)調(diào)整初始張力，主動(dòng)掌握相鄰柱的位移凹凸錯(cuò)落，改善結(jié)構(gòu)受力。但是，斜拉索的支承樓層也不宜太多，傳力路徑也要盡可能地簡(jiǎn)潔，不要讓索的受力太過(guò)于簡(jiǎn)單而造成索受力狀態(tài)難以精確?????分析。當(dāng)然，斜拉索結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，土建筑價(jià)也相對(duì)比較高。

▼懸掛

在前面的中廣核大廈中，懸挑桁架是布置在懸挑部分的底部的，當(dāng)然，我們也可以把懸挑桁架布置在懸挑部分的頂部，此時(shí)，就成了懸掛結(jié)構(gòu)。挑戰(zhàn)重力懸挑結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式_19

香港匯豐銀行大廈

最聞名的懸掛結(jié)構(gòu)當(dāng)屬香港匯豐銀行大廈，而且結(jié)構(gòu)外露，從立面上就可看出力流的傳遞。整個(gè)立面分成的5個(gè)區(qū)段，在每一區(qū)段的頂部均設(shè)置了兩層高的伸臂桁架，用于承受區(qū)段內(nèi)豎向荷載，伸臂桁架再將受力傳至巨型的鋼立柱上。立柱間跨度33.6m，兩端懸挑了10.6m。

另外一個(gè)典型的懸掛結(jié)構(gòu)是重慶大劇院，與香港匯豐銀行的平面型懸挑略有不同，這一項(xiàng)目呈現(xiàn)出肯定的空間受力性能，其懸掛結(jié)構(gòu)體系本身是被懸挑出來(lái)的。

▼環(huán)梁對(duì)懸挑力量的提升

世博演藝中心懸挑長(zhǎng)度20m~31m不等，懸挑桁架基本上可以歸結(jié)為平面受力模式。但通過(guò)設(shè)置懸挑梁端部的環(huán)梁，提高空間協(xié)調(diào)作用以進(jìn)一步提高其懸挑力量。

剛接環(huán)的存在提高了各懸挑梁的變形協(xié)調(diào)力量，使得懸挑跨度小的梁能夠?yàn)閼姨艨缍却蟮牧汗?yīng)肯定的支承作用。

空間型懸挑結(jié)構(gòu)

深圳證券交易所通過(guò)雙向布置的懸挑桁架，支承了一個(gè)巨大的"漂移平臺(tái)'。這個(gè)項(xiàng)目的建筑底座被"抬升'36米，抬升裙樓本身高24米，同時(shí)在東西向懸挑36米，南北向懸挑22米。懸挑桁架沿裙樓全高布置，雙向布置了6榀主桁架，在主桁架間還布置了一些次桁架，形成了一個(gè)24m高的空間懸臂結(jié)構(gòu)。

從重慶大劇院和深圳證券交易所兩個(gè)項(xiàng)目可看到，通過(guò)交叉布置的懸挑桁架，實(shí)現(xiàn)了三四十米的懸挑，那么，懸挑的跨度還能否進(jìn)一步增加呢？在合理利用整體結(jié)構(gòu)的空間作用的狀況下，央視新大樓實(shí)現(xiàn)了近70m的懸挑。

央視新大樓，在頂部通過(guò)14層高的L形懸臂結(jié)構(gòu)將兩座傾斜的塔樓連為一體，最大懸臂長(zhǎng)度分別為67m和75m。為了反抗懸臂部分豎向荷載作用下的傾覆作用，將支承懸臂的兩座塔樓設(shè)計(jì)成支撐框筒。支撐框筒最初為勻稱布置的斜交網(wǎng)格，后來(lái)依據(jù)實(shí)際的受力狀態(tài)，在受力大的區(qū)域，將支撐布置加密，受力相對(duì)較小區(qū)域，支撐布置比較稀。

同時(shí)，在懸臂部分中，底部?jī)蓪釉O(shè)置轉(zhuǎn)換桁架以支承上部各樓層。轉(zhuǎn)換桁架在兩個(gè)方向連接于兩個(gè)塔樓的外筒上。

對(duì)央視新大樓頂部的懸臂部分來(lái)說(shuō)，兩個(gè)塔樓是不行或缺的。央視新大樓通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的合理布置，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大的懸挑高層建筑。

▼懸挑樓梯

懸挑樓梯屬于空間受力體系。兩個(gè)梯段板一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，平臺(tái)板可認(rèn)為是懸挑板，由于兩個(gè)梯段板不在同一豎向平面內(nèi)，因此梯段板、平臺(tái)板均會(huì)受到一些平面外的力。

同時(shí)，還有螺旋式樓梯。螺旋式樓梯就像一小段彈簧，上、下兩端連接在樓面上，受力特點(diǎn)主要是上半段受拉，下半段受壓，同時(shí)還承受彎、剪、扭的作用。

▼單邊支承弧形懸挑結(jié)構(gòu)

上圖是大神施萊希（SBP）設(shè)計(jì)的單邊支承人行橋。人行橋的一側(cè)鉸接懸掛在一桅桿支承的空間懸索體系上，另一側(cè)是自由端，無(wú)任何的支承。這是一種極具建筑造型感的結(jié)構(gòu)形式。

這一結(jié)構(gòu)是怎么成立的呢？假如這種單邊支承的鉸接支座為直線布置，很明顯整個(gè)結(jié)構(gòu)將繞支座直線轉(zhuǎn)動(dòng)而傾覆。因此，支座必需沿弧線或者是折線布置。由于支座間夾角的存在，因此可通過(guò)橋面產(chǎn)生豎向彎曲，來(lái)反抗整個(gè)人行橋的傾覆，而使得結(jié)構(gòu)得以成立。

上海的迪士尼樂(lè)園有一座人行橋也采納這種形式，大家有愛(ài)好可以近距離去感受一下。

▼懸挑結(jié)構(gòu)的視覺(jué)處理。

講了這么多，封面的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有講。該建筑是日本HOKI美術(shù)館，乍一看美術(shù)館的長(zhǎng)廊懸挑極大，而且從邊上開(kāi)的槽來(lái)看，也不是一個(gè)箱型的截面。那這個(gè)懸挑是什么原理呢？

其實(shí)假如你看了下面這張圖，就明白了。美術(shù)館懸挑的長(zhǎng)廊的確不是箱形截面，但卻是工字形截面。工字形的腹板設(shè)置在長(zhǎng)廊中間，正好可以用來(lái)分隔空間并引導(dǎo)流線，參觀者沿著長(zhǎng)廊走到懸挑端頭，掉頭往回走。而這塊腹板