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鋼結(jié)構(gòu) | 挑戰(zhàn)重力的另一種方式——懸掛結(jié)構(gòu)

廣東建筑工業(yè)化展 2018-03-09 2710

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。總寬約55m，總長(zhǎng)約70m。總平面呈矩形，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)，從小i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)，小i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“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。