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鋼結構 | 挑戰重力的另一種方式——懸掛結構

廣東建筑工業化展 2018-03-09 3375

與傳統的下部支承式結構相比，懸掛結構最大的特點是下部不需要支撐。懸索橋是最常見的一種懸掛結構，能夠滿足通航需求。

而在房屋建筑領域，懸掛屋面也比較多見。但懸掛樓層的結構并不多，能想到的幾個案例都很經典。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)

結構工程師：奧雅納事務所（ARUP）

采用懸掛式結構體系的前因后果

早在1886年，匯豐銀行第一棟總部大樓已經矗立在港島中環現址上。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。當時的要求是“建造世界上最好的銀行總部大樓”。同時，匯豐銀行還提出了其他要求：

1）為滿足銀行業務擴展和技術更新的需求，大樓內部應具有最大的靈活性；

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開展業務；

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

而在競標階段，銀行對老樓的態度模棱兩可：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，福斯特提交的不是一個固定的方案，而是一種可以推導出若干不同建筑形態的策略——“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開展業務；待新樓部分建好后，銀行業務轉移到新樓中，此時再拆除剩下的老樓，繼續完成新樓的其余部分。懸掛式結構通過不同的組合，可以滿足原有建筑部分或整體、暫時或永久地被保留。

▲投標階段的草圖

同時，銀行的地下空間相對固定：保險庫、安全存放、公共展示等。但建筑上部功能非常復雜，且匯豐銀行強調了對于空間最大程度可變性的要求，而懸掛結構完美地將上部功能變化對下部結構的影響降到最低。這也是采用懸掛結構的一個因素。

憑借著創造性的方案，當時籍籍無名的福斯特贏得了匯豐銀行的委托。

▲匯豐銀行大樓結構方案演化

但緊接著，銀行發現若在既有建筑下面開挖金庫所需的深基坑，在金錢和時間上都是巨大的消耗。因此，銀行在委托福斯特設計后不久，便決定不再保留原來的銀行大樓和大堂。但福斯特對于建筑內部靈活性的考量、懸掛式的結構等概念被保留下來。

除了設計策略以外，將底層空間開放為市民空間，也將規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。這也是采用懸掛結構的加分項。

匯豐銀行的懸掛式結構體系分析

匯豐銀行總部大樓上部結構43層，180m高，地下有四層深16m~20m不等的地下室。總寬約55m，總長約70m。總平面呈矩形，橫剖面呈“山”形。

(1) 結構的主要承重構件為兩端的巨型格構柱，承受全樓的重力荷載和水平荷載。每個巨型格構柱的平面輪廓尺寸為4.8mx5.1m，由4個圓鋼柱組成，鋼柱間每隔3.9m（層高）均連以矩形截面加腋鋼梁，形成空腹格構式的豎向構件。水平面內，還增加了斜向的交叉撐。

▲平面圖和巨型格構柱

(2) 平面圖中可以看出，電梯、衛生間、樓梯間等服務型設施已從大樓內部抽離，懸掛在東西兩側，這樣的處理賦予了使用空間極大的開敞與自由度。同時，這些服務型設施的重量平衡了格構柱兩邊的荷載，增加了結構合理性。

(3) 各樓層的重力荷載由5個不同高度上設置的“兩層高伸臂桁架”分別承受，5個部分相互獨立，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，吊桿為實心鋼棒。桁架構件之間、桁架與吊桿之間用U形節點板和銷軸連接。

（3）全樓東西向的穩定，由上述5個兩層高的桁架與格構柱形成框架來保證。南北向的穩定，則要靠設置在中間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力體系

大樓的整個結構完全暴露。銀行大堂設置在二層，客戶通過自動扶梯穿過一道分隔室內外的玻璃分隔到達建筑內部，就像進入了宇宙飛船。

匯豐銀行大樓的用鋼量沒有查到權威的數據，從小i收集的資料看，約2.8萬t左右。建筑面積9.9萬平米，每平米用鋼量約280kg。

從結構角度看，大樓的用鋼量著實非常大。但是，從建筑的綜合效果來看，包括首層開放帶來的容積率提升、空間靈活變化帶來的使用高效性、給業主匯豐銀行帶來的形象宣傳效果，其經濟性不能說一定不好。

▲港幣上印有匯豐銀行大樓

明尼阿波利斯聯邦儲備銀行大樓

（The Federal Reserve Bank in Minneapolis/1972）

建筑師：Gunner Birkerts

結構工程師：Skilling, Helle, Christiansen, Robertson事務所（這里的Robertson就是LERA的創始人LeslieE. Robertson）

當時業主的基本要求是：建造一個11層的銀行建筑，它要跨越一個寬闊的廣場，還要留有增層擴建的可能性。

結構工程師創造性地采用了“雙筒體+懸索”的結構體系。兩條呈懸鏈線的懸索承受樓層荷載，并將它們傳遞給兩側的筒體；而水平荷載完全由兩側的筒體抵抗。

▲大樓施工現場

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，數根4英寸（100mm）直徑的懸索內嵌在寬翼緣的構件中，立柱和吊柱均與懸索外面的構件相連。

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水平支撐相連，以保證其側向穩定。

該11層建筑頂部為一長條形矩形平面，目前沒有任何結構。將來需要增層擴建時，可在它上面再架設承重拱結構。新增樓層的重力通過拱傳遞給兩側筒體，并產生筒體向外的推力，正好可以平衡懸索引起的向內的壓力。

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構的最大特點，小i覺得有點遺憾。

慕尼黑寶馬總部（BMW Headquarters in Munich /1972）

建筑師：Karl Schwanzer

結構工程師：Dyckerhoff & Widmann AG

寶馬總部大廈坐落在德國慕尼黑奧林匹克公園附近，是一座22層的現代銀灰色高樓，主體由四個圓柱型塔樓組成，象征發動機的四個氣缸，又稱“四缸大廈”。

確切地說寶馬在慕尼黑建造了一個總部園區（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，是德國寶馬博物館（BMW Museum）。再邊上是2008年新建的寶馬世界（BMW Welt），由藍天組（Coop Himmelb(l)au）設計，這個結構也很有特色，以后有機會介紹。