悬挂结构在绿色空间和高层建筑领域的探索和应用

随着科学技术的不断发展，悬挂结构在现代建筑中已被广泛应用，也取得了巨大的发展。悬挂结构是指屋顶或建筑各层悬挂在立柱（井筒或塔架）上的结构，又称悬吊式建筑结构。悬挂结构的应用不仅在形态上丰富了建筑的造型，打破了“建筑须上小下大”的传统形式，带来视觉上的新颖体验，还在建筑功能的探索上取得了长足进展，使建筑朝着“绿色生态”的方向发展——城市“开放空间”的扩大、建筑“社交功能”的拓展和空间使用率的提高，等等。除此之外，悬挂结构在建筑中的应用也使得建筑得以朝着更“高”的方向发展，一定程度上缓解了现代社会建筑密度较高和拥挤的现状。本文对悬挂结构建筑实例进行了介绍，浅析了该结构的概念、特征及在绿色空间和高层建筑领域的探索和应用。

概  述

建筑的发展和走向与所处的社会现状息息相关。目前，现代社会无可奈何地面临着一些建筑空间上的难题。首先，公共空间和住宅建筑如雨后春笋般地拔地而起，但是，城市开放空间却越来越紧缺。在城市中，开放空间往往只是公共空间和住宅建筑的附属品，因此会产生城市交互功能衰退的问题，随之而来的是一系列压力和焦虑并存的社会问题的产生。其次，人口密度越来越大，这意味着住宅建筑的密度亦可能继续增大，也意味着建筑会朝着越来越“高”的方向发展，这样，低层建筑的采光难问题也逐渐成为了亟需解决的难题。

因此，如何在有限的空间中争取足够多的开放空间，建造出属于现代城市的绿色空间和高层建筑或将这两者有机结合，是建筑师和结构工程师们共同面临的课题。而悬挂结构恰好给予了这个难题一个恰当的解答，让建造者们得以展开对新的建筑形式的探索。

在本文中，笔者将结合建筑实例，从悬挂结构的概念与发展、形式与特征、实例与应用三大方面浅谈悬挂结构在缔造绿色空间和高层建筑方面的贡献。

自然的延伸：悬挂结构的概念与发展

悬挂结构是一种新兴的建筑结构形式，先后经历了模拟自然、逐渐发展和最终被应用到建筑中三个成长阶段，在功能和形式上已进行了丰富的探索，给人类社会带来的意义是巨大的。

灵感与起源：自然界形态的启发

悬挂结构实际上起源于自然。自然界中，果树、蜘蛛网等的形态都是该结构的原型。以果树为例（图1），树干承担类似悬挂结构中立柱（井筒或塔架）的作用，果实对应悬挂结构中的屋顶和各楼层，连接果实和树干的树枝则对应悬挂结构中的连接构件，应用到建筑中，则成为分散的钢索和吊顶，用于承担屋顶和楼板的重量，充分发挥材料的力学性能，从而增大结构跨度和减少材料用量（图2）。

除此之外，果树的形态还给悬挂结构的形态与应用带来了其他启发。首先，果树交错的藤蔓有很好的透光性，却又非常牢固，是最经济的一种受力体系，这成了大跨度悬索桥和悬挂屋盖等结构的雏形；其次，果树清晰、明确的受力特点也给建筑形态带来了启发。“果实——藤蔓——树干”这种简单的连接方式直接能够反映到建筑中的“被悬挂体——连接构件——主体落地结构”，使悬挂结构建筑的结构体系一目了然且切实可行。最后，果树的“对称”形式也启发了悬挂结构建筑的对称形态，这样就可以把重心集中落在中间的承重结构上（图3）。

提出与应用：悬挂结构在吊桥与屋顶中的使用

（1）悬索桥的概念和受力特点

悬挂结构最早是作为一种解决交通问题的方式被运用在悬索桥上的。悬索桥又称吊桥，指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸（或桥两端）的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构件的桥梁。

悬索桥主要是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、吊索等构件构成的柔性悬吊体系（图4），成桥时主要由主缆和主塔承受结构自重，加劲梁受力情况由施工方法决定。

悬索桥在工作时，两个主桥塔作为主要承重构件将主缆索架起，再由固定在主缆索上的吊杆将作为桥面承重构件的主梁悬吊柱。在受力时，外力先作用于桥面，再由桥面传递到主梁，再传递到主塔，最后传递到地基（图5~6）。此过程中，负责连接的吊杆和主缆索承受的拉力很大，现如今的悬索一般会选择强度较大的多股高强钢丝。

因此，相比其他桥梁，使用悬挂结构的悬索桥具有以下优势：第一，悬索桥可以使用较少的材料来跨越较长的距离；第二，悬索桥能够建造在较高的高度，允许船只在桥下通行；第三，悬索桥比较灵活，同时适合大风和地震区的需要。

（2）悬挂屋顶的概念和发展历程

悬挂结构除了被应用在桥梁上之外，还被应用于建筑的屋顶构造当中。1837年在法国建造的洛里恩军械库就采用了悬挂结构的屋顶，但是其形式依旧受到了“悬索桥”的影响——用缆索把屋顶悬吊起来。早期的悬挂结构大多被应用在了大跨度的建筑屋顶上，但随着技术的不断成熟，悬挂式结构也不断被刷新和应用。1927年，Rash等人提出了用钢桅杆悬挂楼层的建筑方案，使城市变为线形建筑塔群。1938年，Williams提出了用悬挂法建造超高层建筑结构的想法。但直到20世纪50年代后期，高强度钢的出现才使得悬挂结构真正被广泛应用于中高层建筑中，自此悬挂结构才开始真正意义上进入建筑实用阶段。

发展与成熟：悬挂建筑的出现

（1）现代悬挂建筑的发展

早期的悬挂建筑多应用于大跨度、大空间的单层建筑当中，在20世纪50年代后期进入建筑实用阶段以后，已有20多个国家建造了近百座各式各样的悬挂建筑，如德国的BMW总部大楼、南非的约翰内斯堡标准银行大厦、我国的香港汇丰银行大厦等。

（2）现代悬挂建筑的形式

目前，悬挂结构大多被应用在高层建筑中，是采用吊件将楼层分段悬挂在承重主构架上所构成的一种结构体系，主要由三部分组成：一是承重主构架，分为芯状钢梁式、树状构架式、巨型框架式等，它承担全部侧向荷载和竖向荷载并将荷载传递到基础；二是吊件，其作用是将各楼层与承重体系联系在一起，多为钢吊杆或钢丝绳，具有截面小、长细比大的特点，由于只承受拉力，不会受压杆稳定性影响，因此强度也能被充分发挥；三是被悬挂的楼层（图7）。

（3）现代悬挂建筑的分类

悬挂结构依据其性能的不同通常可以分为四类，分别为刚性筒体结构、拉索桅杆结构、张拉集成结构和单层大空间悬挂结构。因此，悬挂建筑也大体也可按这四种类型来划分。刚性筒体结构是目前世界上建成数量最多的一种悬挂建筑，此处以美国明尼阿波利斯联邦储备银行大厦来为例，简要介绍刚性筒体结构悬挂建筑的特点。

刚性筒体结构使用单筒或多筒承受建筑的全部侧向和竖向荷载，筒体的材料可以是钢筋混凝土，大多数筒体都被作为垂直运输的电梯井使用。且由于其参与，悬挂建筑得以向高层方向进发。

明尼阿波利斯联邦储备银行大厦共16层，在两端设置了刚劲的竖向芯筒，多根主钢索拉设于两芯筒顶部之间，呈悬链状。在主钢索以下的各层楼盖以吊柱的形式吊挂在钢索上。在主钢索以上的各层楼盖以钢柱的形式立在钢索上，形状就如同一座悬索桥一般（图8~9）。

为了平衡主钢索的拉力，保持建筑整体的稳定和平衡，在两个芯筒之间采用了K形框架。通过这种结构形式，其楼盖能够得以架设在110m跨度的空中，从而实现大跨度的目的。

从实例中解读：悬挂结构的形式与特征

对绿色空间的探索：广东省博物馆新馆

广东省博物馆新馆的设计采用了“宝盒”的概念，希望在建筑内部实现大跨度的无柱空间并且形成开放、宽敞的中庭，从而达到在尺度和光线上的舒适体验。为了实现这个目标，广东省博物馆新馆选择了悬挂结构建筑形式。

（1）结构的优化：悬挂和桁架并用

悬挂结构给予该建筑两大特点，分别是建筑最外圈悬空的形态和中庭大跨度的无柱空间。首先，在建筑整体布局上，结构设计利用建筑的竖向交通空间设置剪力墙作为抗侧和竖向承重构件。为了实现建筑最外圈悬空的形态，在建筑顶层设置了大跨度的悬臂钢桁架作为主要受力体，再通过在桁架上设置吊杆悬挂外围展厅，从而最终实现了这个建筑最外圈悬空形态的设计。为了实现中庭大跨度的无柱空间，同样是在桁架上设置吊杆作为竖向受力构件，不仅实现了无柱的开阔空间，还平衡了部分由悬臂桁架产生的倾覆弯矩（图10~12）。

悬挂结构的应用创造了该建筑的绿色空间。主要表现在三个方面：首先，造型契合“宝盒”的概念，更加美观。悬挂结构的应用使该建筑不同于传统建筑中上窄下宽的一贯特色，创造出了颠倒的特殊形态，能够丰富视觉体验。其次，节约城市用地，提高城市空间的利用率。悬挂结构使建筑的底部支撑空间减小，建筑外缘悬空，生成了建筑外缘底部的开放空间（图13）。开放空间的存在是对人群自然社交和城市轻松氛围感营造的助推力。最后，无柱中庭加强了建筑和自然的联系（图14）。由悬挂结构生成的无柱中庭很好地实现了光线的引入并且可以调节建筑内部的通风，使建筑很好地适应广州当地的气候，形成和自然的紧密联系。

因此，广东省博物馆新馆使用桁架和悬挂结构很好地实现了建筑最初的“宝盒”构想，并且使该建筑成为了一座极富绿色特征的建筑——提高了城市空间的利用率、增加了城市开放空间、丰富了建筑形态、生成了开阔的内部空间并加强了建筑与自然的联系。

对高层建筑的探索：香港汇丰银行大厦

（1）结构的优化：格构柱和桁架组成的高层悬挂体系

香港汇丰银行大厦建筑地上为43层，约180m高。从整体上看，该建筑的主要承重部分是两端的巨型格构柱（图15~16），承担了所有竖直和水平荷载。为了使建筑具有自由、开放的中央空间，并且为了强化建筑整体的稳定和平衡，建筑内部的电梯和卫生间等服务设施被从主体空间移除，被设计悬挂在建筑两侧，从而均衡了承重柱两边的荷载，增加结构稳定性。

从楼层来看，各楼层由5个设置在不同高度的巨型桁架承重，力由巨型桁架传递到巨柱上，再由巨柱传递到基础上。整个建筑东西向的稳定性由5个两层高的桁架来保证，而南北向的稳定性则依靠设置在中间的5排双层交叉支撑保证。格构柱在水平力作用下产生弯曲变形，桁架转动会受格构柱约束，两者相互作用，相互平衡，保证了高层建筑的稳定性。

（2）悬挂结构在高层建筑中的应用

现代社会，对自然休憩空间的需求，和改善封闭室内环境的需求，逐渐成为高层建筑中必须被重视的问题，且中庭开始在高层建筑中广泛流行。在香港汇丰银行大厦的案例中，最大特点就是在建筑外部就能够完整地看到整个建筑的结构框架，内部没有任何支承结构从而使内部办公空间实现了最大化，进而满足高层建筑（尤其是办公建筑）对于自然氛围和开阔空间的诉求。

而在高层建筑中使用悬挂结构的驱动力是悬挂结构能为高层建筑带来巨大裨益。首先，悬挂结构为建筑带来了巨大的灵活性，能够营造出各种不同的无柱大空间，满足高层建筑对于开阔空间和舒适办公环境的需求。第二，悬挂结构的应用具有非常显著的缓震作用。第三，悬挂结构能够实现城市开放空间的释放，在高楼林立的城市中，悬挂结构匀出的建筑底层的开放空间缓解了城市的拥挤感和人们的焦虑感，大大提高了城市空间的利用率。最后，悬挂结构体现了结构和材料的先进性，它复合集中使用各类材料及张力构件、轴力构件，并可充分发挥材料和构件的强度。

因此，悬挂结构在现代高层建筑的探索中已具有至关重要的地位，不能被忽视。

结  语

悬挂结构为绿色空间的实现和高层建筑的建造开辟了全新道路。在绿色空间的实现上，悬挂结构创造出开放的建筑底部空间，拓展了城市开放空间，实现了建筑内部大尺度无柱中庭，引入自然风和光线，加强了建筑对自然的适应和联系，提高了空间利用率，为城市缓解了因社会发展而引起的一系列紧张、拥挤和压抑的情绪。在高层建筑的建造中，悬挂结构的应用不仅实现了高层建筑所需的内部的大尺度开阔空间，实现了内部中庭的设置，还为高楼林立的城市拓展出底部开放的空间。

综上所述，悬挂结构在绿色空间和高层建筑领域的探索和应用取得了巨大进展，创新的悬挂结构给空间、建筑和城市带来了全新体验，值得我们持续关注。

（编辑：奚雅青）

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