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本文授权转载自公众号结构小站（id:StrucStation）
作者：严从志
之前碰到一个超大悬挑(悬挑43.5m)的项目，在方案阶段，收集了一些这种大悬挑的实现方式，比如悬挑桁架+次结构。根据悬挑桁架位置不同，次结构可以采用悬挂结构（悬挑桁架位于悬挑体顶部）或者立柱形式（悬挑桁架位于悬挑体底部）。
次结构采用悬挂结构时，由于吊柱在竖向荷载下受拉，不存在稳定问题，可以充分利用高强材料的力学性能，吊柱截面可以做的很小，使建筑显得轻盈，也能节省造价。
高雄市立图书馆室内吊柱
我们通过下面几个收集案例来看一下悬挂结构在建筑中的应用。
案例
1
宝安公共文化艺术中心(2020)
建筑设计：ECADI & CAAU
结构设计：ECADI
宝安公共文化艺术中心
这个项目就是文中开始说的超大悬挑的项目，其实这个项目严格来说，由于建筑功能等原因，采用悬挂结构的位置并不多。但是它存在设置悬挑结构的条件，并且也很有特点，所以这里还是简单介绍一下。
宝安公共文化艺术中心
这个项目最大的特点是，只有三个支撑筒体落地，其他楼面都是通过大悬挑或者筒体之间的连体来实现的。这里最大的悬挑达到了43.5m。
REVIT模型
从Revit模型中可以看到，超长悬挑是通过斜拉的悬挑桁架实现，且桁架层设置在悬挑体底部，因此，次结构采用的是立柱形式。仅在局部悬挑位置采用了悬挂结构，所以不在这里详细介绍了。
2
大疆天空之城大厦(2019)
建筑设计：Foster+Partners
结构设计：ARUP
大疆天空之城大厦
大疆天空之城大厦是一个经典的建筑美学案例，推翻了办公空间的传统理念，在空中构建出一个全新的创意社区。
结构单元划分示意图
结构体系采用“带悬挂层的支撑框架结构体系”，框架支撑筒体作为主要的抗侧体系，在每个悬挂体顶部，结合立面支撑布置，设置多层斜拉悬挑桁架，下部楼层通过吊柱悬挂在悬挑桁架上。
结构体系示意图
悬挑桁架三维示意图
吊柱及三角桁架内的重力传递情况
对于这种存在多个超大悬挑体的结构来说，需要特别注意的是竖向荷载下的结构的变形情况。可以看到，对于南北方向，由于悬挑体的收进，竖向荷载下的最大楼层水平位移达到了30mm左右。
竖向荷载作用下结构的水平变形
施工顺序对悬挂结构的内力影响非常明显，不合理的施工顺序可能会使结构在施工过程中产生较大的变形、构件内力。大疆采用的施工方案，是设置临时支撑，从下往上逐层施工，待施工完毕后，从上往下，依次拆除临时支撑。
施工方案示意图
3
高雄市立图书总馆（2012）
建筑设计：刘培森建筑师事务所
结构设计：筑远工程顾问有限公司
高雄市立图书总馆
高雄市立图书馆，地上结构以位于四角的巨型柱与第８层的巨型桁架层组成巨型框架作为主要抗侧力及竖向力系统，并利用钢材受拉最有效率的设计原则，采用高张力钢棒悬吊３楼至７楼的楼板，有效减小柱截面尺寸，实现了地面层的无柱开放空间。
结构草图
其主要结构系统由４个巨型柱、８楼巨型桁架层、钢棒及格子梁系统所组成。以悬吊系统的传力方式，借由高张力钢棒将垂直载重向上传递至桁架层，再通过巨型柱将力量传递至基础。
传力路径
巨型柱按平面配置及使用情形可分为４种型态（Core Ａ～CoreＤ），作为该工程主要的抗侧系统，也是整栋建筑垂直方向交通核，亦为该建筑物主要设备管线提供了配置空间。
四个巨柱示意图
巨柱也作为竖向交通核
８楼作为桁架层，设置多组１层高的巨型桁架，以满足吊挂３楼至７楼楼板的强度需求，且各组桁架均跨在上述主要巨型柱上，组成完整的巨型框架，提供整体结构抗震及耐风的侧向力设计需求。
顶层桁架布置示意图
巨柱与巨型桁架示意图
吊柱采用高强钢棒。由８楼的巨型桁架层向下吊放，在室内标准区采用10.5ｍ×10.5ｍ的方形网状配置，并配合中庭（天井区）作倒锥形环状配置。在各钢棒接头间，皆使用Ｈ型钢连接，组成10.5m×10.5ｍ的格子梁系统配置。
吊柱布置示意图
吊柱连接示意图
防吊柱受弯示意图
为防止吊柱受弯以及楼面脱落，吊柱与楼面梁设有2cm的间隙，并设置安全螺栓。
施工过程
4
贵阳中天201大厦（2008）
贵阳中天201大厦
可以看到，贵阳201 大厦的建筑形体与前面介绍的大疆天空之城非常相似，采用的是支撑筒悬挂结构体系，分为结构、子结构和悬挂桁架体系三部分。作用于结构的水平荷载主要由主结构承担，子结构以承受自身竖向荷载为主，依靠悬挂桁架支撑。悬挂桁架将承受到的竖向荷载传递到主结构。
结构示意图
主结构及4 个子结构平面投影分布图
子结构分为三段，每段均设置悬挂桁架，悬挂桁架由两榀对角桁架和四榀正交桁架组成。
支撑筒及悬挂层示意图
悬挂结构及悬挂桁架
5
北京新保利大厦（2006）
建筑设计：SOM
结构设计：SOM
北京新保利大厦
北京新保利大厦是钢框架-型钢混凝土核心筒混合结构。
北京新保利大厦吊楼示意图
在建筑的东北面设置了一个约50米高的悬挂式钢结构吊楼。吊楼悬挑长度约25米，由东南角的筒3 悬挑及4 根斜拉主钢索悬挂。顶部由四根主锁悬挂，主索分别悬挂于西北角、东南角与西南角的核心筒上，主要受力点在核心筒上。
吊楼平面位置示意图
为加强吊楼的三维整体刚度，在吊楼的三个侧面设置了钢结构交叉斜撑。
吊楼侧面的交叉支撑
为防止上部地震力通过钢索传递至吊楼，在钢索吊点处设置了摇摆机构，通过摇摆结构的转动释放地震作用。四根主索分为两组，每两根一组构成一个摇摆机构。
吊楼摇摆机构示意图
吊楼摇摆机构模型
当主体建筑在水平地震作用下有水平位移，如果主钢索不和主建筑的抗侧力体系分隔，主钢索就会成为支撑构件，将地震作用传递至吊楼。当在悬挂点设置了在摇摆机构时，当主体结构有水平位移时，主钢索将会根据主体结构的变形而自我调节，而不会对吊楼产生附加荷载。原理和广场上经常看到的空竹是不是很像。
吊楼摇摆机构原理示意图
空竹示意图
摇摆节点图
6
香港汇丰总行大厦（1986）
建筑设计：Foster+Partners
结构设计：ARUP
香港汇丰总行大厦
香港汇丰银行是由著名建筑师诺曼.福斯特设计，是典型的框架悬挂结构。整座建筑物高180m。大楼外形上显著暴露出钢柱和钢桁架，成为立面的主角，大楼底部完全开敞。
香港汇丰总行大厦
结构设计是著名的ARUP创始人Ove Arup。的整个地上部分采用巨型桁架，分五段悬挂在8根巨型格构式柱上。结构的水平荷载和竖向荷载由这个8根巨型格构柱承担。每根巨型格构柱是4.8mx5.1m，由4根圆钢管柱组成，每根圆钢管柱在底层直径为 1400mm，壁厚为 90~100mm，顶层减小到 800mm 和 40mm。巨型格构柱每隔3.9m以矩形截面加腋钢梁相连，形成空腹的巨型格构巨柱。水平面内，还增加了斜向的交叉撑。
结构草图
结构平面示意图
巨型格构柱示意图
各楼层荷载由5个设置在不同高度上的巨型桁架承担，由巨型桁架传递到巨柱上，再由巨柱传递到基础上。全楼东西向的稳定由上图中的5个两层高的桁架来保证，而南北向的稳定则是靠设置在巨柱中间的5排双层交叉支撑提供。巨型格构柱在水平力作用下产生弯曲变形时，巨型桁架的转动会受到两侧巨型格构柱的约束，一侧受拉，一侧受压，形成与倾覆力矩反向的抵抗力矩。
结构剖面图(东西向和南北向)
传力路径
整个结构的用钢量非常大，达到了3万吨，单位用钢量大约303公斤每平米。但是使得建筑空间可以灵活使用，可以布置餐厅、会议厅及游泳池等大型空间。
7
德国慕尼黑BMW行政大楼（1972）
建筑设计：Karl Schwanzer
结构设计：Dyckerhoff & Widmann AG
慕尼黑BMW(宝马公司)行政大楼（图片来源:iStructure）
德国慕尼黑 20 层的 BMW(宝马公司)行政大楼建于 1972年。核心筒由四个开口圆形混凝土小筒用连梁及楼板连成整体，用作竖向的交通通道。从核筒的顶部中央挑出 7.9m 的四个巨型桁架。地面以上共 19 层，第 12层为转换层，上面7 层支承在转换层，下面11 层悬挂于转换层。
转换层桁架（图片来源:iStructure）
吊柱位于楼面中部靠近核心筒的位置，楼面梁呈放射状。
施工过程（图片来源:iStructure）
建筑外部立面用铝合金板装饰，光彩耀目，结构与建筑的完美结合。
8
明尼阿波利斯联邦储备银行大楼（1972）
建筑设计：Gunner Birkerts
结构设计：Skilling, Helle, Christiansen, Robertson事务所
明尼阿波利斯联邦储备银行大楼（图片来源:iStructure）
美国明尼苏达州明尼阿波利斯市建造的联邦储备银行大楼采用的是拱式悬挂结构。该建筑物共16层，其两端设置刚劲的竖向芯筒，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。
施工过程（图片来源:iStructure）
两芯筒顶端之间采用K形桁架，来平衡主钢索拉力。通过这种结构形式，其楼盖得以架设在 330 英尺(约100m )跨度的空中，能够实现建筑物的大跨度。可以看到建筑首层实现了完全无柱的大空间。
结构示意图
后加的6层由拱承担，拱在桁架系统中产生的拉应力由悬挂系统在拱中产生的压应力抵消；悬链由0.914m宽的焊接宽翼构件和直径为10.1cm的索组合而成；拱与索受力的完美结合，成为结构形式鲜明的艺术品。
9
南非约翰内斯堡（1970）
南非约翰内斯堡
南非约翰内斯堡
南非约翰内斯堡标准银行中心建于1970 年。核筒由四个方形小筒用连梁连接成束筒，核筒壁厚度从底部 690mm 变化到上部的 190mm；筒体在三个水平面外伸 9.5m 长的 8 根预应力混凝土悬挂转换大梁，支撑各 10层 楼面，悬挂转换大梁是从核心筒壁厚度变化处的圈梁挑出；楼面的内侧支承在核心筒上，外侧通过后张预应力混凝土吊杆悬挂在转换大梁上；吊杆为 3.5m长的预制混凝土柱，柱截面宽 0.53m，厚度不等，中心预留空道，张拉预应力筋；预应力筋随悬挂荷载的增加而分批张拉，上端锚固于转换大梁上，下端锚固在楼面的边梁上。
小结
但是相比于其他结构类型，悬挂结构的冗余度不高，特别是顶层处的悬挂桁架，在设计时建议留一定的富裕度。其次，在悬挂结构中，竖向荷载往往是控制工况，而竖向荷载又是一直存在的，因此，对竖向荷载的分析是悬挂结构设计的重点。合理的施工方案又是悬挂结构能够顺利施工的关键，不合理的施工顺序可能会造成严重的后果。
悬挂结构传力明确，合理的选用悬挂结构，可以充分发挥高强材料的力学性能，使建筑显得轻盈，往往还可以与建筑形态实现巧妙的结合。
参考资料：
[1]张盈智,刘佳豪,周辰颖.高雄市立图书总馆全悬吊结构设计与施工[J].建筑钢结构进展,2016,18(06):57-71.
[2]大疆天空之城大厦、大疆天空之城大厦二期抗震专项审查报告，奥雅纳.
[3]宝安公共文化艺术中心抗震专项审查报告，ECADI.
[4]吴盈. 巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制[D].南京航空航天大学,2008.
[5]张滔滔. 单筒悬挂结构地震反应时程分析及其参数研究[D].南京航空航天大学,2007.
[6]王春林. 核筒悬挂建筑结构的减震分析及CFRP索结构设计[D].东南大学,2005.
[7]黄咏政. 新保利大厦非对称多塔连体结构动力特性与抗震设计[D]. 清华大学, 2009.
[8]王兴法,林超伟,许波,李开伦,雷霆,熊亮.贵阳201大厦结构体系研究[J].建筑结构,2012,42(03):10-14+28.
[9]公众号：iStructure，挑战重力的另一种方式——悬挂结构.
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