[科普中國(guó)]-懸掛式建筑

屋頂或各樓層懸掛在立柱（井筒、塔架）上的建筑，又稱(chēng)懸吊式建筑。這種建筑的特點(diǎn)是用分散的鋼索和吊桿承擔(dān)屋頂和樓板的重量，充分發(fā)揮鋼材的力學(xué)性能，因而可增大結(jié)構(gòu)跨度和減少材料用量，并可使建筑的形式富于變化。1837年建造的法國(guó)洛里恩軍械庫(kù)，已采用了懸掛結(jié)構(gòu)屋頂。20世紀(jì)50年代以后，隨著鋼材強(qiáng)度的提高和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論的發(fā)展，懸掛式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸廣泛，既用于單層建筑，也可用于高層建筑。

定義懸掛式建筑是屋頂或各樓層直接或間接懸吊在某種支承結(jié)構(gòu)上的建筑。

一般用柱、井筒或塔架作縱向支承結(jié)構(gòu)，用梁、桁架作橫向支承結(jié)構(gòu)，再用吊索或吊桿懸吊屋頂和各個(gè)樓層，形成房屋的承重結(jié)構(gòu)，然后安裝幕墻和內(nèi)外裝修即成為完整的建筑物。常見(jiàn)的多為由電梯井、樓梯井和輔助用房形成中央筒體，各層樓板的內(nèi)端支承在井筒上。外端由吊桿懸掛，吊桿則懸掛在由井筒伸出的吊架上。也還有將各個(gè)樓層懸吊在兩邊兩個(gè)筒體之間的桁架上者。1

懸掛結(jié)構(gòu)單層懸掛結(jié)構(gòu)建筑在這種建筑中，梁、桁架、薄殼或屋面板等剛性構(gòu)件組成的屋頂用懸掛索吊住，錨固在中心柱上，形如吊傘；也可錨固在兩端的塔架上，形如懸橋。中國(guó)60年代初建造的南昌拖拉機(jī)齒輪廠(chǎng)齒輪車(chē)間的懸掛式建筑，柱網(wǎng)為12×12米,屋頂用4塊4×4米的殼板組成一傘形，用8根拉索懸掛在立柱頭上（圖1）。1962年意大利曼圖亞市建造的布爾哥造紙廠(chǎng)為跨度最長(zhǎng)的懸掛式建筑，屋頂總長(zhǎng)250米（中間跨度163米），寬30米，僅用4根鋼纜將支承屋頂?shù)?根縱向鋼梁懸掛在兩座 50米高的混凝土A形支腿的塔架頂端。

高層懸掛結(jié)構(gòu)建筑這種建筑主要由井筒、吊架或斜拉桿、吊桿和各層樓板構(gòu)成。井筒常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也可采用鋼結(jié)構(gòu)。各層樓板的內(nèi)端支承在井筒上，外端由吊桿懸掛住，吊桿懸掛在由井筒伸出的吊架上，也可用斜拉桿懸掛在井筒的頂端。所有荷載傳遞到中心或兩端的井筒，再由井筒傳至基礎(chǔ)。根據(jù)層數(shù)、平面和立體形狀，可采用頂部懸掛或分組懸掛，懸掛的方式可用桁架懸掛或用斜拉桿懸掛。1985年建成的香港匯豐銀行是目前世界上最高的大型懸掛結(jié)構(gòu)建筑，地面上43層，高167.70米，采用5組桁架式懸掛結(jié)構(gòu)，垂直構(gòu)件為8組鋼柱，每組4根柱子。1972年建造的美國(guó)明尼阿波利斯的聯(lián)邦儲(chǔ)備銀行，12層樓的荷載通過(guò)吊桿懸掛在兩個(gè)高為8.5米、跨度長(zhǎng)為84米的桁架大梁上，又用兩條工字型鋼作成的懸鏈，對(duì)大梁起輔助作用。懸鏈?zhǔn)綐?gòu)件產(chǎn)生的水平力由桁架大梁承受，以后還可再增加層數(shù)，懸掛在鋼拱上。

高層建筑采用懸掛式結(jié)構(gòu)，主要有以下特點(diǎn)：

①結(jié)構(gòu)受力明確，吊桿可用高強(qiáng)鋼；

②有較多的工作面，加快了施工速度；

③由于筒體先施工，水、電、電梯等設(shè)備可先行安裝，有利于提早交付使用；

④由于自上而下施工，安裝窗戶(hù)玻璃、油漆、外墻裝修等，不會(huì)污染飾面；

⑤施工時(shí)可用吊籃取代腳手架，費(fèi)用較低，并可減少工作量。

優(yōu)點(diǎn)總的說(shuō)來(lái)，懸掛式建筑消耗的鋼材少，能增加有效的使用面積，還有很好的抗地震性能，又可以減少基礎(chǔ)的數(shù)量，減少基礎(chǔ)不均勻的沉降等。

消耗的鋼材少拿消耗鋼材來(lái)說(shuō)，高樓大廈鋼材消耗的數(shù)量很多，工房結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，每平方米建筑面積平均也要消耗 20 千克以上的鋼材。高層建筑消耗的鋼材更多，美國(guó)一般 20～30 層的樓房，每平方米要用 70～80 千克，超過(guò) 30 層甚至要用 100 千克以上。因此，用較少鋼材能造出同樣多面積的房子來(lái)，就是優(yōu)越的設(shè)計(jì)。懸掛式建筑就有這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

能增加有效的使用面積懸掛式建筑骨架小了，被骨架占去面積也小，這樣，可增加房間的有效使用面積。

還有一些優(yōu)點(diǎn)：既然房屋掛起來(lái)，底部就離開(kāi)地面了，掛著的房屋不需要做基礎(chǔ)。

很好的抗地震性能鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的房屋掛起來(lái)可以安全些，人住在懸掛的房屋里雖然主要不是為了安全，但是在遇到地震時(shí)，它要比其他建筑物安全，它的抗震性能比一般建筑物要好。

減少基礎(chǔ)的數(shù)量懸掛起來(lái)的建筑物，它是從上面向下造的，這種方法和我們習(xí)慣的造法完全顛倒。懸掛式建筑物，如要像一般造房子那樣從下向上造，倒是十分困難的，它沒(méi)有基礎(chǔ)，也不能在地面上造好 20 層樓再把它掛上去，只能一層一層地造。

懸掛式建筑要從掛著的那一頭先造起，但是也不是從 25 層高的地方向下面造下來(lái)。實(shí)際上懸掛式建筑還是在地面上造的。施工的過(guò)程是，先造中間的高塔，在高塔頂上伸出 4 根堅(jiān)固的橫梁架子，這時(shí)，可把吊掛房子用的鋼索在梁端掛下來(lái)，直掛到地面附近，建筑工人在地面上先造最高的那一層，例如第 20 層，造好后再把這一層用頂和吊的方法提上去，然后再在地面上接著造第 19 層。就這樣一層一層地向下造，鋼索一層一層地收上去，而建筑工人始終在地面上工作，既安全又省力?；炷?、鋼材，都不用搬運(yùn)到高空去，人也大多不用到高空去施工。

懸掛式建筑具有極多優(yōu)點(diǎn)，所以很快地就發(fā)展起來(lái)。自第一座大樓造成后，已有 20 多個(gè)國(guó)家建造了近百座各種各樣的懸掛式建筑物，有辦公樓，有住宅，有旅館，也有醫(yī)院，甚至展覽館等，最高的達(dá)到 27 層、130 米高。

減少基礎(chǔ)不均勻的沉降懸掛式建筑物底部離開(kāi)地面有一段距離，并不直接和地面接觸，不能直接從它的下面進(jìn)到建筑物里面去，要通過(guò)中間那座高塔。中間的高塔既是掛起這 4 座建筑物的“柱子”，又是進(jìn)出這些建筑物的交通要道。高塔中布置了很多座電梯，還有樓梯以及各種管線(xiàn)設(shè)備，像自來(lái)水、煤氣、電力、暖氣、冷氣管道，都從高塔里通過(guò)，再送到各層樓去，因此，高塔成了交通運(yùn)輸?shù)闹行摹８咚拿繉訕?，都?4 座懸掛建筑物的每一層樓相連接通的，這些懸掛式建筑物和高塔實(shí)際上是緊靠在一起，只有很小的一道縫把它們分隔開(kāi)來(lái)，使人感覺(jué)不出它們是各自分開(kāi)的。分開(kāi)這兩部分的縫實(shí)際上只有幾厘米，接觸面也不是一個(gè)平面，而是圓弧形，它們像榫頭一樣互相咬合在一起，因此，懸掛式建筑物在外力的作用下，例如像臺(tái)風(fēng)或者地震的情況下，也不可能來(lái)回?cái)[動(dòng)，更不會(huì)像掛著的鳥(niǎo)籠那樣容易搖晃。

讓鋼材“受拉”比“受壓”要有利這一事實(shí)，人們是早已知道的。在工程上面也應(yīng)用過(guò)。有一種稱(chēng)做“懸索橋”的橋梁，就是運(yùn)用這一原理建造的。把橋掛起來(lái)的想法，至少要比把房屋掛起來(lái)的想法早得多。

鋼筋定位簡(jiǎn)介鋼筋間距小而影響梁的澆注質(zhì)量，主要發(fā)生在梁的受壓區(qū)，在連續(xù)梁、井字梁結(jié)構(gòu)以及需要按計(jì)算配置受壓鋼筋的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆構(gòu)件中都會(huì)遇到。在現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁的施工中，當(dāng)梁寬小于30cm，上部鋼筋多于4根或鋼筋間凈距小于5cm時(shí)，就會(huì)影響混凝土的振搗質(zhì)量和造成鋼筋的移位，這時(shí)可采用鋼筋懸掛式定位綁扎方法，即在梁的基本骨架綁扎固定后，將梁跨中上部受壓區(qū)中間部分鋼筋采用臨時(shí)懸掛固定。具體操作就是梁受壓區(qū)鋼筋除兩側(cè)靠箍筋的受壓筋(或架立筋)正常綁扎以形成骨架外，中間位置上的鋼筋用φ6鋼筋做成S鉤或用鐵絲將鋼筋臨時(shí)懸掛在箍筋上，即固定鋼筋的上下間距的位置，但左右則可移動(dòng)。在澆注混凝土的過(guò)程中，由于鋼筋可左右移動(dòng)，鋼筋間距增大，振動(dòng)棒可以方便地插入梁內(nèi)實(shí)施振搗作業(yè)。當(dāng)混凝土澆注至距懸掛筋下5cm左右時(shí)，對(duì)懸掛筋實(shí)施二次綁扎固定，繼續(xù)完成整根混凝土梁的澆注工作。

注意的問(wèn)題在采用“懸掛式定位法”施工時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題：

(1)混凝土的澆注順序，應(yīng)從梁中開(kāi)始向兩邊澆注，對(duì)框架梁，首次澆注至柱邊時(shí)暫停，在完成二次綁扎固定后，梁柱整體一次完成，以免梁端負(fù)筋(節(jié)點(diǎn)處梁上部負(fù)筋)移位。

(2)梁端上部鋼筋為受拉，其錨固長(zhǎng)度一般在40～35d，因此，梁端上部鋼筋往往都伸入到梁的中下部甚至柱內(nèi)，若在混凝土澆注前不加以固定，則在二次綁扎時(shí)就位工作將很困難。其解決方法是：視鋼筋錨固垂直段的長(zhǎng)度采用2～3根φ16鋼筋將梁端上部受力筋點(diǎn)焊定位。

(3)當(dāng)梁上部鋼筋為1排時(shí)，可采用鐵絲做成O字形懸掛，松緊度以鋼筋能左右自由移動(dòng)為準(zhǔn)，懸掛點(diǎn)間距視受力鋼筋直徑和箍筋直徑大小而定，同時(shí)考慮混凝土傾卸及操作，一般為1～1.5m即可。當(dāng)上部受力筋為2排時(shí)，第1排筋仍可采用上述方法，第2排筋采用φ6鋼筋制成S形懸掛于箍筋上(懸掛點(diǎn)與上排錯(cuò)開(kāi))，懸掛點(diǎn)一般為1～1.5m即可；也可懸掛于上排鋼筋上，此時(shí)上排筋的懸掛點(diǎn)間距應(yīng)加密，一般為0.5～1m。

(4)采用懸掛式定位法施工，存在鋼筋的二次綁扎定位，因此，要求鋼筋工跟班作業(yè)，以保證混凝土澆注不間斷，在混凝土初凝前完成整根梁的澆注工作，盡力避免出現(xiàn)施工縫。經(jīng)過(guò)對(duì)8000多m2的現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)大跨度井字梁樓蓋梁板的施工，采用懸掛式定位法均收到了較好的施工效益，施工質(zhì)量得到了有效地控制。在施工過(guò)程中，既減少了混凝土振搗工作的難度，澆注速度也明顯加快，同時(shí)還避免了因鋼筋間距小而形成的“過(guò)篩”現(xiàn)象造成梁上部粗骨料過(guò)多所帶來(lái)的人力、物力浪費(fèi)。

懸掛式建筑實(shí)例舊金山金門(mén)大橋1936年11月12日建成的美國(guó)舊金山金門(mén)大橋，是一座著名的懸索橋，它的總長(zhǎng)度2.7千米，最大的一孔跨過(guò)水面1280米，在當(dāng)時(shí)是世界上最大的一座跨梁橋，兩座高大的鋼塔有227米高，相當(dāng)于50多層大樓的高度，鋼塔坐落在2個(gè)44米高的橋墩上，2座鋼塔之間掛上2條直徑92.7厘米的鋼索，

每條鋼索由61股每股452根鋼絲絞合而成，鋼索總重11000噸，可以吊10萬(wàn)噸的重量，而實(shí)際上吊著的橋面只有一半重。橋面有上下二層，上面是可以并排行駛6輛汽車(chē)的公路，下面是火車(chē)軌道。這座橋竟用去了1933年美國(guó)的鋼產(chǎn)量的6.7%。

斜張橋在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中常采用的斜張橋 （也稱(chēng)作斜拉橋），也是充分利用鋼材受拉優(yōu)點(diǎn)的新穎橋梁形式，如上海市的南浦大橋、楊浦大橋等。無(wú)論懸索橋、斜張橋都比其他的橋梁結(jié)構(gòu)如梁式橋、桁架式橋能跨越更大的距離、節(jié)省更多的鋼材。

明尼阿波立斯聯(lián)邦儲(chǔ)備銀行在美國(guó)有座叫明尼阿波立斯聯(lián)邦儲(chǔ)備銀行的懸掛式建筑，就是按照類(lèi)似懸索橋的方式建造起。兩側(cè)的高塔和橋墩的作用相同，兩座塔頂之間設(shè)有鋼架，垂直的鋼索就掛在鋼架上，把十幾層的建筑物掛起來(lái)。銀行的安全部分如銀庫(kù)、保險(xiǎn)柜等都建造在地面以下，上面的建筑是16層的辦公和管理部分，兩座塔相距100米，整座建筑只有塔占用地面，16層大樓下部是架空的，成為廣場(chǎng)，和外面的廣場(chǎng)連成一體，充分利用了寶貴的土地。

在造型上，它還把兩座塔之間垂鏈形懸索的內(nèi)部和外部?jī)刹糠謮γ娌捎昧瞬煌瓷湫Ч牟Ａ粔Γ惯@一奇特的結(jié)構(gòu)形式充分顯露表達(dá)出來(lái)。建成以后，這種懸掛結(jié)構(gòu)方式曾引起了轟動(dòng)。

其他懸掛式建筑還有一些其他的形式，有的像懸索橋一樣有兩座高塔，在兩座高塔間掛起很大的建筑物。有的把兩座高塔的上端彎曲成拱形，合成一座圓拱，在圓拱上掛許多懸索，把建筑物掛在懸索上。也有的是兩層的拱架，在每一層上各自?huà)炱鹨蛔ㄖ?。也有的像一棵?shù)，伸出許多“樹(shù)枝”，上面掛著一些建筑物?？傊徽撌裁葱问?，它一定要有很高、很堅(jiān)固的塔或架子，從這塔上掛起鋼架和鋼索，再把建筑物掛在鋼索上，這些建筑都稱(chēng)作“懸掛式建筑”。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)