懸掛式建築

屋頂或各樓層懸掛在立柱（井筒、塔架）上的建築，又稱懸吊式建築。這種建築的特點是用分散的鋼索和吊桿承擔屋頂和樓板的重量，充分發揮鋼材的力學性能，因而可增大結構跨度和減少材料用量，並可使建築的形式富於變化。1837年建造的法國洛里恩軍械庫，已採用了懸掛結構屋頂。20世紀50年代以後，隨著鋼材強度的提高和結構力學理論的發展，懸掛式結構的套用逐漸廣泛，既用於單層建築，也可用於高層建築。

基本定義

懸掛式建築

動物的窠就是它們的“房屋”。有些會飛的動物，像鳥類和昆蟲，它們的“房屋”有些是懸掛起來的：一種鷦鷯造的鳥巢，像只茶壺一樣掛在樹枝上，蜂巢常常掛林屋檐下或樹枝上。每當冬天樹葉落盡以後，經常能看到樹枝上掛著一隻只像紡錘或橄欖形的小東西，那是昆蟲的窩。這些鳥類和昆蟲住在懸掛著的房屋內，目的是為了安全，使其他動物不容易接近它們、傷害它們，而它們自己能夠飛來飛去，進進出出還是很方便的。人類從開始建造房屋以來，房屋總是造在地面上的，從最初的低矮的、用樹枝搭成的棚窩，直到現代的高數十層以至上百層的高樓大廈都是一樣。只有極少數在熱帶森林中某些原始部落的房屋，還建造在大樹上。雖然是造在高高的樹上，卻是把房屋擱在幾根粗大的樹枝之間，沒有把整座房屋吊掛在樹上，他們住在樹上也同樣是為了安全。似乎從來沒有人會想到把房屋掛起來，因為鳥和昆蟲到底都很小很輕，它們的“房屋”也不重，連同身體的分量，最重的加起來也不會超過幾千克，而人們居住和工作的房屋，比它要重幾萬倍以上，所以就不會想到將房屋懸掛起來。如果有人對你說，能夠把20多層的大樓懸掛起來，你一定不會相信，以為他在開玩笑。可是，懸掛起來的大樓確實已有不少建築起來了。

滙豐銀行

能夠想像得到，要把人們居住的房屋懸掛起來，比起一隻小小的蜂房或者鳥窠來，不知要困難多少倍。房屋的份量是那么重，都是難以想像的。輕輕的鳥窠可以掛在樹枝上，樹枝和樹幹是足夠牢固的，一棵大樹就是掛上100隻鳥窠，對它也不會有什麼影響。人住在房屋呢，當然不能掛在樹上，再粗的樹技也承受不了。懸掛人住的房屋的那棵“大樹”，實際上是一座堅固的高塔，在塔的頂部伸出成對的橫樑或支架，那就等於是樹枝，在橫樑上再掛起房屋來。為了使這種建築容易平衡穩定，大多是掛上成對的房屋，像一個人挑水一樣，挑兩桶水要比只挑一桶水容易平衡，兩桶水的重心正好在人的肩上。懸掛式建築大多設計成對稱的形式，讓重心位置在中心的塔上，建築就穩定了。

德國的巴伐利亞動力公司的大樓，就是由4座圓柱形的建築，對稱地掛在中間的高塔上。中間的塔有25層高，掛著4座各20層高的圓柱形大樓，是各用一組粗大的鋼索吊掛在從中間塔頂上伸出的挑梁支架上，就像掛著4隻燈籠一般。整個建築物都是用鋼筋混凝土建造。

懸掛結構

懸掛式建築

單層懸掛結構建築 　在這種建築中，梁、桁架、薄殼或屋面板等剛性構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60年代初建造的南昌拖拉機齒輪廠齒輪車間的懸掛式建築，柱網為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年義大利曼圖亞市建造的布爾哥造紙廠為跨度最長的懸掛式建築，屋頂總長250米（中間跨度163米），寬30米，僅用4根鋼纜將支承屋頂的4根縱向鋼樑懸掛在兩座 50米高的混凝土A形支腿的塔架頂端。

高層懸掛結構建築 　這種建築主要由井筒、吊架或斜拉桿、吊桿和各層樓板構成。井筒常採用鋼筋混凝土結構，也可採用鋼結構。各層樓板的內端支承在井筒上，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。根據層數、平面和立體形狀，可採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

懸掛式建築--金門大橋

掛。1985年建成的香港滙豐銀行是目前世界上最高的大型懸掛結構建築，地面上43層，高167.70米，採用5組桁架式懸掛結構，垂直構件為8組鋼柱，每組4根柱子。1972年建造的美國明尼阿波利斯的聯邦儲備銀行，12層樓的荷載通過吊桿懸掛在兩個高為8.5米、跨度長為84米的桁架大樑上，又用兩條工字型鋼作成的懸鏈，對大梁起輔助作用。懸鏈式構件產生的水平力由桁架大梁承受，以後還可再增加層數，懸掛在鋼拱上。

高層建築採用懸掛式結構，主要有以下特點：①結構受力明確，吊桿可用高強鋼；②有較多的工作面，加快了施工速度；③由於筒體先施工，水、電、電梯等設備可先行安裝，有利於提早交付使用；④由於自上而下施工，安裝窗戶玻璃、油漆、外牆裝修等，不會污染飾面；⑤施工時可用吊籃取代腳手架，費用較低，並可減少工作量。

結構特點

懸掛式建築

懸掛式建築總的說來，它消耗的鋼材少，能增加有效的使用面積，還有很好的抗地震性能，又可以減少基礎的數量，減少基礎不均勻的沉降等。就拿消耗鋼材來說，現在要造又高又大的房屋是離不開鋼材的，不像古代的建築，用木材泥土就能造出來，高樓大廈鋼材消耗的數量是很多的，我們現在住的五、六層的工房，結構比較簡單，每平方米建築面積平均也要消耗20千克以上的鋼材。高層建築消耗的鋼材更多，美國一般20～30層的樓房，每平方米要用70～80千克，超過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，就是優越的設計。懸掛式建築就有這個優點。用一個簡單的比喻，就可以知道為什麼能節約鋼材。例如有一桶水，用一根不太粗的鋼絲就能把它掛起來，但是，用同樣的鋼絲要把這桶水頂起來，是無論如何不可能的，因為這條鋼絲一受壓力就會變曲。如果要把這桶水頂起來，要用比這條鋼絲粗十幾倍的鐵棒才有可能，而且一根鐵棒還不夠，至少要有三根鐵棒一起頂，它才不會倒下去。這兩種情況相差很大。我們把前面一種情況叫做鋼材在“受拉”的狀態，後一種情況是在“受壓”狀態。鋼材“受拉”，明顯地比“受壓”有利得多。

一座建築物很像一個人體，人體主要靠骨骼的支撐才能站立起來，內臟、肌肉都附在骨骼上，人站著的時候，骨骼全部處在“受壓”狀態，因此，骨骼是比較粗大的。如果人處在懸掛起來的狀況下，骨骼就不需要那么粗，可以細得多。多少萬年以來，建築物的骨架都是處在“受壓”的狀況下，而現在的懸掛式建築物是讓骨架全部處在“受拉”狀態。可想而知能節約不少鋼材。隨之而來的優點是：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。還有一些優點：既然房屋掛起來，底部就離開地面了，掛著的房屋不需要做基礎。德國的這座建築，4座圓筒形大樓都不做基礎，基礎集中在中間的高塔上，基礎的面積可以減小，做基礎的材料也就大為節約。前面談到過，鳥和昆蟲的房屋掛起來可以安全些。人住在懸掛的房屋裡雖然主要不是為了安全，但是在遇到地震時，它要比其他建築物安全，它的抗震性能比一般建築物要好。還有一個特點是，懸掛起來的建築物，它是從上面向下造的，這種方法和我們習慣的造法完全顛倒過來了。懸掛式建築物，如要像一般造房子那樣從下向上造，倒是十分困難的，它沒有基礎，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。怎么造法呢？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。真要從天上向地面造也太困難了，要把材料送得那么高，懸吊在半空中施工多麻煩，這樣的話，它就沒有多大的優點了。實際上，它還是在地面上造的。施工的過程是，先造中間的高塔，在高塔頂上伸出4根堅固的橫樑架子，這時，可把吊掛房子用的鋼索在梁端掛下來，直掛到地面附近，建築工人在地面上先造最高的那一層，例如第20層，造好後再把這一層用頂和吊的方法提上去，然後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，而建築工人始終在地面上工作，既安全又省力，真是太理想了。那些笨重的材料，混凝土、鋼材，都不用搬運到高空去，人也大多不用到高空去施工。

懸掛式建築

懸掛式建築有這么多的優點，所以很快地就發展起來。自從第一座大樓造成後，現在已有20多個國家建造了近百座各種各樣的懸掛式建築物，有辦公樓，有住宅，有旅館，也有醫院，甚至展覽館等，最高的達到27層、130米高。這類懸掛式建築物底部離開地面有一段距離，並不直接和地面接觸，不能直接從它的下面進到建築物裡面去，要通過中間那座高塔。中間的高塔既是掛起這4座建築物的“柱子”，又是進出這些建築物的交通要道。高塔中布置了很多座電梯，還有樓梯以及各種管線設備，像自來水、煤氣、電力、暖氣、冷氣管道，都從高塔里通過，再送到各層樓去，因此，高塔成了交通運輸的中心。高塔的每層樓，都和4座懸掛建築物的每一層樓相連線通的，這些懸掛式建築物和高塔實際上是緊靠在一起，只有很小的一道縫把它們分隔開來，使人感覺不出它們是各自分開的。分開這兩部分的縫實際上只有幾厘米，接觸面也不是一個平面，而是圓弧形，它們像榫頭一樣互相咬合在一起，因此，懸掛式建築物在外力的作用下，例如像颱風或者地震的情況下，也不可能來回擺動，更不會像掛著的鳥籠那樣容易搖晃。讓鋼材“受拉”比“受壓”要有利這一事實，人們是早已知道的。在工程上面也套用過。有一種稱做“懸索橋”的橋樑，就是運用這一原理建造的。把橋掛起來的想法，至少要比把房屋掛起來的想法早得多。

鋼筋定位

懸掛式建築

鋼筋間距小而影響梁的澆注質量，主要發生在梁的受壓區，在連續梁、井字梁結構以及需要按計算配置受壓鋼筋的結構和現澆構件中都會遇到。在現澆鋼筋混凝土梁的施工中，當梁寬小於30cm，上部鋼筋多於4根或鋼筋間淨距小於5cm時，就會影響混凝土的振搗質量和造成鋼筋的移位，這時可採用鋼筋懸掛式定位綁紮方法，即在梁的基本骨架綁紮固定後，將梁跨中上部受壓區中間部分鋼筋採用臨時懸掛固定。具體操作就是梁受壓區鋼筋除兩側靠箍筋的受壓筋(或架立筋)正常綁紮以形成骨架外，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。在澆注混凝土的過程中，由於鋼筋可左右移動，鋼筋間距增大，振動棒可以方便地插入梁內實施振搗作業。當混凝土澆注至距懸掛筋下5cm左右時，對懸掛筋實施二次綁紮固定，繼續完成整根混凝土梁的澆注工作。

在採用“懸掛式定位法”施工時，應注意以下問題：
(1)混凝土的澆注順序，應從梁中開始向兩邊澆注，對框架梁，首次澆注至柱邊時暫停，在完成二次綁紮固定後，樑柱整體一次完成，以免梁端負筋(節點處樑上部負筋)移位。
(2)梁端上部鋼筋為受拉，其錨固長度一般在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，若在混凝土澆注前不加以固定，則在二次綁紮時就位工作將很困難。其解決方法是：視鋼筋錨固垂直段的長度採用2～3根φ16鋼筋將梁端上部受力筋點焊定位。
(3)當樑上部鋼筋為1排時，可採用鐵絲做成O字形懸掛，鬆緊度以鋼筋能左右自由移動為準，懸掛點間距視受力鋼筋直徑和箍筋直徑大小而定，同時考慮混凝土傾卸及操作，一般為1～1.5m即可。當上部受力筋為2排時，第1排筋仍可採用上述方法，第2排筋採用φ6鋼筋製成S形懸掛於箍筋上(懸掛點與上排錯開)，懸掛點一般為1～1.5m即可；也可懸掛於上排鋼筋上，此時上排筋的懸掛點間距應加密，一般為0.5～1m。
(4)採用懸掛式定位法施工，存在鋼筋的二次綁紮定位，因此，要求鋼筋工跟班作業，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，盡力避免出現施工縫。經過對8000多m2的現澆框架結構大跨度井字梁樓蓋梁板的施工，採用懸掛式定位法均收到了較好的施工效益，施工質量得到了有效地控制。在施工過程中，既減少了混凝土振搗工作的難度，澆注速度也明顯加快，同時還避免了因鋼筋間距小而形成的“過篩”現象造成樑上部粗骨料過多所帶來的人力、物力浪費。

建築實例

懸掛式建築

1936年11月12日建成的美國舊金山金門大橋，是一座著名的懸索橋，它的總長度2.7千米，最大的一孔跨過水麵1280米，在當時是世界上最大的一座跨梁橋，兩座高大的鋼塔有227米高，相當於50多層大樓的高度，鋼塔坐落在2個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10萬噸的重量，而實際上吊著的橋面只有一半重。橋面有上下二層，上面是可以並排行駛6輛汽車的公路，下面是火車軌道。這座橋竟用去了1933年美國的鋼產量的6.7％。

在現代橋樑結構中常採用的斜張橋 （也稱作斜拉橋），也是充分利用鋼材受拉優點的新穎橋樑形式，如上海市的南浦大橋、楊浦大橋等。無論懸索橋、斜張橋都比其他的橋樑結構如梁式橋、桁架式橋能跨越更大的距離、節省更多的鋼材。

在美國有座叫明尼阿波立斯聯邦儲備銀行的懸掛式建築，就是按照類似懸索橋的方式建造起。兩側的高塔和橋墩的作用相同，兩座塔頂之間設有鋼架，垂直的鋼索就掛在鋼架上，把十幾層的建築物掛起來。銀行的安全部分如銀庫、保險柜等都建造在地面以下，上面的建築是16層的辦公和管理部分，兩座塔相距100米，整座建築只有塔占用地面，16層大樓下部是架空的，成為廣場，和外面的廣場連成一體，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部和外部兩部分牆面採用了不同反射效果的玻璃幕牆，使這一奇特的結構形式充分顯露表達出來。建成以後，這種懸掛結構方式曾引起了轟動。

懸掛式建築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築物。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，把建築物掛在懸索上。也有的是兩層的拱架，在每一層上各自掛起一座建築物。也有的像一棵樹，伸出許多“樹枝”，上面掛著一些建築物。總之，不論什麼形式，它一定要有很高、很堅固的塔或架子，從這塔上掛起鋼架和鋼索，再把建築物掛在鋼索上，這些建築都稱作“懸掛式建築”。