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[分享]挑战重力的另一种方式—悬挂结构

发表于2018-03-05    864人浏览    5人跟帖    筑龙币+50  复制链接  只看楼主

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臭脾气

大家新年好!转眼间2018年也已过去1/6,各项工作都已步入正轨,小i也要恢复更新啦~
去年写过一篇文章《挑战重力——悬挑结构的实现方式》。新年的第一篇,给大家带来挑战重力的另一种方式——悬挂结构。
与传统的下部支承式结构相比,悬挂结构最大的特点是下部不需要支撑。悬索桥是最常见的一种悬挂结构,能够满足通航需求。
而在房屋建筑领域,悬挂屋面也比较多见。但悬挂楼层的结构并不多,能想到的几个案例都很经典。下面逐一为大家介绍。
香港汇丰银行总部
(HSBC Headqarters,HK/1986)
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建筑师:诺曼·福斯特(Norman Foster)
结构工程师:奥雅纳事务所(ARUP)

采用悬挂式结构体系的前因后果

早在1886年,汇丰银行第一栋总部大楼已经矗立在港岛中环现址上。1935年又在边上建造了第二栋总部大楼。
1978年,汇丰打算斥资3亿英镑重建总部大楼。当时的要求是“建造世界上最好的银行总部大楼”。同时,汇丰银行还提出了其他要求:
1)为满足银行业务扩展和技术更新的需求,大楼内部应具有最大的灵活性;
2)在原址局促的地段上迅速建成;
3)在新楼建造期间,银行在原址能够继续开展业务;
4)可能的话保留原有银行的大堂。
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▲汇丰银行老楼拆除后的地块

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▲汇丰银行新楼造好后的地块

而在竞标阶段,银行对老楼的态度模棱两可:可能全部保留,可能只保留银行大堂,也可能全部拆除。
基于这一点,福斯特提交的不是一个固定的方案,而是一种可以推导出若干不同建筑形态的策略——“阶段重生”。
即先拆除部分老楼,在其位置上新建新楼的上面部分,期间银行可以在未拆除的老楼中继续开展业务;待新楼部分建好后,银行业务转移到新楼中,此时再拆除剩下的老楼,继续完成新楼的其余部分。悬挂式结构通过不同的组合,可以满足原有建筑部分或整体、暂时或永久地被保留。
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▲投标阶段的草图

同时,银行的地下空间相对固定:保险库、安全存放、公共展示等。但建筑上部功能非常复杂,且汇丰银行强调了对于空间最大程度可变性的要求,而悬挂结构完美地将上部功能变化对下部结构的影响降到最低。这也是采用悬挂结构的一个因素。
凭借着创造性的方案,当时籍籍无名的福斯特赢得了汇丰银行的委托。
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▲汇丰银行大楼结构方案演化

但紧接着,银行发现若在既有建筑下面开挖金库所需的深基坑,在金钱和时间上都是巨大的消耗。因此,银行在委托福斯特设计后不久,便决定不再保留原来的银行大楼和大堂。但福斯特对于建筑内部灵活性的考量、悬挂式的结构等概念被保留下来。
除了设计策略以外,将底层空间开放为市民空间,也将规范允许的地块容积率从15提升到了18。这意味着将增加20%(即19800平米)的建筑面积。这也是采用悬挂结构的加分项。

汇丰银行的悬挂式结构体系分析

汇丰银行总部大楼上部结构43层,180m高,地下有四层深16m~20m不等的地下室。总宽约55m,总长约70m。总平面呈矩形,横剖面呈“山”形。
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(1)  结构的主要承重构件为两端的巨型格构柱,承受全楼的重力荷载和水平荷载。每个巨型格构柱的平面轮廓尺寸为4.8mx5.1m,由4个圆钢柱组成,钢柱间每隔3.9m(层高)均连以矩形截面加腋钢梁,形成空腹格构式的竖向构件。水平面内,还增加了斜向的交叉撑。
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▲平面图和巨型格构柱

(2)  平面图中可以看出,电梯、卫生间、楼梯间等服务型设施已从大楼内部抽离,悬挂在东西两侧,这样的处理赋予了使用空间极大的开敞与自由度。同时,这些服务型设施的重量平衡了格构柱两边的荷载,增加了结构合理性。
(3)  各楼层的重力荷载由5个不同高度上设置的“两层高伸臂桁架”分别承受,5个部分相互独立,从上至下分别悬挂着4层、5层、6层、7层和8层楼盖。具体做法是在该桁架中部和两端共悬吊3根吊杆,分别承受下部数层楼盖的荷载,并将它们传递给巨型立柱。

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每榀桁架的杆件都由厚钢板组成,吊杆为实心钢棒。桁架构件之间、桁架与吊杆之间用U形节点板和销轴连接。
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(3)全楼东西向的稳定,由上述5个两层高的桁架与格构柱形成框架来保证。南北向的稳定,则要靠设置在中间5排的两层高的交叉撑提供;它们与两层高的桁架在同一标高上。此外,还有交叉撑位于第5~8层间的大厅中庭处。
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▲东西向和南北向的抗侧力体系

大楼的整个结构完全暴露。银行大堂设置在二层,客户通过自动扶梯穿过一道分隔室内外的玻璃分隔到达建筑内部,就像进入了宇宙飞船。

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汇丰银行大楼的用钢量没有查到权威的数据,从小i收集的资料看,约2.8万t左右。建筑面积9.9万平米,每平米用钢量约280kg。
从结构角度看,大楼的用钢量着实非常大。但是,从建筑的综合效果来看,包括首层开放带来的容积率提升、空间灵活变化带来的使用高效性、给业主汇丰银行带来的形象宣传效果,其经济性不能说一定不好。

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▲港币上印有汇丰银行大楼

明尼阿波利斯联邦储备银行大楼
(The Federal Reserve Bank in Minneapolis/1972)

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建筑师:Gunner Birkerts
结构工程师:Skilling, Helle, Christiansen, Robertson事务所(这里的Robertson就是LERA的创始人LeslieE. Robertson)

当时业主的基本要求是:建造一个11层的银行建筑,它要跨越一个宽阔的广场,还要留有增层扩建的可能性。
结构工程师创造性地采用了“双筒体+悬索”的结构体系。两条呈悬链线的悬索承受楼层荷载,并将它们传递给两侧的筒体;而水平荷载完全由两侧的筒体抵抗。
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▲大楼施工现场

悬索上部支承着受压钢立柱(工字形截面),其下部以同样的间距吊挂着受拉吊柱(扁钢)。为方便连接,数根4英寸(100mm)直径的悬索内嵌在宽翼缘的构件中,立柱和吊柱均与悬索外面的构件相连。
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顶部为两榀K式巨型桁架,用于平衡悬索端部的水平压力。两榀巨型桁架之间通过水平支撑相连,以保证其侧向稳定。
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该11层建筑顶部为一长条形矩形平面,目前没有任何结构。将来需要增层扩建时,可在它上面再架设承重拱结构。新增楼层的重力通过拱传递给两侧筒体,并产生筒体向外的推力,正好可以平衡悬索引起的向内的压力。
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目前,该建筑被用作酒店(Marquette Plaza)。酒店将首层封闭,作为大堂使用,这一举措弱化了原有结构的最大特点,小i觉得有点遗憾。
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慕尼黑宝马总部
(BMW Headquarters in Munich /1972)
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建筑师:Karl Schwanzer
结构工程师:Dyckerhoff & Widmann AG

宝马总部大厦坐落在德国慕尼黑奥林匹克公园附近,是一座22层的现代银灰色高楼,主体由四个圆柱型塔楼组成,象征发动机的四个气缸,又称“四缸大厦”。
确切地说宝马在慕尼黑建造了一个总部园区(BMW Campus),除了总部大厦(BMW Headquarters/Tower),旁边有一座1973年建成的碗状建筑物,是德国宝马博物馆(BMW Museum)。再边上是2008年新建的宝马世界(BMW Welt),由蓝天组(Coop Himmelb(l)au)设计,这个结构也很有特色,以后有机会介绍。
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在20世纪60年代,宝马公司急速扩张,随着员工人数增加,总部办公楼的建造被提上日程。
与汇丰银行业主类似,宝马公司希望总部办公楼能够提供一个灵活的办公空间,能在未来适应不同的需求。
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▲顶部转换桁架

宝马总部大厦高99.5m,22层四叶草形式的楼面吊挂在顶部四个巨大的转换桁架上,通过顶部转换桁架将竖向力传递给四个混凝土筒体,最终传递到基础。在上部1/3高度处,有一桁架转换层,分担顶部悬挑桁架承受的荷载,协同悬挂楼面。
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▲楼层中间桁架转换层内部

吊柱位于楼面中部靠近核心筒的位置,楼面梁呈放射状。从下图中可以看到,其内部空间排布非常灵活。
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▲楼面梁的布置情况
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▲宝马大厦内部空间

宝马总部大厦的建造过程很有意思。首先,浇筑四个混凝土核心筒;然后,施工顶部转换桁架。楼面采用分阶段提升的施工方法。转换桁架和其上部的7层楼面最先在地面上浇筑,随后将建好的楼面整体提升,以留出地面空间进行下部楼层的建造。
楼面的提升利用固定在顶部桁架上的钢拉索和下部的液压千斤顶完成,桁架转换层自带提升装置,靠核心筒壁上预留的洞口向上爬行。

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▲宝马大厦施工过程

这样的建造过程极大地缩短了工期,混凝土核心筒耗时4个月;16个月以后,楼层的建造和提升就已全部完成。赶在慕尼黑奥运会之前大楼竣工。

小结
小i发现,悬挂的高层建筑可改造性特别强。汇丰银行、宝马总部都是对空间的可改造型要求特别高,几十年仍可以保证不落伍。
当然,悬挂结构的结构效率不高。结构的造价往往是偏高的,但是综合考虑其他方面,悬挂结构不失为一种创新性的选择。

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 当前离线   发表于2018-03-05  | 只看该作者      

2

优秀案例

 当前离线   发表于2018-03-05  | 只看该作者      筑龙币+10

3

汇丰银行确实不一般啊

 当前离线   发表于2018-03-05  | 只看该作者      筑龙币+20

4

现在建造技术越来越强大 了。

 当前离线   发表于2018-03-06  | 只看该作者      筑龙币+10

5

长见识了,谢谢楼主的介绍

 当前离线   发表于2018-03-06  | 只看该作者      筑龙币+10

6

悬挂结构,太专业的术语了,没看懂,是不是有点荡秋千的意思


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