郭剑飞;庄程宇;刘秀宏
【摘 要】悬索结构具有力学优势和造型优势,在大跨度建筑中具有很大潜力,文章主要通过建筑实例对悬索结构在大跨度建筑中的应用技巧进行阐述,以期对建筑师在大跨度建筑设计过程中妥善处理建筑造型与悬索结构之间的关系有所裨益.
【期刊名称】《建筑与文化》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】3页(P110-112)
【关键词】清理平台大跨度建筑;悬索结构;造型优势;组合支承辊
【作 者】郭剑飞;庄程宇;刘秀宏
【作者单位】浙江工业大学之江学院;浙江工业大学之江学院;浙江工业大学之江学院
【正文语种】中 文
1 引言
悬索结构从古至今是一种常见的大跨度结构体系，古代人类就曾用藤、绳、索等材料做吊桥跨越深谷绝壁，而现代的体育建筑、展览馆、仓库等大跨度屋盖和大跨度桥梁，悬索结构更是得到广泛应用。悬索结构以其宏伟的气势、优美的造型和经济的造价日益受到建筑师和结构工程师的青睐，其本身所具有的独特优势注定将在大跨度建筑中大有作为。但我国在悬索结构设计与施工等方面相对还比较落后，工程经验有限，这种状态同蓬勃兴起的建设形势形成了明显的反差。在面对当前日益增多的一些大型大跨度公共建筑时，建筑师普遍感到，常见的结构型式（如网架、桁架结构）的选择无法满足日益发展的对建筑功能和建筑选型多样化的要求，这种生产要求对我国悬索结构体系的发展起到了良好的刺激作用。而要充分发挥悬索结构的优势，需要建筑师对其建筑技术、建筑工艺、力学性能有充分了解。由于结构自身的固有特性决定悬索结构不能单独承重，需要与其他结构体系如拱结构、桁架结构或膜结构进行组合，而组合时巧妙的构思是结构与建筑功能、艺术形象进行融合的基石，其中一个非常重要的方面便是如何对整个结构体系的“力流”进行有效组织，
使荷载传递流畅，化解悬索结构体系力学上的设计难点，同时又充分发挥柔性悬索易于塑造多样化曲面造型的优势来丰富建筑造型。
2 悬索结构的力学优势与造型优势
蜘蛛网就是自然界中的悬索结构，蜘蛛能用最少的丝结成最大面积的网，且能承受较大重量，而建筑工程中的悬索结构也由藤、绳、索等具有极高抗拉强度的柔性材料编织而成，自重很轻且节省材料，具有跨越大跨度的能力。单悬索通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的抗拉强度，同时若利用多根悬索相互交叉组成索网，就形成了多向受力的空间结构——悬索结构。悬索结构的钢索大多采用高强钢丝组成的钢丝束、钢绞线或钢缆绳等，结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面，由于屋盖较轻，安装不需要大型起重设备。因此，悬索结构是大跨度屋盖的一种理想的空间结构型式。
工位管理系统图1 华盛顿杜勒斯国际机场候机楼（图片来源：网络搜索）
弧齿空间索网除了在力学上具有平面结构不可比拟的优势外，空间曲面的多样化也为建筑造型
的丰富多彩创造了条件。曲线或曲面造型总比直线更柔美，直线从心理上具有静态效果，而曲线则更具动态效果，更能表现力量。很多曲线形状的结构造型都是根据自然受力状态来成型的，因而有着最自然最合理的外形[1]，柔性悬索在自然状态下没有刚度，形状是不确定的，工程师可以敷设重屋面或施加预应力等措施，赋予其一定的形状，成为在荷载作用下有稳定形状的建筑造型。现代建筑的空间构图，设计师常常利用结构体形所形成的空间界面的变化，来造成和增强视觉空间向前、向上、旋转、起伏等动势感，以显示出现代生活的速度感与节奏感，在这方面悬索结构由于柔性材料造型的灵活性有突出表现，经典例子如华盛顿杜勒斯国际机场候机楼（图1）和耶鲁大学冰球馆（图2）等。
图2 耶鲁大学冰球馆（图片来源：网络搜索）
3 悬索结构与其他结构体系组合应用分析
巴克明斯特·弗勒曾说：“不要与力作对，而要利用它们。”结构中总是充满各种力的作用，结构造型设计若顺应这些力的因素，按照科学规律表现这些力的感觉，就可以在设计中回避难以处理的技术矛盾，还可以取得巧妙的效果。一些经典传世的悬索结构经常具有巧妙的结构构思，荷载传递流畅，使悬索结构在建筑造型上的美学优势和力学基本法则之间进
行巧妙的结合，形成油然而生的结构美。悬索结构与拱的受力具有对称性，同拱的拱脚会产生巨大水平推力（正是这个缺点，实际工程中拱的应用受到很大限制），悬索结构在支座处承受很大水平拉力，对水平拉力的处理是一桩麻烦和耗费材料的事情，不过如果结构处理手法得当，也可利用这一结构手段与建筑功能和艺术形象进行巧妙融合。下面几个经典建筑演绎了悬索结构如何与拱、桁架、柱的巧妙组合来化解巨大水平拉力，并同时创造出结构与空间形态完美结合的美学表现力。
地中海果蝇
3.1 悬索结构与拱的组合应用
世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的美国雷里竞技馆（图3），建筑跨度达到91.5m，以两个斜放的大跨度抛物线拱和鞍形正交索网组成承重结构体系，索网是由一系列承重索和曲率相反的稳定索组成的预应力双层索系。拱平面与悬索切线处于同一平面既可使拱处于最佳的受力状态，又很好地解决了悬索产生的水平拉力问题，使悬索产生的向内的拉力转化为拱平面上的压力，而相互交叉的拱又消除了大跨度拱对基础的巨大推力问题，使整个结构处于自平衡状态，整个结构体系荷载传递流畅，索、拱的材料强度都发挥充分。同时拱的斜交有吸引人流的功能，与建筑出入口的布置结合起来，构思巧妙。结
构型式的剖面与建筑使用空间相适应，看台顺着斜拱由高到低布置，给观众提供了最优视角，为体育馆提供了最优的内部空间。斜拱的周边以间距为2.4m的钢柱支撑，既可作为外围玻璃窗的装饰构件，又可在屋面受到不对称荷载或水平荷载时起一定的辅助作用，形成了具有很强节奏感的竖向分割，建筑造型新颖轻巧。
图3 美国雷里竞技馆（图片来源：网络搜索）
图4 耶鲁大学冰球馆索网布置（图片来源：网络搜索）
图5 美国明尼阿波利斯市的联邦储备银行（图片来源：网络搜索）
曲线拱是一种充满力量的造型，拱中压力沿着切线方向传递，这种连续力的传递，使得拱有一种向前的动势感，如埃罗·萨里宁经典之作的耶鲁大学冰球馆（图2），通过曲线拱和曲线索的组合应用，既实现了体育馆的大跨度，又塑造了形如海龟的建筑造型，奔放舒展，表达出冰球运动的速度和力量，充分体现了悬索结构在建筑造型上的优势。同时建筑显示的动势感在空间序列中还具有吸引和组织人流的功能，设计者巧妙利用巨型拱在两端头的自然起翘和弧形侧墙在相应位置自然转为向外伸展的结构形体，造成了冰球馆两端进
出口处“收缩”“吸引”（从馆外看）和“扩展”“开放”（从馆内看）的空间导向性，使得该体育建筑的出入口设计颇具特点而不落俗套。与美国雷里竞技馆解决悬索水平拉力的技巧不同的是冰球馆是通过拱两侧对称布置索网来平衡悬索对大跨度拱的巨大侧向水平拉力，而侧墙弧形设计既是建筑平面布置需要，也可使侧墙接近于拱的受力特性，更有利于抵抗悬索作用下的水平拉力（图4）。
图6 联邦储备银行可能扩建的设想方案（图片来源：作者自绘）
图7 东京代代木国立综合体育馆平面（图片来源：网络搜索）
悬索结构体系一般局限于屋盖结构，应用于高层建筑的实例较少，主要原因之一就是巨大水平拉力不易处理。美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的联邦储备银行是为数不多的应用于高层建筑的悬索结构体系（图5），该建筑把高层办公建筑悬挂在两个巨筒之间，悬索支承曲线以上的柱子和曲线以下的吊杆，创造了富有张力感的建筑形式，建筑造型与结构表里如一，可从建筑立面上看出结构的内部处理。该建筑筒体侧置，用来布置电梯、楼梯和管道井并承受结构的整体荷载，中间的悬索线在建筑立面上留下了优美的曲线。而悬索产生的水平拉力问题，通过屋顶设置的大跨度桁架巧妙地进行平衡，另一个构思巧妙之处是建
筑设计预先为该银行以后扩建埋设了伏笔（图6），即若要扩建的话可在桁架的上方布置拱，拱的向外推力在一定程度上也可平衡悬索产生的向内水平拉力，从而释放施加在桁架上的巨大压力。整个建筑的筒体、桁架和悬索的组合构思巧妙，各部分物尽所能，力流组织合理，荷载传递环环相扣，巧妙地解决了底层架空的技术问题。
3.3 悬索结构与柱的组合应用
图1是埃罗·萨里宁设计的经典建筑之一的华盛顿杜勒斯国际机场候机楼，大楼为悬索屋顶，跨度达45.6m。从建筑造型看，轻巧的悬索倾斜屋顶和裸露斜柱造成的空间向前动势，象征飞翔，有一种冲上云霄的动势感，与建筑物的使用性质和艺术风格十分相称。从结构角度分析，建筑造型与结构本身的受力特性结合堪称完美，悬索结构设计难点的巨大水平拉力通过柱子斜置来解决，斜柱可以克服普通的竖向柱子由于水平拉力作用而产生的过大弯矩，使柱子主要处于受压状态。从心理感官来看，该柱设计成斜柱更能给人以稳定感和动态效果。候机楼通过裸露粗壮的柱子去展示技术，表现力量，建筑造型舒展大气，富有张力感，力量与形态美结合完美，是建筑造型与力学法则、结构美学结合的典范。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议