在重力作用下，物體有向下墜落的趨勢?，F(xiàn)實中大量的跨越是“擱置”，但也有大量的情況是“懸挑”。懸挑結構以其強烈的表現(xiàn)力，對現(xiàn)代建筑的藝術造型產生了巨大的影響，并賦予了現(xiàn)代建筑簡潔大方的藝術表現(xiàn)力。今天，由特約作者“蔣本衛(wèi)”介紹工程師如何挑戰(zhàn)重力——實現(xiàn)結構懸挑。
在建筑設計中，懸挑現(xiàn)象十分常見，縱觀古今中外的建筑，懸挑以紛繁多樣的形態(tài)出現(xiàn)在歷史的許多時期，發(fā)揮著不同的功能和作用。
我國古建筑中就有檐口的出挑，它采用的是磚或石料層層逐漸向外出挑的方式。另外，我國傳統(tǒng)木結構建筑中常采用“斗拱”的方式實現(xiàn)懸挑，最大能實現(xiàn)4~5米的懸挑。
隨著技術的日新月異，在當代建筑中，懸挑的尺度越來越大，應用的方式也越來越多，在建筑表現(xiàn)力上也發(fā)揮著越來越重要的作用。
建于1936年的流水別墅是一個著名的懸挑建筑實例，呈十字交叉、高低錯落的兩個陽臺懸挑在瀑布之上，成為挑戰(zhàn)豎向荷載、傾覆作用的一種有力表達方式。
西班牙馬德里的歐洲之門是一個傾斜15°的建筑，超過了比薩斜塔的12°傾角，建筑立面上突出表現(xiàn)了結構元素，拉桿和壓桿組成一個平衡力系，使傾斜的建筑給人一種穩(wěn)定感。
深圳大運中心主體育場由20個形狀相似的空間錐面圍繞著馬鞍面相連而成。柱腳鉸接，從一個基本構成單元來看，單元是不穩(wěn)定的，在重力作用下會傾覆。但各單元間通過屋面環(huán)向體系形成空間壓力環(huán)，提供抗傾覆力矩。巧妙地實現(xiàn)了體育場屋頂向內懸挑。
陽臺和雨篷也是常見的懸挑結構，在一般的建筑中，以小尺度的懸挑為主，但也不乏特殊的例子。丹麥vm住宅中獨特的三角形陽臺是最引人注目的地方，在每個懸挑的三角形端部都有一根斜拉索與主體相連，以保證安全。
東方車站在主入口以及巴士站站臺，都采用了巨型的懸挑雨篷遮擋。主入口的雨篷呈拱形，懸挑長達20多米；站臺雨篷采用斜柱支撐，給人一種“飛扶臂”的感覺。
懸挑結構概述
▼概念
懸挑結構，是指一端支承在豎向支撐構件上，另一端向外延伸挑出支撐構件的結構。
圖中a、b、c、d四個支點中，當至少有一個支點沒有構件支撐時，就構成了懸挑，其中1、2、3形成單面出挑，4由于把支承集中于中央，而使所覆蓋的空間四面臨空，形成四面出挑、形狀如傘。
▼懸挑結構的受力特點
懸挑結構受力狀態(tài)與其他結構比有不利的一面，其結構的冗余度（富余度）相對較少。除了進行常規(guī)的強度和變形驗算外，還要進行抗傾覆驗算。一般認為懸挑結構的允許跨度為簡支結構的一半。
▼懸挑結構的基本體系
懸挑結構的基本體系，主要有板式體系；框架式（梁式）體系；桁架體系；剛架式體系；拱式體系；空間體系。
懸挑結構實現(xiàn)的方式也是多種多樣的，下面主要對現(xiàn)代建筑中一些懸挑情況來談談懸挑結構的主要實現(xiàn)方式。
▼懸挑空腹桁架
當整體懸挑跨度在10m以內，同時建筑又對立面要求較高，不允許使用斜桿時，懸挑空腹桁架是一個不錯的選擇。
珠海橫琴梧桐樹大廈，立面呈樹形，每層的建筑平面長度均不同，且兩端懸挑沒有柱落地，最大懸挑跨度約11m。挑戰(zhàn)重力 — 懸挑結構的實現(xiàn)方式_13
這個項目中建筑師強烈要求不能使用斜桿。綜合懸挑的跨度及受力情況，按不同的豎向分區(qū)采用了分段“空腹懸挑桁架”?？崭箲姨翳旒茉谑芰ι现饕允軓潪橹?，且桁架的下部承擔較多的荷載，因此其效率相對不高，懸挑的跨度有限。
▼懸挑實腹桁架
當懸挑跨度再增大時，就需要采用有斜桿的實腹懸挑桁架了。實腹懸挑桁架的懸挑跨度可達到20~30m，同時對桁架的高度也有一定的要求，通常為懸挑跨度的1/5~1/3?？紤]到斜桿對建筑功能的影響，可結合設備層進行布置。
中廣核大廈北樓，是采用平面型懸挑實腹桁架的一個典型案例。北樓地上24層，結構總高度100m，在10層以上外挑16.5m，懸挑部分的總高度近60m。為了抵抗豎向荷載作用下的傾覆，設計師在懸挑部分的下部8層設置了桁架結構，桁架總高度30m，懸挑桁架與框架柱位于同一平面，共四榀。斜桿的布置也盡可能對考慮減小對建筑功能的影響。
▼斜桿、斜拉索的加入
當然，為了減少斜桿對建筑使用的影響，還可以對實腹桁架做一些變通，比如把斜腹桿改成斜拉索，這就是斜拉索方案。深圳萬科總部大樓，就是采用斜拉索結構的一個典型代表。斜拉索往往用于橋梁結構，這一項目將其大量引入到了建筑結構中。
深圳萬科總部大樓中落地的均是筒體或結構墻，底層平面距地有10~15m，在建筑的端部最大有近20m的懸挑。懸挑部分的豎向荷載傳至底層平面，再通過預應力斜拉索傳遞至豎向落地的筒體或結構墻上。由于斜拉索會產生水平力分量，為了保證力的有限傳遞，該方案對底層樓面的平面內剛度有一定的要求。
由于拉索材料的強度高，相對鋼材來講，其所需的截面相對較小；同時，拉索還可以通過調節(jié)初始張力，主動控制相鄰柱的位移高低錯落，改善結構受力。但是，斜拉索的支承樓層也不宜太多，傳力路徑也要盡可能地簡潔，不要讓索的受力太過于復雜而造成索受力狀態(tài)難以準確分析。當然，斜拉索結構的節(jié)點構造相對復雜，土建造價也相對比較高。
▼懸掛
在前面的中廣核大廈中，懸挑桁架是布置在懸挑部分的底部的，當然，我們也可以把懸挑桁架布置在懸挑部分的頂部，此時，就成了懸掛結構。挑戰(zhàn)重力 — 懸挑結構的實現(xiàn)方式_19
香港匯豐銀行大廈
最著名的懸掛結構當屬香港匯豐銀行大廈，而且結構外露，從立面上就可看出力流的傳遞。整個立面分成的5個區(qū)段，在每一區(qū)段的頂部均設置了兩層高的伸臂桁架，用于承受區(qū)段內豎向荷載，伸臂桁架再將受力傳至巨型的鋼立柱上。立柱間跨度33.6m，兩端懸挑了10.6m。
另外一個典型的懸掛結構是重慶大劇院，與香港匯豐銀行的平面型懸挑略有不同，這一項目呈現(xiàn)出一定的空間受力性能，其懸掛結構體系本身是被懸挑出來的。
▼環(huán)梁對懸挑能力的提升
世博演藝中心懸挑長度20m~31m不等，懸挑桁架基本上可以歸結為平面受力模式。但通過設置懸挑梁端部的環(huán)梁，提高空間協(xié)調作用以進一步提高其懸挑能力。
剛接環(huán)的存在提高了各懸挑梁的變形協(xié)調能力，使得懸挑跨度小的梁能夠為懸挑跨度大的梁提供一定的支承作用。
空間型懸挑結構
深圳證券交易所通過雙向布置的懸挑桁架，支承了一個巨大的“漂浮平臺”。這個項目的建筑底座被“抬升”36米，抬升裙樓本身高24米，同時在東西向懸挑36米，南北向懸挑22米。懸挑桁架沿裙樓全高布置，雙向布置了6榀主桁架，在主桁架間還布置了一些次桁架，形成了一個24m高的空間懸臂結構。
從重慶大劇院和深圳證券交易所兩個項目可看到，通過交錯布置的懸挑桁架，實現(xiàn)了三四十米的懸挑，那么，懸挑的跨度還能否進一步增加呢？在合理利用整體結構的空間作用的情況下，央視新大樓實現(xiàn)了近70m的懸挑。
央視新大樓，在頂部通過14層高的l形懸臂結構將兩座傾斜的塔樓連為一體，最大懸臂長度分別為67m和75m。為了抵抗懸臂部分豎向荷載作用下的傾覆作用，將支承懸臂的兩座塔樓設計成支撐框筒。支撐框筒最初為均勻布置的斜交網(wǎng)格，后來根據(jù)實際的受力狀態(tài)，在受力大的區(qū)域，將支撐布置加密，受力相對較小區(qū)域，支撐布置比較稀。
同時，在懸臂部分中，底部兩層設置轉換桁架以支承上部各樓層。轉換桁架在兩個方向連接于兩個塔樓的外筒上。
對央視新大樓頂部的懸臂部分來說，兩個塔樓是不可或缺的。央視新大樓通過整個結構體系的合理布置，實現(xiàn)了目前世界上最大的懸挑高層建筑。
▼懸挑樓梯
懸挑樓梯屬于空間受力體系。兩個梯段板一個受拉，一個受壓，平臺板可認為是懸挑板，由于兩個梯段板不在同一豎向平面內，因此梯段板、平臺板均會受到一些平面外的力。
同時，還有螺旋式樓梯。螺旋式樓梯就像一小段彈簧，上、下兩端連接在樓面上，受力特點主要是上半段受拉，下半段受壓，同時還承受彎、剪、扭的作用。
▼單邊支承弧形懸挑結構
上圖是大神施萊希（sbp）設計的單邊支承人行橋。人行橋的一側鉸接懸掛在一桅桿支承的空間懸索體系上，另一側是自由端，無任何的支承。這是一種極具建筑造型感的結構形式。
這一結構是怎么成立的呢？如果這種單邊支承的鉸接支座為直線布置，很顯然整個結構將繞支座直線轉動而傾覆。因此，支座必須沿弧線或者是折線布置。由于支座間夾角的存在，因此可通過橋面產生豎向彎曲，來抵抗整個人行橋的傾覆，而使得結構得以成立。
上海的迪士尼樂園有一座人行橋也采用這種形式，大家有興趣可以近距離去感受一下。
▼懸挑結構的視覺處理。
講了這么多，封面的結構還沒有講。該建筑是日本hoki美術館，乍一看美術館的長廊懸挑極大，而且從邊上開的槽來看，也不是一個箱型的截面。那這個懸挑是什么原理呢？
其實如果你看了下面這張圖，就明白了。美術館懸挑的長廊的確不是箱形截面，但卻是工字形截面。工字形的腹板設置在長廊中間，正好可以用來分隔空間并引導流線，參觀者沿著長廊走到懸挑端頭，掉頭往回走。而這塊腹板在外面是看不見的。
正是懸挑結構腹板的“隱藏”，使得hoki美術館長廊的懸挑產生了更大的震撼。
結語
結構，是建筑的骨架，懸挑結構以其強烈的表現(xiàn)力，受到了建筑師們的青睞。建筑師們在考慮建筑造型美觀的同時，也需要全方位地將結構因素放入考量和設計范疇。只有這樣，才能設計出經(jīng)濟合理、結構合理的建筑作品。以上的一些懸挑結構的實現(xiàn)方式，希望能給大家有一點點的啟發(fā)和幫助。