建筑结构丨【理论撷粹】挑战倾覆作用——悬挑结构的实现方式

来源：AAAPLUS（ID：APLUSmagazine），本文已获授权。

建筑师们的奇思妙想，往往让建筑的形式更加多样丰富。而悬挑结构则以其强烈的表现力，对现代建筑的艺术造型产生了巨大的影响，也成为现代建筑造型的一种重要手段。

纵观古今中外，悬挑以纷繁多样的形态参与在历史的诸多时期。中国古建筑中塔的出挑，采用的是砖或石料层层逐渐向外出挑的方式。

传统建筑中的大屋顶也有采用悬挑结构，大屋顶下的悬挑支撑构件为斗拱，最大能实现4~5m 的悬挑。

在当代建筑中，悬挑的尺度越来越大。建于1936 年的赖特流水别墅是一个著名的悬挑建筑实例，呈十字交叉、高低错落的两个阳台悬挑在瀑布之上，成为挑战竖向荷载、倾覆作用的一种有力的表达方式。

西班牙马德里的欧洲之门，是一个倾斜15°的建筑（超过了比萨斜塔的12°倾角），建筑立面上突出表现了结构元素，拉杆和压杆组成一个平衡力系，使倾斜的建筑给人一种稳定感。

体育建筑中也存在大量的悬挑现象，深圳大运中心主体育场由20 个形状相似的空间锥面围绕着马鞍面相连而成，柱脚呈铰接，从这一基本构成单元来看，它是不稳定的。各单元间通过屋面环向体系形成空间压力环，共同提供抗倾覆力矩，确保了结构的成立。

阳台和雨篷是常见的悬挑结构，在一般的建筑中，以小尺度的悬挑为主，但也不乏特殊的例子。丹麦VM 住宅中独特的三角形阳台是最引人注目的地方，在每个悬挑的三角形端部都有一根斜拉索与主体相连，以保证安全。

那么，什么是悬挑结构？

悬挑结构，是指一端支承在竖向支撑构件上，另一端向外延伸挑出支撑构件的结构。

图中A、B、C、D 四个支点中，当至少有一个支点没有构件支撑时，就构成了悬挑，其中①、②、③形成单面出挑，④由于把支承集中于中央，而使所覆盖的空间四面临空，形成四面出挑，形状如伞。悬挑结构的基本体系主要有板式体系、框架式（梁式）体系、桁架体系、拱式体系和空间体系。

板式体系和梁式体系由于其可实现的跨度相对较小，基本在5m 以内，常见于阳台以及商业中庭中。拱式体系由于其对形状要求的特殊性，只适用于能满足拱形要求的建筑中，在一些雨篷和体育建筑中有应用。桁架体系布置相对灵活，悬挑能力也较大，在大悬挑结构中应用广泛。空间体系是在空间受力模式下，对上述体系的综合运用。

悬挑结构在高层建筑中的实现方式？

这里谈到的高层建筑中的悬挑，主要是指整个建筑形体的出挑，在结构的实现方式上，主要可分为平面型悬挑结构和空间型悬挑结构。

平面型悬挑结构

• 悬挑空腹桁架

桁架通常由上下弦杆和腹杆组成，当腹杆中仅有竖直腹杆而无斜腹杆时，即为空腹桁架。当建筑整体悬挑跨度在10m 以内，可以采用悬挑空腹桁架。

珠海横琴梧桐树大厦，立面呈树形，每层的建筑平面长度均不同，且两端悬挑没有柱落地，最大悬挑跨度11.2m。

这个项目中建筑师强烈要求不能使用斜杆。综合悬挑的跨度及受力情况，按不同的竖向分区采用了分段“空腹悬挑桁架”。空腹悬挑桁架在受力上主要以受弯为主，且桁架的下部承担较多的荷载，因此其效率相对不高，悬挑的跨度有限。由于其不存在斜杆，不影响建筑的立面及采光，在小跨度的悬挑中，往往受到建筑师的青睐。

• 悬挑实腹桁架

当桁架中既有竖直腹杆又有斜腹杆时，称之为实腹桁架。实腹桁架的悬挑能力比空腹桁架要强很多，悬挑跨度可达到20~30m。当然不同的悬挑跨度对桁架的高度也是有一定的要求，通常为悬挑跨度的1/5~1/3。考虑到斜杆对建筑功能的影响，设计中往往结合设备层进行布置。中广核大厦北楼，是采用平面型悬挑实腹桁架的一个典型案例。

北楼地上24 层，结构总高度100m， 在10 层以上外挑16.5m，悬挑部分的总高度近60m。为了抵抗竖向荷载作用下的倾覆，设计师在悬挑部分的下部8 层设置了桁架结构，桁架总高度30m，悬挑桁架与框架柱位于同一平面，共4 榀。斜杆的布置也尽可能对考虑减小对建筑功能的影响。

• 斜拉索结构

当然，为了减少斜杆对建筑使用的影响，还可以对实腹桁架做一些变通。比如把斜腹杆改成斜拉索，这就是斜拉索方案。由于拉索的材料强度是钢材强度的3~4倍，因此其所需截面小，对建筑使用影响也相对较小。深圳万科总部大楼，就是采用斜拉索结构的一个典型代表。

斜拉索往往用于桥梁结构，在这一项目中将其引入建筑结构中。深圳万科总部大楼中落地的均是筒体或实腹墙，底层平面距地有10~15m，在建筑的端部最大也有近20m 的悬挑。悬挑部分的竖向荷载传至底层平面，再通过预应力斜拉索传递至竖向落地的结构上。由于斜拉索会产生一个水平力分量，为了保证力的有限传递，该方案底层楼面的平面内刚度也有一定的要求。

由于拉索材料的强度高，相对钢材来讲，其所需的截面相对较小，同时拉索还可以通过调节初始张力，主动控制相邻柱的位移高低错落，来改善结构的受力。但是，斜拉索的支承楼层也不宜太多，传力路径也要尽可能地简洁，不要让索的受力太过于复杂而造成索受力状态难以准确分析。当然，斜拉索结构的节点构造相对复杂，土建造价也相对比较高。

• 悬挂结构

在前面的中广核大厦中，悬挑桁架是布置在悬挑部分底部。当然，也可以把悬挑桁架布置在悬挑部分的顶部，此时，就成了悬挂结构。香港汇丰银行，它的立面就直观地体现了主结构。

整个立面分成的5 个区段，在每一区段的顶部均设置了两层高的伸臂桁架，用于承受区段内竖向荷载，伸臂桁架再将受力传至巨型的钢立柱上。立柱间跨度33.6m，两端悬挑了10.6m。

另外一个悬挂结构的典型工程是重庆大剧院。与香港汇丰银行的平面型悬挑略有不同，这一项目呈现出一定的空间受力性能，其悬挂结构体系本身是被悬挑出来的。

图片中前端的第二个体块，体块厚度9.5m，纵向悬挑近50m。在这一体块的顶部设置了纵向桁架来悬挂下部的钢框架，但是整个体块的悬臂部分又是通过从第3 体块伸出的两榀巨型悬挑型钢梁支承的。梁高分别为5.4m、7.4m。这个项目通过两个方向布置的悬挑结构，实现了近50m 的悬挑。

空间型悬挑结构

世博文化中心，大家非常熟悉的飞碟造型上大下小，是一个典型的悬挑建筑。结构沿环向布置了36 榀长度不一的悬挑桁架，悬挑跨度在20~31m 之间。在内框架的顶部设置了两道环梁，环梁的存在相当于在结构的顶部加了一道“紧箍”，将各榀悬挑桁架联系在一起。

由于悬挑跨度小的其刚度相对较大，通过环梁的环向拉力，根据变形协调原理，可为悬挑跨度大的提供刚度，使得整体结构体系呈现出空间受力型。空间整体效应显著改善了端部的变形以及主要构件的受力。

从上面的案例中可看到，通过交错布置的悬挑桁架，实现了三四十米的悬挑，那么，悬挑的跨度还能否进一步增加呢？在合理利用整体结构的空间作用的情况下，华东总院配合设计的央视新大楼实现了近70m的悬挑。

央视新大楼，在顶部通过14 层高的L 形悬臂结构将两座倾斜的塔楼连为一体，最大悬臂长度分别为67m 和75m。为了抵抗悬臂部分竖向荷载作用下的倾覆作用，将支承悬臂的两座塔楼设计成支撑框筒。支撑框筒最初为均匀布置的斜交网格，后来根据实际的受力状态，在受力大的区域，将支撑布置加密，受力相对较小区域，支撑布置比较稀。

同时，在悬臂部分中，底部两层设置桁架以支承上部各楼层。转换桁架在两个方向上连接于两个塔楼的外筒上。对央视新大楼顶部的悬臂部分来说，两个塔楼是不可或缺的，缺一不可。央视新大楼通过整个结构体系的合理布置，实现了目前世界上最大的悬挑高层建筑。

特殊的悬挑结构

• 悬挑楼梯

悬挑楼梯属于空间受力体系。两个梯段板一个受拉，一个受压，平台板可认为是悬挑板。由于两个梯段板不在同一竖向平面内，因此梯段板、平台板均会受到一些平面外的力。

• 螺旋式楼梯

螺旋式楼梯就像一小段弹簧，上、下两端连接在楼面上，受力特点主要是上半段受拉，下半段受拉，同时还承受弯、剪、扭的作用。

• 单边支承弧形悬挑结构
  

这是一个单边支承的人行桥。人行桥的一侧铰接悬挂在一桅杆支承的空间悬索体系上，另一侧是自由端，无任何的支承。这是一种极具建筑造型感的结构形式。

这一结构是怎么成立的呢？如果这种单边支承的铰接支座为直线布置，很显然整个结构将绕支座直线转动而倾覆。因此，支座必须沿弧线或者是折线布置。由于支座间夹角的存在，因此可通过桥面产生竖向弯曲，来抵抗整个人行桥的倾覆，而使得结构得以成立。这种悬挑结构形式主要出现在欧美一些地区。另外，上海的迪士尼乐园有一座人行桥也采用了这种形式。

结语

结构，是建筑的骨架，是建筑物赖以存在的基础。悬挑结构以其强烈的表现力，受到建筑师们的青睐。建筑师们在考虑建筑造型美观的同时，也需要全方位地将结构因素放入考量和设计范畴。只有这样，才能设计出经济合理、结构合理的建筑作品。

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