懸掛式建筑

　　屋頂或各樓層懸掛在立柱(井筒、塔架)上的建筑，又稱懸吊式建筑。這種建筑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，并可使建筑的形式富于變化。1837年建造的法國洛里恩軍械庫，已采用了懸掛結構屋頂。20世紀50年代以后，隨著鋼材強度的提高和結構力學理論的發展，懸掛式結構的應用逐漸廣泛，既用于單層建筑，也可用于高層建筑。

　　定義

　　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后，經常能看到樹枝上掛著一只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筑起來了。

　　能夠想象得到，要把人們居住的房屋懸掛起來，比起一只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，用什么東西來掛?掛在什么地方?都是難以想象的。輕輕的鳥窠可以掛在樹枝上，樹枝和樹干是足夠牢固的，一棵大樹就是掛上100只鳥窠，對它也不會有什么影響。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梁或支架，那就等于是樹枝，在橫梁上再掛起房屋來。為了使這種建筑容易平衡穩定，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。懸掛式建筑大多設計成對稱的形式，讓重心位置在中心的塔上，建筑就穩定了。

　　德國的巴伐利亞動力公司的大樓，就是由4座圓柱形的建筑，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只燈籠一般。整個建筑物都是用鋼筋混凝土建造。

　　懸掛結構

　　單層懸掛結構建筑

　　在這種建筑中，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筑，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年意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筑，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根縱向鋼梁懸掛在兩座 50米高的混凝土A形支腿的塔架頂端。 高層懸掛結構建筑　 　這種建筑主要由井筒、吊架或斜拉桿、吊桿和各層樓板構成。井筒常采用鋼筋混凝土結構，也可采用鋼結構。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，可采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掛。1985年建成的香港匯豐銀行是目前世界上最高的大型懸掛結構建筑，地面上43層，高167.70米，采用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米的桁架大梁上，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，以后還可再增加層數，懸掛在鋼拱上。

　　高層建筑采用懸掛式結構，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由于筒體先施工，水、電、電梯等設備可先行安裝，有利于提早交付使用;④由于自上而下施工，安裝窗戶玻璃、油漆、外墻裝修等，不會污染飾面;⑤施工時可用吊籃取代腳手架，費用較低，并可減少工作量。

　　優點

　　綜述

　　把這些又大、又高、又重的“龐然大物”，用鋼索掛起來能行嗎?這到底有什么好處呢?

　　好處確實是不少，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。

　　消耗的鋼材少

　　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，不像古代的建筑，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，每平方米建筑面積平均也要消耗20千克以上的鋼材。高層建筑消耗的鋼材更多，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。懸掛式建筑就有這個優點。

　　我們用一個簡單的比喻，就可以知道為什么能節約鋼材。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，后一種情況是在“受壓”狀態。鋼材“受拉”，明顯地比“受壓”有利得多。

　　一座建筑物很像一個人體，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，建筑物的骨架都是處在“受壓”的狀況下，而現在的懸掛式建筑物是讓骨架全部處在“受拉”狀態。可想而知能節約不少鋼材。

　　能增加有效的使用面積

　　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。德國的這座建筑，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。

　　很好的抗地震性能

　　前面談到過，鳥和昆蟲的房屋掛起來可以安全些。人住在懸掛的房屋里雖然主要不是為了安全，但是在遇到地震時，它要比其他建筑物安全，它的抗震性能比一般建筑物要好。

　　減少基礎的數量

　　還有一個特點是，懸掛起來的建筑物，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。懸掛式建筑物，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根堅固的橫梁架子，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，建筑工人在地面上先造最高的那一層，例如第20層，造好后再把這一層用頂和吊的方法提上去，然后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，而建筑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，混凝土呀、鋼材呀，都不用搬運到高空去，人也大多不用到高空去施工。

　　懸掛式建筑有這么多的優點，所以很快地就發展起來。自從第一座大樓造成后，現在已有20多個國家建造了近百座各種各樣的懸掛式建筑物，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。

　　減少基礎不均勻的沉降

　　這類懸掛式建筑物底部離開地面有一段距離，并不直接和地面接觸，不能直接從它的下面進到建筑物里面去，要通過中間那座高塔。中間的高塔既是掛起這4座建筑物的“柱子”，又是進出這些建筑物的交通要道。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座懸掛建筑物的每一層樓相連接通的，這些懸掛式建筑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，懸掛式建筑物在外力的作用下，例如像臺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。在工程上面也應用過。有一種稱做“懸索橋”的橋梁，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

　　簡介

　　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，當梁寬小于30cm，上部鋼筋多于4根或鋼筋間凈距小于5cm時，就會影響混凝土的振搗質量和造成鋼筋的移位，這時可采用鋼筋懸掛式定位綁扎方法，即在梁的基本骨架綁扎固定后，將梁跨中上部受壓區中間部分鋼筋采用臨時懸掛固定。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)正常綁扎以形成骨架外，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，由于鋼筋可左右移動，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扎固定，繼續完成整根混凝土梁的澆注工作。

　　注意的問題

　　在采用“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，在完成二次綁扎固定后，梁柱整體一次完成，以免梁端負筋(節點處梁上部負筋)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，則在二次綁扎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采用2～3根φ16鋼筋將梁端上部受力筋點焊定位。

　　(3)當梁上部鋼筋為1排時，可采用鐵絲做成O字形懸掛，松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排筋仍可采用上述方法，第2排筋采用φ6鋼筋制成S形懸掛于箍筋上(懸掛點與上排錯開)，懸掛點一般為1～1.5m即可;也可懸掛于上排鋼筋上，此時上排筋的懸掛點間距應加密，一般為0.5～1m。

　　(4)采用懸掛式定位法施工，存在鋼筋的二次綁扎定位，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，采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”現象造成梁上部粗骨料過多所帶來的人力、物力浪費。