悬挂式建筑

　　屋顶或各楼层悬挂在立柱(井筒、塔架)上的建筑，又称悬吊式建筑。这种建筑的特点是用分散的钢索和吊杆承担屋顶和楼板的重量，充分发挥钢材的力学性能，因而可增大结构跨度和减少材料用量，并可使建筑的形式富于变化。1837年建造的法国洛里恩军械库，已采用了悬挂结构屋顶。20世纪50年代以后，随着钢材强度的提高和结构力学理论的发展，悬挂式结构的应用逐渐广泛，既用于单层建筑，也可用于高层建筑。

　　定义

　　动物的窠就是它们的“房屋”。有些会飞的动物，像鸟类和昆虫，它们的“房屋”有些是悬挂起来的：一种鹪鹩造的鸟巢，像只茶壶一样挂在树枝上，蜂巢常常挂林屋檐下或树枝上。每当冬天树叶落尽以后，经常能看到树枝上挂着一只只像纺锤或橄榄形的小东西，那是昆虫的窝。这些鸟类和昆虫住在悬挂着的房屋内，目的是为了安全，使其他动物不容易接近它们、伤害它们，而它们自己能够飞来飞去，进进出出还是很方便的。

　　人类从开始建造房屋以来，房屋总是造在地面上的，从最初的低矮的、用树枝搭成的棚窝，直到现代的高数十层以至上百层的高楼大厦都是一样。只有极少数在热带森林中某些原始部落的房屋，还建造在大树上。虽然是造在高高的树上，却是把房屋搁在几根粗大的树枝之间，没有把整座房屋吊挂在树上，他们住在树上也同样是为了安全。似乎从来没有人会想到把房屋挂起来，因为鸟和昆虫到底都很小很轻，它们的“房屋”也不重，连同身体的分量，最重的加起来也不会超过几千克，而人们居住和工作的房屋，比它要重几万倍以上，所以就不会想到将房屋悬挂起来。如果有人对你说，能够把20多层的大楼悬挂起来，你一定不会相信，以为他在开玩笑。可是，悬挂起来的大楼确实已有不少建筑起来了。

　　能够想象得到，要把人们居住的房屋悬挂起来，比起一只小小的蜂房或者鸟窠来，不知要困难多少倍。房屋的份量是那么重，用什么东西来挂?挂在什么地方?都是难以想象的。轻轻的鸟窠可以挂在树枝上，树枝和树干是足够牢固的，一棵大树就是挂上100只鸟窠，对它也不会有什么影响。人住在房屋呢，当然不能挂在树上，再粗的树技也承受不了。

　　悬挂人住的房屋的那棵“大树”，实际上是一座坚固的高塔，在塔的顶部伸出成对的横梁或支架，那就等于是树枝，在横梁上再挂起房屋来。为了使这种建筑容易平衡稳定，大多是挂上成对的房屋，像一个人挑水一样，挑两桶水要比只挑一桶水容易平衡，两桶水的重心正好在人的肩上。悬挂式建筑大多设计成对称的形式，让重心位置在中心的塔上，建筑就稳定了。

　　德国的巴伐利亚动力公司的大楼，就是由4座圆柱形的建筑，对称地挂在中间的高塔上。中间的塔有25层高，挂着4座各20层高的圆柱形大楼，是各用一组粗大的钢索吊挂在从中间塔顶上伸出的挑梁支架上，就像挂着4只灯笼一般。整个建筑物都是用钢筋混凝土建造。

　　悬挂结构

　　单层悬挂结构建筑

　　在这种建筑中，梁、桁架、薄壳或屋面板等刚性构件组成的屋顶用悬挂索吊住，锚固在中心柱上，形如吊伞;也可锚固在两端的塔架上，形如悬桥。中国60年代初建造的南昌拖拉机齿轮厂齿轮车间的悬挂式建筑，柱网为12×12米,屋顶用4块4×4米的壳板组成一伞形，用8根拉索悬挂在立柱头上(图1)。1962年意大利曼图亚市建造的布尔哥造纸厂为跨度最长的悬挂式建筑，屋顶总长250米(中间跨度163米)，宽30米，仅用4根钢缆将支承屋顶的4根纵向钢梁悬挂在两座 50米高的混凝土A形支腿的塔架顶端。 高层悬挂结构建筑　 　这种建筑主要由井筒、吊架或斜拉杆、吊杆和各层楼板构成。井筒常采用钢筋混凝土结构，也可采用钢结构。各层楼板的内端支承在井筒上，外端由吊杆悬挂住，吊杆悬挂在由井筒伸出的吊架上，也可用斜拉杆悬挂在井筒的顶端。所有荷载传递到中心或两端的井筒，再由井筒传至基础。根据层数、平面和立体形状，可采用顶部悬挂或分组悬挂，悬挂的方式可用桁架悬挂或用斜拉杆悬挂。1985年建成的香港汇丰银行是目前世界上最高的大型悬挂结构建筑，地面上43层，高167.70米，采用5组桁架式悬挂结构，垂直构件为8组钢柱，每组4根柱子。1972年建造的美国明尼阿波利斯的联邦储备银行，12层楼的荷载通过吊杆悬挂在两个高为8.5米、跨度长为84米的桁架大梁上，又用两条工字型钢作成的悬链，对大梁起辅助作用。悬链式构件产生的水平力由桁架大梁承受，以后还可再增加层数，悬挂在钢拱上。

　　高层建筑采用悬挂式结构，主要有以下特点：①结构受力明确，吊杆可用高强钢;②有较多的工作面，加快了施工速度;③由于筒体先施工，水、电、电梯等设备可先行安装，有利于提早交付使用;④由于自上而下施工，安装窗户玻璃、油漆、外墙装修等，不会污染饰面;⑤施工时可用吊篮取代脚手架，费用较低，并可减少工作量。

　　优点

　　综述

　　把这些又大、又高、又重的“庞然大物”，用钢索挂起来能行吗?这到底有什么好处呢?

　　好处确实是不少，总的说来，它消耗的钢材少，能增加有效的使用面积，还有很好的抗地震性能，又可以减少基础的数量，减少基础不均匀的沉降等。

　　消耗的钢材少

　　就拿消耗钢材来说，现在要造又高又大的房屋是离不开钢材的，不像古代的建筑，用木材泥土就能造出来，高楼大厦钢材消耗的数量是很多的，我们现在住的五、六层的工房，结构比较简单，每平方米建筑面积平均也要消耗20千克以上的钢材。高层建筑消耗的钢材更多，美国一般20～30层的楼房，每平方米要用70～80千克，超过30层甚至要用100千克以上。因此，用较少钢材能造出同样多面积的房子来，就是优越的设计。悬挂式建筑就有这个优点。

　　我们用一个简单的比喻，就可以知道为什么能节约钢材。例如有一桶水，用一根不太粗的钢丝就能把它挂起来，但是，用同样的钢丝要把这桶水顶起来，是无论如何不可能的，因为这条钢丝一受压力就会变曲。如果要把这桶水顶起来，要用比这条钢丝粗十几倍的铁棒才有可能，而且一根铁棒还不够，至少要有三根铁棒一起顶，它才不会倒下去。这两种情况相差很大。我们把前面一种情况叫做钢材在“受拉”的状态，后一种情况是在“受压”状态。钢材“受拉”，明显地比“受压”有利得多。

　　一座建筑物很像一个人体，人体主要靠骨骼的支撑才能站立起来，内脏、肌肉都附在骨骼上，人站着的时候，骨骼全部处在“受压”状态，因此，骨骼是比较粗大的。如果人处在悬挂起来的状况下，骨骼就不需要那么粗，可以细得多。多少万年以来，建筑物的骨架都是处在“受压”的状况下，而现在的悬挂式建筑物是让骨架全部处在“受拉”状态。可想而知能节约不少钢材。

　　能增加有效的使用面积

　　随之而来的优点是：骨架小了，被骨架占去面积也小，这样，可增加房间的有效使用面积。

　　还有一些优点：既然房屋挂起来，底部就离开地面了，挂着的房屋不需要做基础。德国的这座建筑，4座圆筒形大楼都不做基础，基础集中在中间的高塔上，基础的面积可以减小，做基础的材料也就大为节约。

　　很好的抗地震性能

　　前面谈到过，鸟和昆虫的房屋挂起来可以安全些。人住在悬挂的房屋里虽然主要不是为了安全，但是在遇到地震时，它要比其他建筑物安全，它的抗震性能比一般建筑物要好。

　　减少基础的数量

　　还有一个特点是，悬挂起来的建筑物，它是从上面向下造的，这种方法和我们习惯的造法完全颠倒过来了。悬挂式建筑物，如要像一般造房子那样从下向上造，倒是十分困难的，它没有基础，也不能在地面上造好20层楼再把它挂上去，只能一层一层地造。怎么造法呢?要从挂着的那一头先造起，但是也不是从 25层高的地方向下面造下来。真要从天上向地面造也太困难了，要把材料送得那么高，悬吊在半空中施工多麻烦，这样的话，它就没有多大的优点了。实际上，它还是在地面上造的。施工的过程是，先造中间的高塔，在高塔顶上伸出4根坚固的横梁架子，这时，可把吊挂房子用的钢索在梁端挂下来，直挂到地面附近，建筑工人在地面上先造最高的那一层，例如第20层，造好后再把这一层用顶和吊的方法提上去，然后再在地面上接着造第19层。就这样一层一层地向下造，钢索一层一层地收上去，而建筑工人始终在地面上工作，既安全又省力，真是太理想了。那些笨重的材料，混凝土呀、钢材呀，都不用搬运到高空去，人也大多不用到高空去施工。

　　悬挂式建筑有这么多的优点，所以很快地就发展起来。自从第一座大楼造成后，现在已有20多个国家建造了近百座各种各样的悬挂式建筑物，有办公楼，有住宅，有旅馆，也有医院，甚至展览馆等，最高的达到27层、130米高。

　　减少基础不均匀的沉降

　　这类悬挂式建筑物底部离开地面有一段距离，并不直接和地面接触，不能直接从它的下面进到建筑物里面去，要通过中间那座高塔。中间的高塔既是挂起这4座建筑物的“柱子”，又是进出这些建筑物的交通要道。高塔中布置了很多座电梯，还有楼梯以及各种管线设备，像自来水、煤气、电力、暖气、冷气管道，都从高塔里通过，再送到各层楼去，因此，高塔成了交通运输的中心。高塔的每层楼，都和4座悬挂建筑物的每一层楼相连接通的，这些悬挂式建筑物和高塔实际上是紧靠在一起，只有很小的一道缝把它们分隔开来，使人感觉不出它们是各自分开的。分开这两部分的缝实际上只有几厘米，接触面也不是一个平面，而是圆弧形，它们像榫头一样互相咬合在一起，因此，悬挂式建筑物在外力的作用下，例如像台风或者地震的情况下，也不可能来回摆动，更不会像挂着的鸟笼那样容易摇晃。

　　让钢材“受拉”比“受压”要有利这一事实，人们是早已知道的。在工程上面也应用过。有一种称做“悬索桥”的桥梁，就是运用这一原理建造的。把桥挂起来的想法，至少要比把房屋挂起来的想法早得多。

　　钢筋定位

　　简介

　　钢筋间距小而影响梁的浇注质量，主要发生在梁的受压区，在连续梁、井字梁结构以及需要按计算配置受压钢筋的结构和现浇构件中都会遇到。在现浇钢筋混凝土梁的施工中，当梁宽小于30cm，上部钢筋多于4根或钢筋间净距小于5cm时，就会影响混凝土的振捣质量和造成钢筋的移位，这时可采用钢筋悬挂式定位绑扎方法，即在梁的基本骨架绑扎固定后，将梁跨中上部受压区中间部分钢筋采用临时悬挂固定。具体操作就是梁受压区钢筋除两侧靠箍筋的受压筋(或架立筋)正常绑扎以形成骨架外，中间位置上的钢筋用φ6钢筋做成S钩或用铁丝将钢筋临时悬挂在箍筋上，即固定钢筋的上下间距的位置，但左右则可移动。在浇注混凝土的过程中，由于钢筋可左右移动，钢筋间距增大，振动棒可以方便地插入梁内实施振捣作业。当混凝土浇注至距悬挂筋下5cm左右时，对悬挂筋实施二次绑扎固定，继续完成整根混凝土梁的浇注工作。

　　注意的问题

　　在采用“悬挂式定位法”施工时，应注意以下问题：

　　(1)混凝土的浇注顺序，应从梁中开始向两边浇注，对框架梁，首次浇注至柱边时暂停，在完成二次绑扎固定后，梁柱整体一次完成，以免梁端负筋(节点处梁上部负筋)移位。

　　(2)梁端上部钢筋为受拉，其锚固长度一般在40～35d，因此，梁端上部钢筋往往都伸入到梁的中下部甚至柱内，若在混凝土浇注前不加以固定，则在二次绑扎时就位工作将很困难。其解决方法是：视钢筋锚固垂直段的长度采用2～3根φ16钢筋将梁端上部受力筋点焊定位。

　　(3)当梁上部钢筋为1排时，可采用铁丝做成O字形悬挂，松紧度以钢筋能左右自由移动为准，悬挂点间距视受力钢筋直径和箍筋直径大小而定，同时考虑混凝土倾卸及操作，一般为1～1.5m即可。当上部受力筋为2排时，第1排筋仍可采用上述方法，第2排筋采用φ6钢筋制成S形悬挂于箍筋上(悬挂点与上排错开)，悬挂点一般为1～1.5m即可;也可悬挂于上排钢筋上，此时上排筋的悬挂点间距应加密，一般为0.5～1m。

　　(4)采用悬挂式定位法施工，存在钢筋的二次绑扎定位，因此，要求钢筋工跟班作业，以保证混凝土浇注不间断，在混凝土初凝前完成整根梁的浇注工作，尽力避免出现施工缝。经过对8000多m2的现浇框架结构大跨度井字梁楼盖梁板的施工，采用悬挂式定位法均收到了较好的施工效益，施工质量得到了有效地控制。在施工过程中，既减少了混凝土振捣工作的难度，浇注速度也明显加快，同时还避免了因钢筋间距小而形成的“过筛”现象造成梁上部粗骨料过多所带来的人力、物力浪费。