極致的輕盈--懸索結構

神奇蘇先生

2019年3月11日 17:20

瀏覽：3557 評論：1 收藏：1

1、懸索結構的發展歷程

自石器時代人類就開始用藤條、樹莖等作索的主要材料將高山、峽谷、河流連接起來。這些古時“不起眼”的藤條、樹莖在力學上已經體現出現代懸索結構的受力特點。在房屋建筑上，懸索結構的早期雛形是中東地區的黑帳篷，因頂部覆蓋物是用黑色山羊的毛編織而成名。

中東地區幾何可變的黑帳篷及總圖

近現代時期，世界各個國家的懸索結構都有了突飛猛進的發展。小編就懸索結構在建筑上的應用進行了一個簡要列舉如下表：

2、懸索結構的概念及組成

懸索結構顧名思義是指以柔性拉索或將拉索按照一定規律布置成索網來直接承受屋面荷載作用的結構，這些索或索網一般懸掛在支撐結構體系的邊緣構件上。在豎向荷載作用下，索或索網均承受軸向拉力，并通過邊緣構件或支撐結構將這些拉力傳遞到建筑物的基礎上。懸索結構大多用于建筑工程及橋梁工程。

柔性拉索是用作承受軸向拉力，拉索可以由鋼絲束、鋼絲繩、鋼鉸線、鏈條、圓鋼，以及其他受拉性能良好的線材構成。

邊緣構件則是用來錨固索網，起到承受索在支座處的拉力作用。邊緣構件一般可選用圈梁、拱、桁架、鋼架等勁性構件。

支撐結構則是用作承受邊緣構件傳來的壓力和水平推力引起的彎矩。支撐結構一般可選用鋼筋混凝土獨立柱、框架、拱等結構形式。

3.懸索結構形式

按照懸索結構的空間結構特征可分為單層懸索結構、雙層懸索結構、雙向正交索網結構。

3.1 單層懸索結構

單層懸索結構又可根據結構曲面形式分為單曲面單層懸索結構、雙曲面單層懸索結構。

單曲面單層懸索結構是由許多的單根拉索平行構成的一種平行拉索體系，拉索兩端的支點一般是等高程布設的，為排水和建筑造型也可按不等高布設。這種結構形式一般用于矩形平面的單跨建筑，亦可用于多跨建筑或非矩形平面的個別工程中。這種結構體系構造簡單，排水方便，但屋面結構的穩定性不好，在不均勻荷載作用下會使懸索屋蓋產生結構變形，同時抗風能力也不足。一般可通過在索間鋪設預制鋼筋混凝土板來增強穩定性。

單曲面單層懸索結構形式

雙曲面單層懸索結構，常用于圓形平面的屋蓋，其索按輻射狀布置，整個屋面形成下凹的旋轉曲面。各根索的外端固定于周邊的鋼筋混凝土圈梁上，內端固定于圓心附近的拉環上，在鋼索拉力作用下外端受壓，內端受拉。當圓心處允許設柱時，可形成傘形懸索結構。

（a）鍋型屋蓋

（b）傘形屋蓋

雙曲面單層懸索結構

1-承重索；2-中心環梁；3-外環圈梁

3.2 雙層懸索結構

雙層懸索結構又可根據結構曲面形式分為單曲面雙層懸索結構、雙曲面雙層懸索結構。

單曲面雙層懸索結構是在平行拉索體系的基礎上增設一層反向曲率的鋼索組成的。對其結構形式而言下凹曲面為承重索，上凸曲面為穩定索，上下兩層索間設有系桿。這些系桿可對上、下層索施加預應力，以增強雙層懸索結構的剛度和穩定性。這種上、下層索及系桿組成的結構均位于同一豎向平面內，類似索梁或索桁架，故也可稱為拉索桁架。

單曲面雙層懸索結構形式

雙曲面雙層懸索結構是在雙曲面單層懸索結構的基礎上，增設了一層按輻射狀布置的穩定索形成的。較單層懸索結構具有更高的剛度，抗震和抗風性能也得到進一步改善。這些穩定索在承重索的上部或下部均可布置，亦可是兩層索相互交叉。中國北京工人體育館直徑94米的比賽大廳屋蓋即采用了這種上凸形的雙層輻射式懸索結構，形狀如同平放的自行車車輪。

雙曲面雙層懸索結構形式

3.3 雙向正交索網結構

由互相正交且曲率相反的兩組索組成。下凹的一組為承重索,上凸的一組為穩定索,兩組索形成負高斯曲率的曲面。對其中一組索施加預應力時，另一組索也同時獲得預應力的效果。通過施加預應力，可使兩組索在屋面荷載作用下始終貼緊，且獲得良好的剛度。這種索網可用于橢圓平面、矩形平面、菱形平面或其他平面的屋蓋。意大利米蘭體育館屋蓋采用了圓形平面的馬鞍形索網結構,直徑140米，是世界上最大的索網結構。

雙向正交索網結構形式

4.會展中心、體育館應用實例

01 漢諾威會展中心26號展館

德國漢諾威會展中心建成時就以全球唯一一個跨度為36米的懸索結構展館聞名于世。

漢諾威國際會展中心

會展中心最有特色的當屬第26號展館。該展館曾被稱作“2000年世博第一展”，展廳的外形是當時最先進的建造技術與最佳化環境可持續型能源利用相結合的產物，屋頂由間距5.5m的300mm×40mm的拉結鋼筋懸掛在空中，支撐著木制屋面板。懸索橫跨約55m，鋼筋最小的抗拉強度為520n/mm2。拉結鋼筋的荷載匯集到屋頂平面上的桁梁上。有著世界上最好的貿易展廳之一的美譽。

漢諾威會展中心26號展館內外景圖

屋面板中含有隔汽層、保溫層和一層砂礫，以增加重量并由此抵抗吸力。木板用螺槍固定在繃緊的懸索上。附加的錨索被固定在繃緊的懸索和支柱中間，用以抵消動力效應。北端支柱的斜撐被打入樁牢牢地固定左地上。展廳采用了自然通風與機械通風相結合的供風形式，使得在空調能耗上的運作成本降低了50%。

機械及自然通風示意圖

汽車入口區上空的斜撐構件被框架所代替為展廳大部分區域提供了足夠高度。建筑內大部分空間應該允許充足的自然光進入但同時又能防止陽光直射，明亮但又不刺眼的光線是展廳類空間的必要元素。展館內的自然采光來自于沿主要鋼結構支架的大面積北窗，以及在合適的建筑部位采用透光格柵。折射光線的構件將日光經過展館產生巨大的“反射”屋頂引入公共區域。

自然采光分析圖

02 雷里體育館

1953年美國北卡羅來納州雷里體育館建成，這座世界上第一個現代懸索屋蓋，它是采用以兩個斜放的拋物線拱作為邊緣構件的鞍形“正交索網”結構，其平面尺寸為92m×97m。橢圓形場地由兩個交叉拱支撐馬鞍形交叉索系，索系錨頭以預應力錨在拱圈上，拱腳間用拉桿相連，減少拱腳反力。交叉點部位的拱腳推力直接作用到基礎，拱推力的水平分量通過兩拱腳間設置拉桿平衡，拉桿采用預應力鋼筋混凝土，可有效控制結構變形不易過大。

雷里體育館外景圖

雷里體育館結構示意圖

03 北京工人體育館

北京工人體育館按照自行車鋼圈原理設計，圓形屋蓋采用雙層懸索結構主要包括邊緣構件、內環、及懸索。

北京工人體育館外景圖

圓形雙層懸索平剖圖

邊緣構件（即外環）：內徑為94米的鋼筋混凝土外環，受軸心壓力，布置在外廊支柱上，并用支柱插鐵與外環連接，以增強外環的穩定性；內環鋼筋純為構造所用，為了便于施工，鋼筋分布于四側，中央保留空間以便進入環梁內進行鋼筋綁扎和澆筑混凝土。

內環：即中央系環，在中心連接懸索用，呈圓筒形，由上下環及24根工字性組合斷面的立柱組成；內環主要承受軸向拉力，因受力較大而采用兩片鋼板梁的斷面，再加以加勁板加強。內環分八段在工廠制作后，再在現場鉚接成整體，除拼接點因避免仰焊采用鉚接外，其余均為焊接。

內環立面展開圖

內環節點大柱

懸索：懸索沿徑向輻射方向布置，分為上下二層，上索承受屋面荷載并穩定索，即在上索施加預應力，通過中央系將力傳給下索，使上下索同時拉緊，以增強屋蓋剛度；下索為主要承重索，將全部屋蓋懸掛于空中。為了便于懸索在外環錨固劑避免過多地削弱外環斷面，使上下索各錯開一半。

04 代代木國立綜合體育館

東京代代木國立室內綜合體育館是為第18屆奧運會修建的，這座場館達到了材料、功能、結構、比例、乃至歷史觀的高度統一，曾被稱為20世紀最美的建筑之一。體育館采用高張力纜索為主題懸索屋頂結構，

代代木國立綜合體育館鳥瞰圖

場館主要由柔性拉索及其邊緣構件所形成的承重結構來實現室內空間的巨大跨度。第一體育館的屋面利用一對鋼索在建筑兩端的兩根塔柱之間進行張拉以實現懸索橋狀的主要結構，這兩根主鋼索在跨中以紡錘狀展開。第二體育館與第一體育館在懸索結構的形式上稍有不同，其屋頂采用一根位于一側觀眾席后通道處的獨立混凝土高塔柱來實現旋轉形懸掛。張拉構件通過這根主索，沿舉起的混凝土基礎外邊緣以有秩序的間隔插入。

代代木國立綜合體育館立面圖

代代木國立綜合體育館剖面圖

05 石家莊國際展覽中心

號稱“全球第一無柱懸索”的石家莊國際會展中心最大的亮點在于各展廳內看不到一根內部支撐的柱子；7個標準展廳全部采用全球罕見雙向懸索結構，展廳大跨度屋蓋，主承重結構最大跨度105米，次承重結構最大跨度108米，是漢諾威會展中心懸索結構跨度的3倍。由此超過德國漢諾威成為全球最大采用雙向懸索結構的會展中心。

石家莊國際會展中心外景圖

中央大廳東西向沿軸線長約800m，南北向沿軸線長約100m，形狀極不規則。主體結構地下采用鋼筋混凝土結構；屋蓋及豎向支撐體系為鋼結構，其中屋蓋豎向支撐體系由結構樹和Y形柱兩種結構形式組成，屋蓋采用折板網架。豎向支撐體系與屋蓋的連接方式采用整體焊接的方法。屋蓋豎向支撐體系的柱距沿縱向為18m，沿橫向在4.7～43m之間變化。屋蓋網架依據建筑屋面走勢設計，建筑頂標高在31～37m之間變化。

屋蓋網架示意圖

多功能廳的整體結構采用鋼管混凝土柱---大跨度折板網架屋蓋結構體系。屋蓋網架由下部鋼管混凝土柱支撐，內圈柱在柱頂及夾層標高處設置封閉圈桁架，以提高結構整體抗側力性能。屋蓋網架采用四角錐網架，屋蓋網格平面基本尺寸為4.5m×4.5m。

多功能廳屋蓋結構布置圖

會議中心地上兩層，其外觀為一由不規則折面組成、由較大的內收與外挑的幾何體組成，折面角度追求尖銳。屋脊線的布置呈與柱網無關聯的不規則分布。樓層局部夾層樓面采用鋼框架結構，內柱為矩形鋼管混凝土柱，外圍周圈的柱子為斜柱，采用圓形鋼管柱；屋面采用折板網架結構。首層樓面及以下采用鋼筋混凝土結構，基礎采用鉆孔灌注樁。