多高层建筑中悬挂结构应用的讨论

● 概　述

空间与结构，自建筑诞生伊始便是核心问题之一。结构一方面提供了空间存在的基础，另一方面却又制约着空间的尺度和形式。千百年来，由于大众对建筑功能的要求、人们的审美心理、环境限制等各方面因素的不断改变，人们越来越趋向于追求更大尺度、更为灵活的空间，而人类科技的进步也推动着建筑结构发展将这样的空间变现。在大尺度、高灵活性的空间中，大跨度常常是一个重要特性。而近现代，在桥梁中应用广泛的悬挂结构为大跨度建筑空间提供了新思路。例如东京代代木国立竞技场等建筑通过悬索等悬挂形式的屋顶结构实现了屋顶覆盖下的大跨度空间。而在多层和高层建筑中，以楼板和楼层单元为悬挂体的悬挂结构也得到了较多应用，为建筑设计中实际问题的解决和建筑空间的创作带来了新的可能。本文将从建筑学的角度出发，结合具体案例讨论悬挂结构在多高层建筑中的应用，及其基本课题、应用目的和形式处理等。

● 多高层建筑中悬挂结构的基本课题

克服重力是建筑结构的核心课题。如果将课题进行简化和抽象，建筑中的结构便是通过竖向构件支承起水平构件，将重力产生的荷载传递至大地。竖向构件通常以柱或墙的形式出现，对水平向度空间有明显影响。对于某些功能和尺度的空间，这种影响对空间的塑造和使用并无大的影响，甚至能够发挥墙与柱分隔和限定空间的作用，带来积极影响。然而面对剧场、室内广场等大尺度空间，或虽然会分隔为小尺度空间，但要求空间限定具有可调整之灵活性的空间，少墙少柱乃至无墙无柱的大跨度空间便成为了必须。

部分多高层建筑中，大跨度和小跨度空间往往同时存在，便产生了二者垂直分布关系的问题。此处我们仅讨论建筑的地上部分，以建筑的简化模型来看，合理的结构是随着楼层升高而减少竖向构件的，即小跨度空间在下，大跨度空间在上。然而，现实中因为大跨度空间常常是使用人群更多、使用更频繁的公共空间，或者由于复杂的环境因素，需要下层为大跨度空间。这就产生了结构转换的问题，而悬挂结构提供了解决这一矛盾的有效方法：在一个大跨度结构上悬挂楼板和楼层单元，留出下方的大跨度空间，而悬挂的楼层内部也可能不再承担建筑整体的荷载而具有更为灵活的空间处理方式。对于此基础上更多的大、小跨度空间垂直分布关系而引入的更多更复杂的结构转换问题，也可应用相同的思路予以解决。

同不存在多层关系的悬挂结构建筑相比，多层悬挂结构建筑的悬挂体不是屋顶等单一的建筑构件，而是多层由水平、竖向构件构成的楼层结构体，设计上有更多约束和来自功能方面的要求。而从建筑设计的角度出发，悬挂楼层单元内部的形式和空间基本接近向下传递荷载的常规结构，但结构上竖向受压构件变为受拉，对构件的结构形式和材料都有不同的要求。

虽然实际中具体原因和形式各异，但可以说，绝大多数的悬挂结构多高层建筑面对的基本课题都是通过悬挂楼层单元解决建筑上下的结构转换问题，以实现建筑地上部分下部的大跨度空间更灵活的垂直空间布局。

● 多高层建筑中悬挂结构应用的原因和目的

如前所述，多高层建筑的悬挂结构主要用于解决建筑垂直关系中大跨度空间带来的结构转换问题，以在复杂条件和设计标的中确保建筑的建造和使用，创造满足甚至超越人们需求的理想空间。而产生大跨度空间需求（大多位于地上部分下部）的原因则较为复杂多样，既有建筑设计对限制条件的应对，也有在设计中对更多建筑学问题和需求的回应。具体来看，有功能与空间需求、环境和城市关系、场地与环境限制等方面的原因。同时，在一座建筑的设计中也常常出现多方面问题同时存在的情况。以下将结合案例，对上述三方面的原因进行讨论。

一、功能与空间需求

功能和空间对于多高层建筑中大跨度空间的需要是引入悬挂结构的主要原因。这种需求，其一在于功能空间本身即需要大跨度。建筑通常具有不同尺度和开放程度的功能空间。设计时基于使用功能以及环境关系等要求，在底层布置剧场、会议厅甚至公共广场等大尺度、公共性空间，而上部楼层为小尺度、较私密的空间，底层大跨度的实现和上部楼层竖向荷载的传递便可通过悬挂结构解决。其二是建筑内部的空间功能复杂多样，未来使用也存在不确定性，分隔需要可调整的灵活性，要求限定要素可增加、移动和去除，因而在结构上不发挥作用，空间整体实质上仍是一个大跨度空间。

位于瑞士Chur的Ottoplatz大楼是一座地上4层的办公、居住综合体，其主结构竖向荷载由3片相距20~30m的纵向墙体承受，上3层结构通过实质上是受拉结构的外围墙体（以及2、3、4层的内墙）悬挂于主结构上。相对较小尺度、私密性较强的办公空间分布在悬挂体的上3层，留出了入口层的大跨度空间用于容纳大尺度、适合会议功能的空间，首层的公共空间也有利于塑造大楼业主作为公共机构的形象需要。同时，首层以上的荷载转换，也使得上层办公和居住的几何布置完全独立于地下室停车场的结构，不存在柱网对位而影响室内布墙的问题（见图1、图2）。

图1 Ottoplatz大楼标准层平面、横向和纵向剖面（从上而下）

图2 Ottoplatz大楼纵向剖面空间和结构示意图（可见悬挂部分楼层、地面层和地下室空间和结构的关系）

香港汇丰银行大厦设计时提出内部空间灵活度最大的目标，建筑师诺曼·福斯特采用了类似弗兰克·劳埃德·赖特的作品——拉金大厦的平面设计思路（见图3），将竖向交通和服务空间布置在外围，创造了标准层内部整体的大空间以适应办公空间的各种变化并引入了办公楼层内巨大的通高中庭。与赖特20世纪初的条件不同的是，福斯特拥有的技术条件和结构手段支持他将主要的竖向结构也移出了内部办公空间，通过外围每组4根的8组巨柱支承其建筑结构。首层以上，每7层为一个单元，通过桁架悬挂于主柱上，留出了地面首层和每个单元顶层的大尺度无柱空间，用作公共广场、空中花园及逃生层等，办公标准层内受拉的柱也得以从高层建筑巨大的竖向荷载中解放，具有更小的尺度和更少的数量，提供了空间的灵活性（见图4）。

图3 拉金大厦平面（可见外围的竖向交通和服务空间与内部的大空间）

图4 香港汇丰银行大厦标准层和地面层平面（从左到右）

不难发现，除了最常见的上方小尺度、下方大跨度的结构转换之外，在实际问题中更为复杂的功能与空间的矛盾带来了更多的结构转换问题，例如Ottoplatz大楼的上层、地面首层和地下层之间的结构转换。作为高层建筑，汇丰银行大楼标准层和地面层、中间避难层间的诸多难题，悬挂结构都较好地做出了回应。

二、环境和城市之间的关系

多高层建筑多在城市中出现且拥有垂直组织、多种空间的优势，使得其在保持上方楼层既有功能的同时，地面层或下部空间需要且能够回应城市环境，形成具有开放性和公共性的空间，甚至直接将底层架空，将地面完全留给开放环境和公共功能。底层架空是现代主义早期即十分流行的设计，其中的大部分通过框架结构等常规结构就能实现。然而对于部分设计，出于建立更强的环境关系和公共属性的目的，需要设计具有更大跨度的理想底部开放空间，便需要借由悬挂结构等特殊结构来实现。

继续来分析前文提及的香港汇丰银行大厦，地处香港岛闹市，建筑密集而人流拥挤，既存在用地面积宝贵的问题，周围建筑也通常对城市环境有所退让，试图建立更积极的关系，如邻近的中银大厦便选择了向街道后退，留出前方和两侧的人行道和花园空间。同时，香港汇丰银行大厦位于繁华的皇后像广场中轴线上，面对维多利亚海湾，这条轴线一直贯穿到天星码头，直指太平山，使得其在城市环境层面和当地语境的风水问题上需要对这一轴线做出回应（如图5的布置）。且香港汇丰银行大厦原本即存在一条连通两侧街道的道路，考虑到历史维度的城市环境问题，更增加了其底部开放的必要。于是建筑师便选择将底层架空，作为和街道连续的公共广场，成为城市环境的一部分，使皇后像广场轴线得以贯通。悬挂结构的使用把竖向结构对空间连续性和整体感的影响降至最低，建立了良好的城市关系，也在当地语境下以建筑风水的名义实现了与周边环境的和谐共存（如图6所示）。

图5 香港汇丰银行大厦总平面图，可见其周边环境和城市轴线的关系

图6 香港汇丰银行大厦立面（左）、剖面（右），显示出其悬挂结构和空间、环境的关系

功能和环境方面的原因相较于必要性因素而言更多是可选性因素，更多的出于人的主观追求和选择中，而非客观限制下的唯一解。不难看出，往往是多方面的需求重叠强化了悬挂结构应用的必要，使其成为单一手段解决多个问题的有效方式，并创造了更为理想的空间，才使得其在建筑设计的客观理性层面和主观感性层面上最终都得以成立。

三、场地与环境限制

此方面的原因多在于竖向结构的数量和落点受到了场地环境的限制，导致大跨度空间形成。例如位于日本大阪的K2大楼，原本可采用常规的框架结构。然而其在建造时，预计修建的地铁线路将从其西北部下方经过，导致其北立面处自西侧端头柱以东有6根柱无法落下基础而只得去除，在北立面局部形成了一个大跨度空间。最终的设计利用了东侧停车场和其周围的柱组桁架作为竖向结构，辅以斜撑桁架，撑起顶部贯通北立面的桁架，再利用东、西端头的巨柱稳定，形成桥梁式的巨型框架，将上层的楼板部分悬挂在这个框架上。虽然该建筑的结构系统仍是以传统框架结构为主体的，且多种结构体系混杂共用，并非简单而典型的悬挂结构，但它确实是一个很好的悬挂结构对此类城市复杂环境下场地限制问题的有效解决案例（图7~10）。

图7 K2大楼首层平面和下方地铁隧道投影

图8 K2大楼北立面

图9 K2大楼北立面竖向结构和地铁隧道关系示意平面图

图10 K2大楼北立面结构分析图

相较于之前的两种原因，此类情况下的悬挂结构更具有必要性，接近极限条件下的唯一解。客观实际问题的解决总是建筑设计的基本问题，这些问题在如今越发复杂的建成环境下增添了较大的难度，而悬挂结构提供了解决问题的有效最优解，甚至是某些情况下的唯一选择。

● 多高层建筑悬挂结构的形式

多高层建筑悬挂结构在不同应用实例中的结构原理基本相同，但具体形式却有各种差异，不同的条件、环境、需求和建筑师的设计意图都影响了结构在建筑中的呈现效果，在结构系统形式、构件和材料、结构在建筑形式中的表达等方面都有不同的应用效果。

一、结构系统形式

悬挂结构在建筑结构体系中，可能是建筑的唯一或主要结构形式，也可能作为建筑局部的结构形式和其他类型的结构组成复合体系。除去大部分实例中都相对独立和固定的地下框架部分，Ottoplatz大楼和香港汇丰银行大厦等以悬挂结构作为主要结构形式，而K2大楼则是在主体框架结构的基础上，针对北立面部分区域无法落下地基的情况，在北立面这一局部采用了悬挂结构。且K2大楼的结构系统更是一个复杂的混合体系：主体基本是常规的框架结构；在南立面出于设计表达需要应用了细框架构件和斜撑的组合形式（见图11）；在北立面1至3层采用了框架结构，只是此处的局部框架荷载较小，能通过地粱传递将柱的竖向荷载传递给有基础的主柱以解决地基无法落下的问题（如图12所示）。

图11 K2大楼结构系统图示

图12 K2大楼北立面1-3层局部框架结构图示

悬挂结构在建筑结构体系中的具体形式和设计意图、设计思路，与需求、经济性等要求有关，Ottoplatz大楼和香港汇丰银行大厦对地面层大跨度空间的需求和其他空间上带来的较多结构转换问题使得结构问题成为设计的一个出发点，悬挂结构作为解决方案在整个建筑的设计过程中都作为主导因素，最终的结果便呈现出以悬挂为主的整体性结构以及建筑各方面和这一主体结构的整合。而K2大楼显然基于对现有条件限制的应对，加之建筑师对环境及相应策略的理解、对建造和经济性的考量等，出现了局部不同结构形式组合成结构系统的情况。

二、构件和材料

悬挂结构的主要构件可大致分为竖向支撑构件、悬挂连接构件和悬挂体。

竖向支撑构件在形式和材料上和一般的竖向构件并无大的差别，不过因为跨度较大，仅有少量的竖向构件用来承担整座建筑的竖向荷载，对承载力要求更大，相较一般构件具有更大的尺度，并可能通过横向构件形成柱组或桁架提高稳定性。香港汇丰银行大厦、K2大楼北立面的柱都采用了截面明显大于常规尺寸的巨柱并组成柱组或桁架，甚至将核心筒也纳入了竖向支撑系统中。

悬挂连接构件有较多形式。有在支撑构件顶端设置大跨度水平构件提供悬挂基点的。如上海艺仓美术馆设置了顶部桁架，通过斜向拉索吊起下方出挑楼板。K2大楼北立面上出于楼层内功能和结构高度需要，设计了高度覆盖整个7层的水平桁架。Ottoplatz大楼并无单独的大跨度水平构件，直接在屋盖上悬挂，但支撑墙体、楼板和顶板以及受拉的中间墙体相互连接形成盒式结构，各楼层都可视作具有大结构高度的桁架以实现大跨度和横向稳定。也有直接悬挂在竖向构件上的，如香港汇丰银行大厦通过衣架形桁架悬挂在柱组之上，再在桁架下方悬挂多层楼板形成悬挂体，很好地满足了垂直高度上分布多组悬挂体的要求（如图13所示）。

图13 香港汇丰银行大厦结构图示

悬挂体内部的形式类似常规结构，但在结构上而言竖向构件由受压变为了受拉，对构件的结构形式和材料都有不同的要求。

受拉构件的形式和材料，钢构件或钢索具有优异的受拉性能，最大程度发挥材料力学特性，是较为合理的选择，而部分构件因较小截面的竖向构件抗横向荷载性能差，这些构件常结合斜撑组成桁架，或直接斜向布置。此外也有直接使用钢筋混凝土构件的，以便建筑整体建造或和以钢筋混凝土为主的其他结构部分形成整体等。

三、结构在建筑形式中的表达

对于初始建筑，结构构件便是建筑的形式要素。如今的建筑，墙、柱、顶面、地面等众多建筑要素也常常与结构构件是一体的，但因为围护限定等空间需求、功能需求和美学需求，也存在有很多非结构作用的形式，加之形式和结构整合方式的多样化、建造和装饰技术的进步等原因，基于力学合理性的结构，在建筑形式中也出现了表达展现和隐藏消隐两种截然不同的选择。在多高层建筑悬挂结构中亦是如此，结构在建筑形式中的视觉表达成为了设计理念和建筑美学的重要体现。

香港汇丰银行大厦是直接表达结构的典范，柱组、桁架等结构构件直接在建筑中呈现，其结构体系在外立面和内部视角中都清晰可见，悬挂的结构逻辑一目了然。其建筑师福斯特的其他作品也大多倾向于直接展示建筑的力学结构和技术构件，在评论界被誉为“高技派”风格。K2大楼也是在北立面清晰表达了结构。不过不同于香港汇丰银行大厦结构构件本身的直接呈现，K2大楼的立面是由铝板和玻璃覆盖的，原本的钢筋混凝土结构构件隐藏在覆层背后。建筑师筱原一男在北立面结构构件之上覆盖铝板，其余透空部分则覆盖玻璃，从而在立面上将结构进行了视觉表达，甚至通过玻璃覆盖从外部的视觉上消隐了北面1、2层的局部框架结构，仅表达悬挂结构这一北立面主结构体系（如图14所示）。此外，北立面的“悬臂”下方、斜撑西侧甚至设计了一个巨大的凹口，减少了4至6层楼板出挑的同时也通过建筑语言暗示了下方无法落柱的限制条件。这些建筑的形式和空间都将建筑的结构甚至原因进行了视觉化的表达。

图14 K2大楼北立面建成效果、立面饰面与结构关系示意

Ottoplatz大楼则用高度整合的思路处理结构和建筑形式的关系。不论是外部立面还是内部空间，建筑形式仅有墙与楼板两个元素，墙体中除去中间三面，起支撑作用的纵向墙体均为棋盘状开口，这些墙体承担了建筑部分空间塑造和外立面设计的复杂任务。前文已提到，这些棋盘状开口的墙体实质上是受拉构件。在这些墙体内部，真正的结构构件是拉索。建筑师和结构工程师将斜向拉索整合进墙体这一简单的建筑形式，利用结合拉索斜向分布的位置设置了交错的实体和开口部分，将拉索完全隐藏的同时也解决了墙体的开洞问题，塑造了独特的立面（见图15、图16）。建筑的结构逻辑被隐藏，而强调了建筑形式的整体性和单纯性，在单一的形式逻辑下处理了复杂的空间和结构问题。

图15 Ottoplatz大楼受拉墙体构造，可见墙体内部起实际结构作用的拉索和拉索与墙体开口的关系

图16 Ottoplatz大楼立面效果

不过，不论结构在形式上是直观表达还是有所隐藏和整合的，这些建筑都做到了结构与建筑形式以及空间的巧妙结合，通过设计使得结构、形式和其塑造的空间共生共促，这无疑是优秀的建筑设计应该具有的品质。

● 结　语

相较于常规建筑结构，悬挂结构是较为特殊和少见的，尤其是在多高层建筑这一特定领域内的应用。一定程度上，这反映了结构形式的应用是以解决相应问题出发的特点，只有涉及多层垂直关系中大跨度空间带来的结构转换等特定问题时，悬挂结构才有使用的必要。这些问题可能源于客观条件的限制，也可能源于人们对空间品质的主观追求或多种原因的结合，但显然在理性和经济的原则之上，悬挂结构也绝非凭空出现。

对悬挂结构本身的处理，在基本原理相同的情况下，不同应用场景具备各自的特点，反映出基本问题和解决思路相同且遵循结构原理的情况下针对具体环境、空间、设计等条件下，结构形式处理的灵活性和多样性，体现出立足实际并创新探索的设计特点。

悬挂结构和建筑形式在空间关系的整合上，综上所述，各实例以不同形式实现了结构和其他方面的良好结合甚至一体整合。结构作为建筑设计的重要方面甚至起主导和关键作用。建筑师在设计过程中始终综合考虑形式、结构、空间、功能等各方面要素，给出综合性的解决方案。相较于过去存在的空间、形式设计和结构割裂的设计方式，这无疑指引了建筑设计发展的方向。

随着未来城市环境变得更加复杂，人们对建筑空间和环境、美观的追求更高，悬挂结构可能会在更多设计中得到应用。同时，不仅仅是悬挂结构，在建筑设计时，任何结构形式，都可以基于实际，勇于创新，综合考虑，整合共用，来实现建筑的更优、更美的呈现。