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悬索结构，极致的轻盈！这些悬索结构建筑你都了解吗？

2019年03月18日来源：非解构作者：佚名

简介： 悬索结构不单是在会展中心及体育场馆这种大型建筑物中应用广泛，应用在一些常见的公共建筑中的案例也是数不胜数。

1、悬索结构的发展历程

自石器时代人类就开始用藤条、树茎等作索的主要材料将高山、峡谷、河流连接起来。这些古时“不起眼”的藤条、树茎在力学上已经体现出现代悬索结构的受力特点。在房屋建筑上，悬索结构的早期雏形是中东地区的黑帐篷，因顶部覆盖物是用黑色山羊的毛编织而成名。

中东地区几何可变的黑帐篷及总图

近现代时期，世界各个国家的悬索结构都有了突飞猛进的发展。小编就悬索结构在建筑上的应用进行了一个简要列举如下表：

2、悬索结构的概念及组成

悬索结构顾名思义是指以柔性拉索或将拉索按照一定规律布置成索网来直接承受屋面荷载作用的结构，这些索或索网一般悬挂在支撑结构体系的边缘构件上。在竖向荷载作用下，索或索网均承受轴向拉力，并通过边缘构件或支撑结构将这些拉力传递到建筑物的基础上。悬索结构大多用于建筑工程及桥梁工程。

柔性拉索是用作承受轴向拉力，拉索可以由钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材构成。

边缘构件则是用来锚固索网，起到承受索在支座处的拉力作用。边缘构件一般可选用圈梁、拱、桁架、钢架等劲性构件。

支撑结构则是用作承受边缘构件传来的压力和水平推力引起的弯矩。支撑结构一般可选用钢筋混凝土独立柱、框架、拱等结构形式。

3.悬索结构形式

按照悬索结构的空间结构特征可分为单层悬索结构、双层悬索结构、双向正交索网结构。

3.1 单层悬索结构

单层悬索结构又可根据结构曲面形式分为单曲面单层悬索结构、双曲面单层悬索结构。

单曲面单层悬索结构是由许多的单根拉索平行构成的一种平行拉索体系，拉索两端的支点一般是等高程布设的，为排水和建筑造型也可按不等高布设。这种结构形式一般用于矩形平面的单跨建筑，亦可用于多跨建筑或非矩形平面的个别工程中。这种结构体系构造简单，排水方便，但屋面结构的稳定性不好，在不均匀荷载作用下会使悬索屋盖产生结构变形，同时抗风能力也不足。一般可通过在索间铺设预制钢筋混凝土板来增强稳定性。

单曲面单层悬索结构形式

双曲面单层悬索结构，常用于圆形平面的屋盖，其索按辐射状布置，整个屋面形成下凹的旋转曲面。各根索的外端固定于周边的钢筋混凝土圈梁上，内端固定于圆心附近的拉环上，在钢索拉力作用下外端受压，内端受拉。当圆心处允许设柱时，可形成伞形悬索结构。

（a）锅型屋盖

（b）伞形屋盖

双曲面单层悬索结构

1-承重索；2-中心环梁；3-外环圈梁

3.2 双层悬索结构

双层悬索结构又可根据结构曲面形式分为单曲面双层悬索结构、双曲面双层悬索结构。

单曲面双层悬索结构是在平行拉索体系的基础上增设一层反向曲率的钢索组成的。对其结构形式而言下凹曲面为承重索，上凸曲面为稳定索，上下两层索间设有系杆。这些系杆可对上、下层索施加预应力，以增强双层悬索结构的刚度和稳定性。这种上、下层索及系杆组成的结构均位于同一竖向平面内，类似索梁或索桁架，故也可称为拉索桁架。

单曲面双层悬索结构形式

双曲面双层悬索结构是在双曲面单层悬索结构的基础上，增设了一层按辐射状布置的稳定索形成的。较单层悬索结构具有更高的刚度，抗震和抗风性能也得到进一步改善。这些稳定索在承重索的上部或下部均可布置，亦可是两层索相互交叉。中国北京工人体育馆直径94米的比赛大厅屋盖即采用了这种上凸形的双层辐射式悬索结构，形状如同平放的自行车车轮。

双曲面双层悬索结构形式

3.3 双向正交索网结构

由互相正交且曲率相反的两组索组成。下凹的一组为承重索,上凸的一组为稳定索,两组索形成负高斯曲率的曲面。对其中一组索施加预应力时，另一组索也同时获得预应力的效果。通过施加预应力，可使两组索在屋面荷载作用下始终贴紧，且获得良好的刚度。这种索网可用于椭圆平面、矩形平面、菱形平面或其他平面的屋盖。意大利米兰体育馆屋盖采用了圆形平面的马鞍形索网结构,直径140米，是世界上最大的索网结构。

双向正交索网结构形式

4.会展中心、体育馆应用实例

01

汉诺威会展中心26号展馆

德国汉诺威会展中心建成时就以全球唯一一个跨度为36米的悬索结构展馆闻名于世。

汉诺威国际会展中心

会展中心最有特色的当属第26号展馆。该展馆曾被称作“2000年世博第一展”，展厅的外形是当时最先进的建造技术与最佳化环境可持续型能源利用相结合的产物，屋顶由间距5.5m的300mm×40mm的拉结钢筋悬挂在空中，支撑着木制屋面板。悬索横跨约55m，钢筋最小的抗拉强度为520n/mm2。拉结钢筋的荷载汇集到屋顶平面上的桁梁上。有着世界上最好的贸易展厅之一的美誉。

汉诺威会展中心26号展馆内外景图

屋面板中含有隔汽层、保温层和一层砂砾，以增加重量并由此抵抗吸力。木板用螺枪固定在绷紧的悬索上。附加的锚索被固定在绷紧的悬索和支柱中间，用以抵消动力效应。北端支柱的斜撑被打入桩牢牢地固定左地上。展厅采用了自然通风与机械通风相结合的供风形式，使得在空调能耗上的运作成本降低了50%。

机械及自然通风示意图

汽车入口区上空的斜撑构件被框架所代替为展厅大部分区域提供了足够高度。建筑内大部分空间应该允许充足的自然光进入但同时又能防止阳光直射，明亮但又不刺眼的光线是展厅类空间的必要元素。展馆内的自然采光来自于沿主要钢结构支架的大面积北窗，以及在合适的建筑部位采用透光格栅。折射光线的构件将日光经过展馆产生巨大的“反射”屋顶引入公共区域。

自然采光分析图

02

雷里体育馆

1953年美国北卡罗来纳州雷里体育馆建成，这座世界上第一个现代悬索屋盖，它是采用以两个斜放的抛物线拱作为边缘构件的鞍形“正交索网”结构，其平面尺寸为92m×97m。椭圆形场地由两个交叉拱支撑马鞍形交叉索系，索系锚头以预应力锚在拱圈上，拱脚间用拉杆相连，减少拱脚反力。交叉点部位的拱脚推力直接作用到基础，拱推力的水平分量通过两拱脚间设置拉杆平衡，拉杆采用预应力钢筋混凝土，可有效控制结构变形不易过大。

雷里体育馆外景图

雷里体育馆结构示意图

03

北京工人体育馆

北京工人体育馆按照自行车钢圈原理设计，圆形屋盖采用双层悬索结构主要包括边缘构件、内环、及悬索。

北京工人体育馆外景图

圆形双层悬索平剖图

边缘构件（即外环）：内径为94米的钢筋混凝土外环，受轴心压力，布置在外廊支柱上，并用支柱插铁与外环连接，以增强外环的稳定性；内环钢筋纯为构造所用，为了便于施工，钢筋分布于四侧，中央保留空间以便进入环梁内进行钢筋绑扎和浇筑混凝土。

内环：即中央系环，在中心连接悬索用，呈圆筒形，由上下环及24根工字性组合断面的立柱组成；内环主要承受轴向拉力，因受力较大而采用两片钢板梁的断面，再加以加劲板加强。内环分八段在工厂制作后，再在现场铆接成整体，除拼接点因避免仰焊采用铆接外，其余均为焊接。

内环立面展开图

1

内环节点大柱

2

悬索：悬索沿径向辐射方向布置，分为上下二层，上索承受屋面荷载并稳定索，即在上索施加预应力，通过中央系将力传给下索，使上下索同时拉紧，以增强屋盖刚度；下索为主要承重索，将全部屋盖悬挂于空中。为了便于悬索在外环锚固剂避免过多地削弱外环断面，使上下索各错开一半。

04

代代木国立综合体育馆

东京代代木国立室内综合体育馆是为第18届奥运会修建的，这座场馆达到了材料、功能、结构、比例、乃至历史观的高度统一，曾被称为20世纪最美的建筑之一。体育馆采用高张力缆索为主题悬索屋顶结构，

代代木国立综合体育馆鸟瞰图

场馆主要由柔性拉索及其边缘构件所形成的承重结构来实现室内空间的巨大跨度。第一体育馆的屋面利用一对钢索在建筑两端的两根塔柱之间进行张拉以实现悬索桥状的主要结构，这两根主钢索在跨中以纺锤状展开。第二体育馆与第一体育馆在悬索结构的形式上稍有不同，其屋顶采用一根位于一侧观众席后通道处的独立混凝土高塔柱来实现旋转形悬挂。张拉构件通过这根主索，沿举起的混凝土基础外边缘以有秩序的间隔插入。

代代木国立综合体育馆立面图

代代木国立综合体育馆剖面图

05

石家庄国际展览中心

号称“全球第一无柱悬索”的石家庄国际会展中心最大的亮点在于各展厅内看不到一根内部支撑的柱子；7个标准展厅全部采用全球罕见双向悬索结构，展厅大跨度屋盖，主承重结构最大跨度105米，次承重结构最大跨度108米，是汉诺威会展中心悬索结构跨度的3倍。由此超过德国汉诺威成为全球最大采用双向悬索结构的会展中心。

石家庄国际会展中心外景图

中央大厅东西向沿轴线长约800m，南北向沿轴线长约100m，形状极不规则。主体结构地下采用钢筋混凝土结构；屋盖及竖向支撑体系为钢结构，其中屋盖竖向支撑体系由结构树和Y形柱两种结构形式组成，屋盖采用折板网架。竖向支撑体系与屋盖的连接方式采用整体焊接的方法。屋盖竖向支撑体系的柱距沿纵向为18m，沿横向在4.7～43m之间变化。屋盖网架依据建筑屋面走势设计，建筑顶标高在31～37m之间变化。

屋盖网架示意图

多功能厅的整体结构采用钢管混凝土柱---大跨度折板网架屋盖结构体系。屋盖网架由下部钢管混凝土柱支撑，内圈柱在柱顶及夹层标高处设置封闭圈桁架，以提高结构整体抗侧力性能。屋盖网架采用四角锥网架，屋盖网格平面基本尺寸为4.5m×4.5m。

多功能厅屋盖结构布置图

会议中心地上两层，其外观为一由不规则折面组成、由较大的内收与外挑的几何体组成，折面角度追求尖锐。屋脊线的布置呈与柱网无关联的不规则分布。楼层局部夹层楼面采用钢框架结构，内柱为矩形钢管混凝土柱，外围周圈的柱子为斜柱，采用圆形钢管柱；屋面采用折板网架结构。首层楼面及以下采用钢筋混凝土结构，基础采用钻孔灌注桩。