桁架是一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)。桁架是由直桿組成的，一般具有三角形單元的平面或空間結(jié)構(gòu)，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度較大時(shí)可比實(shí)腹梁節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度。對(duì)于建筑來(lái)說(shuō)應(yīng)用此結(jié)構(gòu)有其優(yōu)點(diǎn)。三角形單元更加穩(wěn)固，能夠很容易形成大跨度空間?？傮w來(lái)說(shuō)桁架的作用相當(dāng)于框架結(jié)構(gòu)里的梁和柱，但是與其相比不同之處在于它把在傳力過(guò)程中用處不大的部位去掉，使力沿斜桿逐一傳遞到地面，這樣一來(lái)形成的桁架柱或梁能通過(guò)既定的力傳導(dǎo)路徑，最大化利用鋼材。也就是說(shuō)桁架相當(dāng)于大跨度、截面較高的梁，但是出于穩(wěn)固、經(jīng)濟(jì)和美觀等因素，設(shè)計(jì)出桁架這種三角構(gòu)件單元構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。

桁架的受力部位一般位于節(jié)點(diǎn)，因此桁架和桁架之間、桁架和其他結(jié)構(gòu)間的連接，一般都在桁架節(jié)點(diǎn)處，這樣才能使得力通過(guò)桿件傳遞到地基，形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。

▲  支撐大跨度空間屋頂?shù)男⌒丸旒?/span>

通過(guò)日常生活的觀察我們可以看到有很多體育場(chǎng)館，尤其是對(duì)跨度和高度有一定要求的場(chǎng)館會(huì)使用桁架結(jié)構(gòu)。通常這種桁架是在屋頂下方平行排布，通過(guò)節(jié)點(diǎn)，連接到深入地面的結(jié)構(gòu)柱，進(jìn)而可以支撐起大跨度屋頂并且無(wú)需場(chǎng)館中間其他結(jié)構(gòu)的支撐。這一點(diǎn)也和橋梁的建造相呼應(yīng)，一些大跨度橋梁，比如跨海、跨江大橋等，為了滿足施工要求往往會(huì)使用桁架結(jié)構(gòu)，盡量減少橋墩（柱）的使用，同時(shí)可以增大必需的柱間的跨度，為橋梁下方留有足夠空間，供其他用途。

這種支撐起大跨度屋頂?shù)蔫旒埽鶎?duì)層高有一定要求，為了實(shí)現(xiàn)大跨度，這種桁架會(huì)設(shè)計(jì)得比較高，因此為了能夠使凈空間足夠使用，計(jì)算層高時(shí)必須把桁架高度考慮在內(nèi)。

這種鋼制的小型桁架由多個(gè)三角形組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固且基于使用的材質(zhì)因素，也不會(huì)顯得很笨重，一排排小型桁架被安置在頂層屋蓋下方，支撐屋頂?shù)耐瑫r(shí)也顯得輕盈而有邏輯秩序。

▲  支撐整座建筑的大型桁架

（1）克雷茲的蘇黎世洛伊申巴赫學(xué)校

桁架除了作為水平和豎向受力構(gòu)件來(lái)支撐建筑之外，它本身也可以作為一層建筑。也就是說(shuō)大型桁架互相組合之后可以相當(dāng)于一個(gè)中心被掏空了的梁，這種梁既能保證大跨度承重又能保證中間空間的純凈。比如說(shuō)克雷茲的蘇黎世洛易申巴赫學(xué)校就是運(yùn)用了幾組超大型桁架疊加在一起形成了整個(gè)學(xué)校的主體結(jié)構(gòu)。

克雷茲作為一名曾經(jīng)是優(yōu)秀結(jié)構(gòu)工程師的建筑師，對(duì)于多種結(jié)構(gòu)的了解讓他能夠很好地把自己的建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合在一起。他所設(shè)計(jì)的蘇黎世洛伊申巴赫學(xué)校為了滿足甲方要求和結(jié)構(gòu)需要，選擇了使用層疊的大型桁架疊加在一起形成了中間的無(wú)柱空間。

從圖1學(xué)校剖面圖可看出整座學(xué)校是由分層的巨型桁架劃分的，可以說(shuō)整個(gè)建筑就是由不相同但是原理一致的幾層桁架通過(guò)節(jié)點(diǎn)一層層地堆砌而成的，這些桁架就好像一個(gè)個(gè)空心梁，人在“梁”中間活動(dòng)，梁外側(cè)負(fù)責(zé)傳力并支撐起整個(gè)大范圍的無(wú)柱空間。這種“梁”相當(dāng)于規(guī)定了力的傳導(dǎo)方向，把能夠節(jié)省下來(lái)的部分去掉，進(jìn)而形成一些相當(dāng)于空心的大跨度構(gòu)件。這種構(gòu)成方式在保證了結(jié)構(gòu)安全的前提下最大程度釋放了空間活力，便于建筑師發(fā)揮也便于使用者活動(dòng)。同時(shí)我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)桁架的位置和形式隨樓層變化，這就產(chǎn)生了多樣化的室內(nèi)格局并為每一層提供了與其外部空間相匹配的空間關(guān)系。

圖1  克雷茲的蘇黎世洛易申巴赫學(xué)校

克雷茲的這種做法可以追溯到筱原一男的熊本北警署的改造計(jì)劃，為了形成一個(gè)倒著的階梯形狀外墻，筱原一男的改造方案選擇了樹狀大型桁架，也是通過(guò)桁架支撐起整個(gè)建筑的，而人則在桁架中間穿行。但是克雷茲在這種做法的基礎(chǔ)上有了一些改變，他沒(méi)有選用整齊的橫、縱排布的桁架，而是選用了帶一些傾斜角度的桁架，沒(méi)有使用“樹”一樣的結(jié)構(gòu)，而是將桁架按照需求一層一層疊加。

（2）結(jié)合自身建筑設(shè)計(jì)的桁架可能性分析

筆者根據(jù)場(chǎng)地的條件和特點(diǎn)選擇了“城市廣場(chǎng)”這一概念，以及桁架結(jié)構(gòu)，做了可能性分析。首當(dāng)其沖需要在底層設(shè)置一個(gè)開敞的大型空間“廣場(chǎng)”。一般來(lái)說(shuō)建筑底層都是比較基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，上層結(jié)構(gòu)都需要底層構(gòu)件（柱、墻）進(jìn)行傳力，但是由于不希望底層有太多結(jié)構(gòu)占據(jù)了空間，因此借鑒圣保羅藝術(shù)博物館對(duì)底層的處理方式，選擇將主要結(jié)構(gòu)用某種方式做在整個(gè)建筑的最高處，再根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)向下“懸掛”出所需空間。

但是如果選擇混凝土柱向上搭建的話有以下幾個(gè)問(wèn)題：首先是混凝土柱如果想要很高的承載力的話會(huì)比較粗大，造成材料的浪費(fèi)，而且無(wú)論從觀感還是功能來(lái)講都不是很合適；其次混凝土結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)的跨度較小，難以實(shí)現(xiàn)僅由邊緣幾根柱就支撐起整個(gè)建筑；其三混凝土難以選取合適的懸掛點(diǎn)，如果想要懸掛的話可能需要在混凝土里預(yù)埋大量構(gòu)件，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效果還不好。

綜上所述，筆者想到了桁架結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)定的概念需要做一種“倒錯(cuò)”空間，為了實(shí)現(xiàn)這樣的空間需要將整個(gè)結(jié)構(gòu)倒過(guò)來(lái)，也就是說(shuō)在整個(gè)建筑的最上層是最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，也就是新的“地基”。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，選擇將上面一整層都做成一個(gè)大型空間桁架體系，由縱橫交叉的桁架編織成“地基”，再通過(guò)四根結(jié)構(gòu)柱將它們支撐起來(lái)，同時(shí)在設(shè)計(jì)桁架時(shí)考慮了模數(shù)的存在，這樣一來(lái)結(jié)構(gòu)比較好做并且有利于之后的懸掛空間。

但是如果只是單純的一層桁架可能會(huì)導(dǎo)致頂層空間被劃分得比較破碎，所以參照熊本北警察署改造計(jì)劃和蘇黎世洛伊申巴赫學(xué)校的做法，選擇讓一部分桁架貫穿兩層，而另一部分不需要橫跨兩層，也就是對(duì)空間需求不是很高的桁架依然選用一層，這樣一來(lái)，既能保證主體空間的完整性，也能使結(jié)構(gòu)不至于整體橫跨兩層，最大化建筑設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮的空間，最終形成了類似于“樹”的結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2  筆者設(shè)計(jì)的“城市廣場(chǎng)”

在桁架結(jié)構(gòu)體系成型之后，再根據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)需求和空間規(guī)劃從桁架節(jié)點(diǎn)處，向下用懸掛鋼框架，再在架子上逐一搭建樓板和墻體。這樣一來(lái)，總體結(jié)構(gòu)基本搭建完成，這個(gè)結(jié)構(gòu)和一般結(jié)構(gòu)的不同之處就在于越到上面結(jié)構(gòu)越密集，越到下面結(jié)構(gòu)反而越稀疏，這樣一來(lái)就完成了結(jié)構(gòu)和空間及功能的適配。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，使用桁架結(jié)構(gòu)既形成了所需要的“廣場(chǎng)空間”，同時(shí)也通過(guò)桁架創(chuàng)造了很多有活力、有驚喜的空間。通過(guò)在頂層桁架上懸掛不同的“盒子”或者“板子”，形成了完整的交通流線和空間組合，既符合建筑概念的需求也為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提供了思路。

雖然這僅是一個(gè)基于概念的可行性應(yīng)用探索，但也期望為結(jié)構(gòu)工程師在桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供一些可行的思路。

▲  建筑師的追求和結(jié)構(gòu)工程師對(duì)安全性的考慮

基于對(duì)于美學(xué)的追求，很多建筑師會(huì)設(shè)計(jì)出一些對(duì)結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)難度很大甚至不可行的結(jié)構(gòu)形式，因此，建筑師的追求和結(jié)構(gòu)工程師對(duì)安全性和可行性的考量，會(huì)有一些矛盾。而其中比較集中的一點(diǎn)就是在空間的營(yíng)造上。一片寬闊、無(wú)柱的空間顯然是好用的，但是在結(jié)構(gòu)上這很難實(shí)現(xiàn)。不過(guò)如果靈活應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)而言結(jié)構(gòu)更可能實(shí)現(xiàn)。

桁架本身的可變性使得建筑師對(duì)跨度和空間的需求都易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)，桁架又是他們所了如指掌的，如果在方案中可以積極應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)，那么就可能建造出更加宜居和安全的建筑。

▲  桁架結(jié)構(gòu)需要建筑師和結(jié)構(gòu)工程師共同設(shè)計(jì)完成

由于對(duì)建筑的著眼點(diǎn)不同，建筑師總著眼于建筑外形與特色，而結(jié)構(gòu)工程師總著眼于建筑的安全性上，因此會(huì)產(chǎn)生一些矛盾。譬如，結(jié)構(gòu)工程師更傾向于做一些已經(jīng)有經(jīng)驗(yàn)的、能保證可靠的結(jié)構(gòu)來(lái)保障安全性，但是這些結(jié)構(gòu)往往難以實(shí)現(xiàn)建筑師想要的效果。建筑師則喜歡獨(dú)辟蹊徑，做一些特殊建筑，但是這些建筑的結(jié)構(gòu)實(shí)在太特殊以致于難于實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于此類問(wèn)題，就需要建筑師和結(jié)構(gòu)工程師更緊密地協(xié)同、合作設(shè)計(jì)，將建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)糅合到一起來(lái)，既考慮獨(dú)創(chuàng)、美觀，又考慮結(jié)構(gòu)安全、可靠，彼此互補(bǔ)，才可以利用桁架結(jié)構(gòu)這個(gè)尖銳利器來(lái)實(shí)現(xiàn)美觀大氣、概念十足又堅(jiān)固耐用的結(jié)構(gòu)。