桁架结构在建筑大空间营造中的应用

桁架是一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。桁架是由直杆组成的，一般具有三角形单元的平面或空间结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。对于建筑来说应用此结构有其优点。三角形单元更加稳固，能够很容易形成大跨度空间。总体来说桁架的作用相当于框架结构里的梁和柱，但是与其相比不同之处在于它把在传力过程中用处不大的部位去掉，使力沿斜杆逐一传递到地面，这样一来形成的桁架柱或梁能通过既定的力传导路径，最大化利用钢材。也就是说桁架相当于大跨度、截面较高的梁，但是出于稳固、经济和美观等因素，设计出桁架这种三角构件单元构成的结构。

桁架的受力部位一般位于节点，因此桁架和桁架之间、桁架和其他结构间的连接，一般都在桁架节点处，这样才能使得力通过杆件传递到地基，形成稳固结构。

▲  支撑大跨度空间屋顶的小型桁架

通过日常生活的观察我们可以看到有很多体育场馆，尤其是对跨度和高度有一定要求的场馆会使用桁架结构。通常这种桁架是在屋顶下方平行排布，通过节点，连接到深入地面的结构柱，进而可以支撑起大跨度屋顶并且无需场馆中间其他结构的支撑。这一点也和桥梁的建造相呼应，一些大跨度桥梁，比如跨海、跨江大桥等，为了满足施工要求往往会使用桁架结构，尽量减少桥墩（柱）的使用，同时可以增大必需的柱间的跨度，为桥梁下方留有足够空间，供其他用途。

这种支撑起大跨度屋顶的桁架，往往对层高有一定要求，为了实现大跨度，这种桁架会设计得比较高，因此为了能够使净空间足够使用，计算层高时必须把桁架高度考虑在内。

这种钢制的小型桁架由多个三角形组成，结构稳固且基于使用的材质因素，也不会显得很笨重，一排排小型桁架被安置在顶层屋盖下方，支撑屋顶的同时也显得轻盈而有逻辑秩序。

▲  支撑整座建筑的大型桁架

（1）克雷兹的苏黎世洛伊申巴赫学校

桁架除了作为水平和竖向受力构件来支撑建筑之外，它本身也可以作为一层建筑。也就是说大型桁架互相组合之后可以相当于一个中心被掏空了的梁，这种梁既能保证大跨度承重又能保证中间空间的纯净。比如说克雷兹的苏黎世洛易申巴赫学校就是运用了几组超大型桁架叠加在一起形成了整个学校的主体结构。

克雷兹作为一名曾经是优秀结构工程师的建筑师，对于多种结构的了解让他能够很好地把自己的建筑设计和结构设计结合在一起。他所设计的苏黎世洛伊申巴赫学校为了满足甲方要求和结构需要，选择了使用层叠的大型桁架叠加在一起形成了中间的无柱空间。

从图1学校剖面图可看出整座学校是由分层的巨型桁架划分的，可以说整个建筑就是由不相同但是原理一致的几层桁架通过节点一层层地堆砌而成的，这些桁架就好像一个个空心梁，人在“梁”中间活动，梁外侧负责传力并支撑起整个大范围的无柱空间。这种“梁”相当于规定了力的传导方向，把能够节省下来的部分去掉，进而形成一些相当于空心的大跨度构件。这种构成方式在保证了结构安全的前提下最大程度释放了空间活力，便于建筑师发挥也便于使用者活动。同时我们也会发现桁架的位置和形式随楼层变化，这就产生了多样化的室内格局并为每一层提供了与其外部空间相匹配的空间关系。

图1  克雷兹的苏黎世洛易申巴赫学校

克雷兹的这种做法可以追溯到筱原一男的熊本北警署的改造计划，为了形成一个倒着的阶梯形状外墙，筱原一男的改造方案选择了树状大型桁架，也是通过桁架支撑起整个建筑的，而人则在桁架中间穿行。但是克雷兹在这种做法的基础上有了一些改变，他没有选用整齐的横、纵排布的桁架，而是选用了带一些倾斜角度的桁架，没有使用“树”一样的结构，而是将桁架按照需求一层一层叠加。

（2）结合自身建筑设计的桁架可能性分析

笔者根据场地的条件和特点选择了“城市广场”这一概念，以及桁架结构，做了可能性分析。首当其冲需要在底层设置一个开敞的大型空间“广场”。一般来说建筑底层都是比较基础的结构，上层结构都需要底层构件（柱、墙）进行传力，但是由于不希望底层有太多结构占据了空间，因此借鉴圣保罗艺术博物馆对底层的处理方式，选择将主要结构用某种方式做在整个建筑的最高处，再根据这个结构向下“悬挂”出所需空间。

但是如果选择混凝土柱向上搭建的话有以下几个问题：首先是混凝土柱如果想要很高的承载力的话会比较粗大，造成材料的浪费，而且无论从观感还是功能来讲都不是很合适；其次混凝土结构能实现的跨度较小，难以实现仅由边缘几根柱就支撑起整个建筑；其三混凝土难以选取合适的悬挂点，如果想要悬挂的话可能需要在混凝土里预埋大量构件，费时费力效果还不好。

综上所述，笔者想到了桁架结构。根据设定的概念需要做一种“倒错”空间，为了实现这样的空间需要将整个结构倒过来，也就是说在整个建筑的最上层是最强的结构，也就是新的“地基”。为了实现强结构，选择将上面一整层都做成一个大型空间桁架体系，由纵横交叉的桁架编织成“地基”，再通过四根结构柱将它们支撑起来，同时在设计桁架时考虑了模数的存在，这样一来结构比较好做并且有利于之后的悬挂空间。

但是如果只是单纯的一层桁架可能会导致顶层空间被划分得比较破碎，所以参照熊本北警察署改造计划和苏黎世洛伊申巴赫学校的做法，选择让一部分桁架贯穿两层，而另一部分不需要横跨两层，也就是对空间需求不是很高的桁架依然选用一层，这样一来，既能保证主体空间的完整性，也能使结构不至于整体横跨两层，最大化建筑设计能够发挥的空间，最终形成了类似于“树”的结构（图2）。

图2  笔者设计的“城市广场”

在桁架结构体系成型之后，再根据相应设计需求和空间规划从桁架节点处，向下用悬挂钢框架，再在架子上逐一搭建楼板和墙体。这样一来，总体结构基本搭建完成，这个结构和一般结构的不同之处就在于越到上面结构越密集，越到下面结构反而越稀疏，这样一来就完成了结构和空间及功能的适配。

在这个设计中，使用桁架结构既形成了所需要的“广场空间”，同时也通过桁架创造了很多有活力、有惊喜的空间。通过在顶层桁架上悬挂不同的“盒子”或者“板子”，形成了完整的交通流线和空间组合，既符合建筑概念的需求也为结构工程师设计结构提供了思路。

虽然这仅是一个基于概念的可行性应用探索，但也期望为结构工程师在桁架结构的应用提供一些可行的思路。

▲  建筑师的追求和结构工程师对安全性的考虑

基于对于美学的追求，很多建筑师会设计出一些对结构工程师来说难度很大甚至不可行的结构形式，因此，建筑师的追求和结构工程师对安全性和可行性的考量，会有一些矛盾。而其中比较集中的一点就是在空间的营造上。一片宽阔、无柱的空间显然是好用的，但是在结构上这很难实现。不过如果灵活应用桁架结构，相对于其他结构而言结构更可能实现。

桁架本身的可变性使得建筑师对跨度和空间的需求都易于实现，对于结构工程师来说，桁架又是他们所了如指掌的，如果在方案中可以积极应用桁架结构，那么就可能建造出更加宜居和安全的建筑。

▲  桁架结构需要建筑师和结构工程师共同设计完成

由于对建筑的着眼点不同，建筑师总着眼于建筑外形与特色，而结构工程师总着眼于建筑的安全性上，因此会产生一些矛盾。譬如，结构工程师更倾向于做一些已经有经验的、能保证可靠的结构来保障安全性，但是这些结构往往难以实现建筑师想要的效果。建筑师则喜欢独辟蹊径，做一些特殊建筑，但是这些建筑的结构实在太特殊以致于难于实现。

对于此类问题，就需要建筑师和结构工程师更紧密地协同、合作设计，将建筑设计和结构设计糅合到一起来，既考虑独创、美观，又考虑结构安全、可靠，彼此互补，才可以利用桁架结构这个尖锐利器来实现美观大气、概念十足又坚固耐用的结构。