浅析桁架结构及其对建筑形式的表达

前　言

桁架的英文Truss源自约1,200年前的古法文Trousse，意思是“许多连结在一起东西的集合”。现在的桁架结构经常在大跨建筑、高层、桥梁中被使用，桁架体系由最简单的三角形单元不断重复来构成空间，直杆是其基本受力构件。

人类其实在很早以前就发现了三角形具有很好的稳定性，进而发明了三角形桁架单元。三个杆件相互铰接就是一种最简单的桁架。早期人类会用这种形式来支撑物体，后来人们还用它来支撑坡屋顶，现在的桁架结构在建筑设计领域都被广泛使用着。桁架组成的材料也由最开始的木，变成了钢、混凝土、钢木混合、混凝土和钢的混合等。桁架的理想受力情况是铰接点受力，其中所有杆件都是二力杆，这种受力方式会让桁架杆件主要承受轴向的拉力和压力，从而能充分利用材料强度，在跨度较大的时候比实腹梁更省材料，自重更轻、刚度更大（图1）。

图1  桁架结构的基本单元——三角形桁架

桁架的组成原则——加减二元体

一个最简单的三角形桁架符合三刚片原则，是一个简单的刚体，刚体在理想情况下受力不会导致形状和大小的改变，具有稳定性。桁架结构的组成原则就是在这个最简单的三刚片互相铰接的基础上进行叠加，如图2所示，在三角形桁架的基础上增加二元体（两根直杆通过铰接，并且不在一条直线上）可以在二维或三维形成新的桁架，同时这个新的桁架也是一个新的刚体。桁架体系的这种组成方式，印证了它的古法文意思：“许多连结在一起东西的集合”，这种多样的集合使得桁架具有很自由的形式。

图2  桁架组成的原则——加减二元体

桁架的分类

▲  三角形桁架

最初人类发明的三角形桁架是一种由两根斜向的木架和水平托梁形成的单元也是最为简单的桁架（图3）。这个桁架后来广泛地运用到屋顶上，对比梁，它比梁效率更高，相比拱，它不会对底部支座产生侧推力，具有优势。后来为了加强这种结构的稳定性，逐渐出现了单柱式桁架（图4）、双柱式桁架（图5），这两种桁架都是通过在梁上增加支柱等构件的方式来增加桁架整体的刚性、防止人字形构件的折断（图6）。

图3  人类最初发现的三角形桁架

图4 单柱式桁架

图5  双柱式桁架

图6  三角形桁架中容易断裂的人字形构件

▲  平面桁架

平面桁架位于同一平面上，一般情况下会采取几个相同的平面桁架平行排列的方式来组成屋架。这样的结构在厂房中经常用到，可以将一个平面桁架看作一个长度很长的梁，由于平面桁架的刚度好，可以获得较大的无柱空间，还能在其上悬挂大型的重物和机器（图7）。

图7  平面桁架

▲  空间桁架

空间桁架顾名思义，就是三维的桁架体系。它最基本的组成单位是一个由六根杆件组成的四面体（图8）形成了四个铰接点可以和其它的四面体相互连接，可以组成丰富的骨架形态（图9）。

上文所提到的三角形桁架、平面桁架、空间桁架，只是从几何维度展开的一种分类。桁架结构种类丰富，仅按截面形状可分为三角形桁架、梯形桁架、多边形桁架等。除此之外，现在还有许多特殊的桁架结构，如空腹桁架、鱼腹桁架等。

图8  空间桁架的基本组成单位

——杆件铰接组成的四面体

图9  由基本的四面体组成的空间桁架体系

桁架结构对建筑形式的表达

▲  一种更加理性的审美

新材料或结构的使用会带来新的建筑形式，这种形式甚至会引领新的审美趋势。拿罗马人发现的拱券结构来说，拱的使用从筒拱到十字拱，每一次都衍生了新的建筑形式。筒拱带来了长的柱廊空间，十字拱由于传力方向更加合理，使得高耸空间成为可能。无论是长空间还是高空间，这些建筑、空间的形式体现了罗马人的审美取向。而钢桁架作为钢结构的一种主要类型，在这种类型逐渐走入人们视野的过程中，就展现出了一种合乎理性的审美。这种理性来自于钢杆件作为一种线性受力构件的优势，传力路径相比于其它受力构件更加清晰、明了。同时，由于钢材本身的材料特点，它在构成结构功能的过程中，自重是相对较小的，摆脱了沉重的视觉观感，显现出一种符合材料力学性能的轻盈感。1867年建成的巴黎世博会机械馆（图10~11）就采用了钢质的三角拱，拱截面为桁架结构形式，用一种新材料和结构形式诠释了欧洲传统的拱结构，赋予一个传统形式以新的审美视角——轻盈的、理性的，这样一种全新的建筑在当时引起了广泛的轰动。1889年落成的埃菲尔铁塔，也是用钢桁架结构来完成了一个巨型雕塑，清晰的骨架摒弃了人们对雕塑的传统审美取向。

图10  巴黎世博会机械馆剖面图

图11  巴黎世博会机械馆轻盈的钢桁架结构

▲  对立面形式的表达

—— 一种外部可见的“骨骼”

三角形桁架是一种基础受力形式，三角形可以根据钢杆件截面的大小来变化，当它较大时，可以选择出现在建筑的立面肌理上。让结构作为一种语言来组成立面是一种符合理性思考的立面形式，它反映出了建筑“如何站起来”的逻辑，这些结构“骨架”的显现是一种新的立面形式。比如，贝聿铭设计的香港中银大厦（图12）便有一个外部可见的“骨骼”。整座中银大厦可以简化地看作是由4个不同高度的三角柱体构成的（图13），层层叠起，建筑结构为巨大的钢桁架，而这些桁架也自然地在立面上显示出来，以此表达出了建筑的力量之美。

图12   香港中银大厦效果照片

图13   4个不同高度的三角柱体

▲  对屋面形式的表达——自由的屋面形式

桁架小构架的自由组合可以使得屋面的自由形式拥有更多可能性，比如三维曲线的屋面和大覆盖的顶。1994年由Renzo Piano设计的关西机场候机楼的整个屋面呈现出流动形态，从其结构剖面图（图14）可以看出整个建筑的屋架架在钢桁架体系上，钢桁架体系将屋面荷载传递给曲钢梁，再由曲钢梁传递给分叉柱。钢桁架配合曲梁的使用使得曲面屋顶得以被支撑，整个屋架的荷载被分布到小尺度、短线程的构件上，钢杆构件主要受到轴力，受弯矩和剪力的影响较小，这也符合了线性受力构件的受力特点。整个屋面体系除了弯曲的钢梁，没有出现大尺度钢构件，对于钢材这种柔性材料而言，同样的力作用下，越小长度的挠度越小，整个结构的稳定性越高。

图14  关西机场候机楼结构剖面图中曲屋面做法

桁架对于建筑空间的变革

▲  超大空间的获得

大尺度空间的营造一直就受到了建筑材料、建筑结构的限制。一般公共建筑中使用的框架结构、砌体结构等很难获得大跨度，为了减小楼板的挠度和弯曲变形，平面需要许多承重柱来传递楼面、屋面荷载。但是桁架可以将大跨度楼面或者屋面下的梁承受的剪力适当地分散转换成轴力，使得大跨度楼面、屋面的刚性大大增强，让大跨度空间成为可能。关西机场候机楼同样也是桁架体系下大跨度空间的一个代表作，屋面荷载由庞大的钢桁架体系承接，钢桁架传力给两排分叉柱，整个柱距跨度达到了82.8m（图15）。

图15  关西机场候机楼曲面屋顶的桁架示意图

▲  桁架体系变革竖向受力体系

——结构作为一个空间

我们可以将桁架体系理解成许多二元体组成的刚体，刚体在建筑结构中会被用作水平向承力体系、垂直向承力体系。当桁架用于水平向承力体系，也就获得了如前所述的大跨度楼面、屋面；而桁架体系用于垂直向承力体系，则会带来竖向受力体系的变革。

伊东丰雄的仙台媒体中心是一个依托于结构设计的方案，该方案打破了传统意义上柱、柱网的印象，13根钢桁架构成的支撑柱被放大、分解，由于钢桁架具有刚度大、自重轻的特点，可以不在柱中间填满材料来加强支撑，只需要在柱的外围包裹一圈桁架组成的结构来承担竖向受力的任务，让柱的内部空间得到解放，甚至让柱的内部成为交通空间来贯通各水平层的平面（图16~18）。

图16  伊东丰雄的仙台媒体中心效果照片

图17  仙台媒体中心平面图

——被分解和放大的柱

图18  仙台媒体中心柱子的具体做法

▲  空间特殊的韵律感

一些特殊的立体桁架结构创造出极具艺术性和空间韵律感的建筑空间，它们裸露在建筑空间中，轻盈、重复却有变化、有节奏，体现了一种由内而生成的建筑美。近几年，大型的公共建筑项目常常因为需要创造大跨度的空间而采用桁架结构，桁架结构本身就会成为了一种重要的装饰要素，丰富建筑空间的感受。旧金山国际机场是建筑美感和结构结合的典范（图19），它由五榀三跨的连续鱼腹空间桁架构成。连续桁架中间部分跨度116m，两端挑出49m，从其内部效果图看起来在偌大一个空间中，连续而庞大的鱼腹空间桁架和采光屋面结合在一起，像动物骨架一样覆盖在建筑上，极具韵律和美感。

图19  旧金山国际机场的鱼腹空间桁架

结　语

综上所述，桁架体系虽然在历史上早已出现，但随着科学技术和材料的发展，这个体系逐渐被完善，也逐渐解放了空间营造的各个方面。借由结构创新带来建筑空间、建筑形式创新的例子已屡见不鲜，桁架带来了建筑设计上的巨大突破，但设计者在各种繁杂的形式和做法中仍然需要秉持理性思考，因为理性之美、理性的构建才是桁架结构最重要的优势。