桁架是一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結構。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構，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度，在跨度較大時可比實腹梁節省材料，減輕自重和增大剛度。對于建筑來說應用此結構有其優點。三角形單元更加穩固，能夠很容易形成大跨度空間。總體來說桁架的作用相當于框架結構里的梁和柱，但是與其相比不同之處在于它把在傳力過程中用處不大的部位去掉，使力沿斜桿逐一傳遞到地面，這樣一來形成的桁架柱或梁能通過既定的力傳導路徑，最大化利用鋼材。也就是說桁架相當于大跨度、截面較高的梁，但是出于穩固、經濟和美觀等因素，設計出桁架這種三角構件單元構成的結構。

桁架的受力部位一般位于節點，因此桁架和桁架之間、桁架和其他結構間的連接，一般都在桁架節點處，這樣才能使得力通過桿件傳遞到地基，形成穩固結構。

▲  支撐大跨度空間屋頂的小型桁架

通過日常生活的觀察我們可以看到有很多體育場館，尤其是對跨度和高度有一定要求的場館會使用桁架結構。通常這種桁架是在屋頂下方平行排布，通過節點，連接到深入地面的結構柱，進而可以支撐起大跨度屋頂并且無需場館中間其他結構的支撐。這一點也和橋梁的建造相呼應，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使用桁架結構，盡量減少橋墩（柱）的使用，同時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的桁架，往往對層高有一定要求，為了實現大跨度，這種桁架會設計得比較高，因此為了能夠使凈空間足夠使用，計算層高時必須把桁架高度考慮在內。

這種鋼制的小型桁架由多個三角形組成，結構穩固且基于使用的材質因素，也不會顯得很笨重，一排排小型桁架被安置在頂層屋蓋下方，支撐屋頂的同時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校

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

克雷茲作為一名曾經是優秀結構工程師的建筑師，對于多種結構的了解讓他能夠很好地把自己的建筑設計和結構設計結合在一起。他所設計的蘇黎世洛伊申巴赫學校為了滿足甲方要求和結構需要，選擇了使用層疊的大型桁架疊加在一起形成了中間的無柱空間。

從圖1學校剖面圖可看出整座學校是由分層的巨型桁架劃分的，可以說整個建筑就是由不相同但是原理一致的幾層桁架通過節點一層層地堆砌而成的，這些桁架就好像一個個空心梁，人在“梁”中間活動，梁外側負責傳力并支撐起整個大范圍的無柱空間。這種“梁”相當于規定了力的傳導方向，把能夠節省下來的部分去掉，進而形成一些相當于空心的大跨度構件。這種構成方式在保證了結構安全的前提下最大程度釋放了空間活力，便于建筑師發揮也便于使用者活動。同時我們也會發現桁架的位置和形式隨樓層變化，這就產生了多樣化的室內格局并為每一層提供了與其外部空間相匹配的空間關系。

圖1  克雷茲的蘇黎世洛易申巴赫學校

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劃，為了形成一個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，也是通過桁架支撐起整個建筑的，而人則在桁架中間穿行。但是克雷茲在這種做法的基礎上有了一些改變，他沒有選用整齊的橫、縱排布的桁架，而是選用了帶一些傾斜角度的桁架，沒有使用“樹”一樣的結構，而是將桁架按照需求一層一層疊加。

（2）結合自身建筑設計的桁架可能性分析

筆者根據場地的條件和特點選擇了“城市廣場”這一概念，以及桁架結構，做了可能性分析。首當其沖需要在底層設置一個開敞的大型空間“廣場”。一般來說建筑底層都是比較基礎的結構，上層結構都需要底層構件（柱、墻）進行傳力，但是由于不希望底層有太多結構占據了空間，因此借鑒圣保羅藝術博物館對底層的處理方式，選擇將主要結構用某種方式做在整個建筑的最高處，再根據這個結構向下“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問題：首先是混凝土柱如果想要很高的承載力的話會比較粗大，造成材料的浪費，而且無論從觀感還是功能來講都不是很合適；其次混凝土結構能實現的跨度較小，難以實現僅由邊緣幾根柱就支撐起整個建筑；其三混凝土難以選取合適的懸掛點，如果想要懸掛的話可能需要在混凝土里預埋大量構件，費時費力效果還不好。

綜上所述，筆者想到了桁架結構。根據設定的概念需要做一種“倒錯”空間，為了實現這樣的空間需要將整個結構倒過來，也就是說在整個建筑的最上層是最強的結構，也就是新的“地基”。為了實現強結構，選擇將上面一整層都做成一個大型空間桁架體系，由縱橫交叉的桁架編織成“地基”，再通過四根結構柱將它們支撐起來，同時在設計桁架時考慮了模數的存在，這樣一來結構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導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劃和蘇黎世洛伊申巴赫學校的做法，選擇讓一部分桁架貫穿兩層，而另一部分不需要橫跨兩層，也就是對空間需求不是很高的桁架依然選用一層，這樣一來，既能保證主體空間的完整性，也能使結構不至于整體橫跨兩層，最大化建筑設計能夠發揮的空間，最終形成了類似于“樹”的結構（圖2）。

圖2  筆者設計的“城市廣場”

在桁架結構體系成型之后，再根據相應設計需求和空間規劃從桁架節點處，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，總體結構基本搭建完成，這個結構和一般結構的不同之處就在于越到上面結構越密集，越到下面結構反而越稀疏，這樣一來就完成了結構和空間及功能的適配。

在這個設計中，使用桁架結構既形成了所需要的“廣場空間”，同時也通過桁架創造了很多有活力、有驚喜的空間。通過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構工程師設計結構提供了思路。

雖然這僅是一個基于概念的可行性應用探索，但也期望為結構工程師在桁架結構的應用提供一些可行的思路。

▲  建筑師的追求和結構工程師對安全性的考慮

基于對于美學的追求，很多建筑師會設計出一些對結構工程師來說難度很大甚至不可行的結構形式，因此，建筑師的追求和結構工程師對安全性和可行性的考量，會有一些矛盾。而其中比較集中的一點就是在空間的營造上。一片寬闊、無柱的空間顯然是好用的，但是在結構上這很難實現。不過如果靈活應用桁架結構，相對于其他結構而言結構更可能實現。

桁架本身的可變性使得建筑師對跨度和空間的需求都易于實現，對于結構工程師來說，桁架又是他們所了如指掌的，如果在方案中可以積極應用桁架結構，那么就可能建造出更加宜居和安全的建筑。

▲  桁架結構需要建筑師和結構工程師共同設計完成

由于對建筑的著眼點不同，建筑師總著眼于建筑外形與特色，而結構工程師總著眼于建筑的安全性上，因此會產生一些矛盾。譬如，結構工程師更傾向于做一些已經有經驗的、能保證可靠的結構來保障安全性，但是這些結構往往難以實現建筑師想要的效果。建筑師則喜歡獨辟蹊徑，做一些特殊建筑，但是這些建筑的結構實在太特殊以致于難于實現。

對于此類問題，就需要建筑師和結構工程師更緊密地協同、合作設計，將建筑設計和結構設計糅合到一起來，既考慮獨創、美觀，又考慮結構安全、可靠，彼此互補，才可以利用桁架結構這個尖銳利器來實現美觀大氣、概念十足又堅固耐用的結構。