屋顶桁架设计的经济有效性和安全性

在现代人看来，尝试用短木料架设屋顶跨度的最有前景的方式，就是把短木料接合起来——类似于组装玩具——制作出一个三角结构，如图11-4所示。这其实就是格构梁的开端。我们都很熟悉钢制铁路桥中的格构梁。这类任意三角格栅结构被称为“桁架”。当屋顶桁架设计得当时，它就像一条长的实心梁，经济上允许相当大的屋顶跨度，而不会将任何危险的外推作用施加于支承墙。如同关于梁与梁的理论，现代技术中桁架方法的应用不仅限于此，它已延伸到船舶、桥梁、飞机以及其他形形色色的结构装置中。如我们在上一章所见，系杆拱其实是相同方法的另一个例子。

图11-4　如果无法获得长木料，就可以像组装玩具那样用短木料搭建屋顶桁架

然而在建筑学历史上，桁架或格构梁概念的发展异常缓慢。该观念最原始的形式——普通的木制屋顶桁架，对我们来说似乎显而易见，但我们的祖先却花了很长时间才想到它。而且，那时他们从未见过铁路桥，也从未玩过组装式玩具。最终，建筑桁架的方法直到罗马帝国晚期才出现，但它在中世纪之前并未真正流行起来。在古代的大部分时间里，建筑师都在没有桁架的情况下工作。

希腊建筑工匠从未想到用桁架。卓越的雅典建筑师，比如营建雅典卫城山门的穆尼西克里（Mnesicles）及设计帕提侬神庙和巴塞的阿波罗·埃皮鸠里神庙的伊克提鲁斯（Ictinus），都有意识地避免用拱和拱顶作为他们的建筑物屋顶，可是他们显然也未能发明出屋顶桁架或设计出任何真正合适的替代结构。发展到柱顶过梁阶段后，希腊建筑学的辉煌似乎戛然而止了。希腊式屋顶只能被形容为才智上的不堪。

简单的石梁或石楣无法安全地用于跨距超过8英尺（2.5米）的情况，否则它们就很容易开裂。因此，为了给神庙和其他建筑物提供实用的屋顶，有必要使用木梁；但事实上，在古希腊，木料已变得几乎和现代希腊一样稀缺。

希腊神庙中通常包含一定数量的满跨度木制屋顶梁，在这里，梁只是简单地横卧在墙壁和列柱廊石楣的顶部。这些梁或搁栅随后会用木板盖住，以使整座建筑物具有一个连续的平顶（见图11-5）。但是，这种平顶只是由普通木板构成，无法遮风挡雨。所以，其上需要覆盖一大堆混以水和稻草的黏土。就一座平均尺寸的神庙而言，这种黏土堆重约3000吨。当所有这些农用材料堆在那里并被完全夯实后，黏土堆会被精确修整成三角状的坡顶或斜顶。之后，将屋面瓦简单地铺在黏土堆上即可，就好像为花园小径铺上了石子。人们想必希望这一大块湿黏土尽快干燥，免得腐朽。变干后，它将成为害虫的绝妙庇护所；但在炎热的天气里，其优异的隔热性能无疑会大受欢迎。

图11-5　古风时代希腊神庙的屋顶

当然，有时使用更短的梁或椽也是有必要的。所罗门王与希兰王签订了专门的政治协议^[4]，由黎巴嫩供应香柏，但即便如此，所罗门王的屋顶梁也只有约25英尺（7米或17肘）长。许多希腊神庙的梁都比这还短。就像所罗门的建筑物那样，希腊神庙里的短椽是直接靠下面的一排排柱子来支撑的，不管建造起来是否方便。在意大利南部的帕埃斯图姆坐落着伟大的多立克柱式神庙（建造于约公元前550年），其中一座的一列圆柱立在正殿中央，将其分成两个面积相等的过道。这肯定会给任何类型的宗教仪式造成很大的不便。在晚期的大多数神庙中，布局普遍更得体也更对称（见图11-6），但即便是帕提侬神庙内也散乱地竖立着我们认为没有必要的柱子。

图11-6　更精致的5世纪神庙设法在不使用桁架的情况下支撑起屋顶(www.xing528.com)

最简单的屋顶桁架样式是“A”字形，它是在中世纪发展起来的。横穿桁架底部的水平承张构件或系杆被建筑工匠称作“领梁”。对短跨度而言，一般很容易找到足够长的领梁木料来制作如图11-7所示的简单三角桁架，但对小型的两层住宅来说，这种配置则常常导致相当笨拙的建筑比例；此外，屋顶上可能会浪费很多空间。基于这些原因，建筑工匠把领梁架在更高的地方——实际上，他们将楼上的部分房间设置在屋顶内，并在必要处开设屋顶天窗。这一切都非常好，但如果领梁被架设在桁架的高处，那么在屋顶重量的作用下，椽会呈向外弯曲或劈开的趋势。这同时会向外推动墙壁（见图11-8），极有可能导致代价惨重的后果。领梁放置得越高，后果很可能越糟糕。

图11-7　屋顶桁架领梁与墙顶平齐的简单两层住宅

大型的中世纪大厅和教堂的跨度通常相当大，所以盖屋顶是一个棘手的问题。桁架式屋顶可能比拱式或拱顶式砌筑顶造价更低，但即便可以找到足够长的木料来制作标准长度的系杆或领梁，若这些领梁被安放在建筑物中相对较低的位置，也会破坏正殿或大厅的建筑效果，尤其是它们会挡住通向大窗户的视野。因为那时候的人通常比较落后，关注外观甚于“效率”，所以欧洲大陆的建筑工匠都忠于砖石拱顶结构，通过繁复且昂贵的扶壁加固方法来支撑建筑物的拱形屋顶。

图11-8　为了节约空间和成本，将领梁提升过高的后果（略有夸张）

一个典型的例子是，英格兰的建筑工匠制造出一种折中或权宜类型的木屋顶，被形容为“新颖性大于科学性”。这就是“椽尾梁”屋顶（见图11-9）。在英格兰，椽尾梁屋顶比较受大型建筑物的欢迎，可见于威斯敏斯特教堂大厅、牛津大学或剑桥大学的许多学院建筑，以及今天的一些大型私人住宅。它们饱受艺术赞誉，或许部分原因是桁架的“关节”为富有想象力的木雕工匠提供了机会。多萝西·塞耶斯（Dorothy Sayers）的书迷一定记得，彼得·温西勋爵与芬丘奇街圣保罗教堂椽尾梁上雕刻的天使及智天使基路伯的冒险故事。^[5]

用结构学术语来说，相较于任何类似的有高领梁的大型桁架，椽尾梁桁架的主效用是将外推作用在支承墙上的施力点进一步下移，以减小它对最重要的推力作用线的不利影响。虽然这在实践中很有效，但椽尾梁桁架从未引起讲求逻辑的欧洲大陆工程师的注意，所以在英国之外，其实例寥寥无几。

图11-9　简单的椽尾梁屋顶。其效用是将外推作用（源自桁架的形变）在墙上的施力点进一步下移，以减小对推力作用线的影响。同时，端面窗口的视野会保持清晰

在传统的木制屋顶桁架中，接合处用的是木栓，有时是铁皮条。虽然这些接合方式并不特别有效，但在这样的结构中，主要需求是刚度而非强度，所以弱接合也无伤大雅。在大型现代建筑物中，比如工厂、工棚和仓库，屋顶桁架经常是由像角钢这样的钢材构成的，在这种情况下，不会出现任何特殊的问题。然而，在小型现代住宅中，屋顶桁架几乎总是木制的，木料的厚度常被削减到较低限度，甚至更低。尤其是平顶搁栅，其刚度可能刚刚达到能支撑平顶而不致灰泥开裂的程度。如果我们打算沉迷于将现代阁楼改为额外的卧室的时髦活动，那么最严重的问题很可能是地板的刚度。虽然屋顶桁架不太可能断裂，但人员和家具的额外重量导致的挠度变形很可能会严重损坏房屋，造成经济损失。业余的家装能手，请注意这一点。