当一位牙牙学语的婴儿指着一个顶着三角尖的盒子发音“JIA, JIA, JIA……”时, 一个充满归属感的轮廓开始在他心中埋下种子。当婴儿长大成人, 再忆家乡时, 坡屋顶依旧是他心中家的印象, 于是在吴冠中充满童趣的笔墨中, 坡屋顶是画家对故乡记忆的传神写意。即便勒·柯布西耶 (Le Corbusier) 在“新建筑五点”中用屋顶花园取代了坡屋顶的位置, 在很多建筑师的眼中, 抽象的坡屋顶建筑依旧代表了聚集之处或者庇护之所。三角尖架构的树屋被陆吉 (Marc-Antoine Laugier) 认为是建筑的最早起源 (图1) ;阿尔多·罗西 (Aldo Rossi) 把双坡屋顶建筑归为城市中最重要的建筑类型 (图2) ;克里斯蒂安·克雷兹 (Christian Kerez) 将保护旧教堂基础的新教堂设计为一座没有任何装饰的混凝土双坡顶小屋 (图3) 。

双坡屋顶很早就出现在人类的居住建筑类型中。中国本土的考古发掘推测出的巢居与穴居发展图示 (图4) 揭示了双坡顶被首先采用的原因——当时条件下双坡顶易于建造并满足遮风避雨的功能, 这种考古推测与陆吉以三角顶架构作为建筑起源有异曲同工之处。在中国历史中双坡屋顶发展出穿斗或抬梁两种屋架。西方逐步发展出利用斜撑的主柱桁架 (king post truss) , 并发展出适合大跨的桁架屋顶 (图5) 。日本首先在中国抬梁屋架的基础上发展出和小屋组, 在明治维新时期引入西方桁架即洋小屋组 (图6) 。

双坡屋顶作为令人倍感归属与庇护的建筑意向, 具有强烈的表现性, 它看似简单, 却复杂多样。在建筑作品中采用坡屋顶作为设计要素, 需要策略性地选用不同的结构概念, 以回应不同的空间需求、材料选择和构造限制。从屋架的结构类型策略上讲, 双坡屋顶设计可以主要分为:柱式、梁式、桁架式、拱式、刚架式、悬臂式 (图7) 。其中, 柱式屋架主要由建筑室内的柱子传递屋面荷载;梁式屋架和桁架式屋架的共同点在于, 屋架沿垂直方向将受力传递至下部的墙体或柱子, 区别在于梁式屋架构件有弯矩, 而桁架式屋架杆件只承受轴力;拱式屋架需要下部墙体或柱子抵抗屋架引起的水平侧推力;刚架式屋架的特征是屋架与下部的墙体或柱子形成整体;悬臂式屋架的特点是外墙或外柱作为悬臂支撑屋顶。

通过中柱支撑屋脊是双坡屋顶在结构上最简单有效的措施, 在这种屋架类型中, 中柱的存在是空间特质不可回避的问题, 以中柱为核心的屋架有多种 (图8) 。

在我国最常见的柱式屋架是南方地区常见的穿斗式民居, 如图8柱式A所示, 通过增加屋架两端之间的立柱, 屋面荷载被尽可能直接地传到地面, 由此获得较小柱径, 柱子之间的横梁将较细的立柱拉结为整体。由于立柱较密, 柱式屋架A通常被使用于跨度较小的空间, 但通过悉心的设计, 这种极其传统的柱式也能创造吸引人的空间。长谷川豪在驹泽住宅中巧妙地采用了这种屋架 (图9) 。在6m见方的住宅中, 他设置了柱距为1.54m的穿斗屋架。以穿斗屋架为基础, 他截断山墙中一根柱子获得3m宽的大窗, 在屋顶切开一段屋檐获得0.7m宽的室外廊道, 再利用半透而轻质的格栅创造了二层空间。看似平淡无奇的穿斗系统在长谷川豪手术般的巧妙操作下生机盎然。

支撑屋顶的中柱不仅具备结构作用, 也饱含仪式意义, 由此屋架具备了文化属性与日常属性。如图8柱式屋架B所示, 作为自身呈现的树形柱式屋架能够唤起人们对置身于丛林接受庇护的想象。筱原一男在古川之家的设计中有意暴露出支撑坡屋顶的中柱与斜撑 (图10) , 并且这种构架被极其理性地设计为与双坡屋面垂直支撑, 构架杆件夹角为45°, 然而这种暴露并非技术理性主义的操作, 最终的空间反而呈现出与人体尺度和生活场景相关的日常特质。

上述两种中柱屋架需要两侧的墙体或柱子提供支撑, 还有一种中柱屋架依靠中柱承担所有屋面荷载, 由此取消两侧的墙体或柱子, 这种屋架的结构本质是悬挑。但对于建筑师而言, 空间设计意向的复杂性往往不由纯粹的结构原理决定, 本文将这种屋架称为伞状柱式结构, 所以将其归入柱式屋架。如图8柱式屋架C所示, 这种柱式屋架的使用通常是为了更开阔的视野及场地关系。武藏藤泽之家坐落于埼玉县一处坡地 (图11) , 宅基地前后风景优美, 建筑师清水壮辅等人期望为这座住宅的起居空间创造出7.5m宽的景观视野, 使建筑内外无障碍地交融。为此, 建筑师设计了6榀屋架, 两端的4榀屋架系统是柱式屋架A, 中间两榀屋架是柱式屋架C, 6榀屋架通过贯通的天花连接, 提高了柱式屋架C的稳定性, 由此形成了暧昧的室内外空间经验。

对梁式屋架而言, 横梁上如何起坡是设计的关键问题之一 (图12) 。如图12梁式屋架A所示, 中国传统的抬梁屋架通过在大梁上层层架设短柱与小梁的方式, 举折形成坡屋顶, 屋面荷载通过短柱和梁层层传递到大梁, 最终由两端的柱子将力竖直传递到地面。

如图12梁式屋架B所示, 当建筑屋顶坡度较小时, 稍加弯曲的折梁可以既减少多余构件又解决双坡屋顶的需求。服部信康设计的桑名之家采用6m跨度的胶合木折梁作为坡屋顶结构 (图13) , 让结构解决自身问题的同时也解决了斜坡的构造问题。正因为折梁仍旧是简支梁, 故可以选择较细的柱子作为支撑结构, 同时为了达到室内柔和的空间效果, 建筑师将折梁底部设计为曲线。

桁架式屋架的最大优点是由只承受轴力的小截面构件形成大跨度, 且屋架自身不对下部结构产生侧推力。人们对桁架的印象还停留在厂房中, 刻板而缺乏人情味, 然而精巧的设计能完全改变这种偏见。在双坡屋顶的设计中, 桁架式屋架有很多可能性 (图14) 。

桁架式屋架A是最常见的三角屋架。在海明体育馆的设计中 (图15) , 阿尔曼奈·费希尔 (Almannai Fischer) 为了尽可能通过经济实用的结构达到约40m的跨度, 选用了三角桁架, 不同于传统三角桁架笨重且单调的做法, 建筑师将三角桁架做得更轻、更细、更密, 以此增加三角桁架的榀数和密度, 达到以结构兼做装饰的目的, 体育馆的室内空间也由此均质而温暖。

在结构理论中, 最简单的三角桁架是顶部受集中力、底部受拉, 底部拉杆可以非常纤细, 其作用是防止屋架的两端在承受屋面荷载时朝相互远离的方向滑移, 如图14桁架式屋架B所示。在莫干山大乐之野庾村民宿的设计中 (图16) , 直造建筑事务所为了创造相对纯净通透的空间, 用细钢索将三角屋架的两端拉住, 使原本需要大尺寸的折梁在构件尺度上减小, 其结构原理是三角桁架下弦的拉索极大地分担了折梁的弯矩。这个设计的巧妙之处在于, 拉索通常需要位于三角形屋架的根部, 且每榀三角屋架需一根拉索。结构工程师张准将拉索设置在屋架与下部结构交接的梁上, 使梁从水平方向上以整体的方式限制了屋顶端部的水平滑移, 从而得到建筑师期望的空间体验。

如图14桁架式屋架C所示, 这种桁架的使用非常特殊, 它的布置方式不是我们习以为常的横向, 而是纵向, 由此带来戏剧性的空间体验。茂木町文化交流馆研修室的平面约10m×12m (图17) , 为创造新的空间体验, 建筑师内天文雄和结构工程师山田宪明将木桁架沿屋脊方向设置, 从某种意义上讲, 这个建筑中的桁架发挥了类似于檐枋与檐檩的作用, 又由于桁架跨度远大于枋跨度, 导致新的设计结果容易被误读, 创造出别样趣味的空间体验。

拱式屋架最大的空间优势是屋顶空间与其下空间被整合在一起, 显得更为开阔, 最大难题就是如何解决拱的侧推力, 屋顶越重则侧推力越大, 因此通常情况下, 这种屋架很少被采用。建筑设计中被采用的拱式双坡顶屋架大致有两类 (图18) 。

如图18拱式屋架A所示, 对于单独的拱式屋架而言, 解决侧推力的方式通常是增加屋架下部结构的厚度, 这种做法有点类似于哥特建筑, 飞扶壁的增设确保了拱券的稳定, 二者都是通过结构的厚度将侧推力斜向传递到地面。要巧妙使用这种屋顶, 需稍作逆向思考, 即在保证屋架结构刚度的前提下极大地减小屋顶结构自重和设计荷载。谭与维德高建筑事务所 (Tham&Videgard Architect) 设计的斯德哥尔摩小屋是五个双坡顶屋面延绵展开的设计 (图19) 。方案中, 四个屋顶采用了厚重的折梁结构, 中间一个屋顶则选用了拱式屋架。该屋顶大约5m跨度, 由于位于室外无需保温防水, 极大地减轻了屋顶的自重, 因此获得屋架脚部很小的侧推力。在这种情况下, 拱式屋架帮助建筑师实现了预期的结果。

如图18拱式屋架B所示, 另外一种解决拱式屋架侧推力的方法是使用连续的拱式屋架, 连续布置能使相邻的拱式屋架相互抵消掉侧推力的水平分量, 剩下的垂直分量则通过墙体或柱子传递到地面。长谷川豪设计的一座森林小屋便采用了这种方式 (图20) 。建筑总宽7.2m, 由三个连续的双坡屋顶连在一起, 侧推力的抵消实现了细柱支撑, 建筑师进一步将三个大小不同的屋顶整合为一个屋顶, 形成了大屋顶守护小屋顶的空间体验。而渗透入室内的阳光, 通过大小屋顶之间的缓层空间弥漫下泻, 创造了新鲜而舒适的感官经验。

当屋架与下部墙体或柱子以刚接的方式形成整体时, 就形成了刚架式屋架, 另外需要强调的是屋脊的节点也需刚接。由于刚架内的构件均承受弯矩, 所以结构用材需要一定的截面尺寸抵抗弯矩 (图21) , 结构概念相同但设计需求不同也会带来不同的空间体验。

板材作为刚架式屋架的常用结构用材, 需要为抵抗刚架弯矩提供足够的截面尺寸 (图21刚架式屋架A) 。在设计10m跨度的谷仓时 (图22) , MOTIV建筑事务所和木结构工程师埃里克·卡什 (Eric Karsh) 选用单板层积材 (LVL) 作为结构用材, 其中刚架的柱体截面尺寸为5cm×30cm, 双坡顶部分截面尺寸为5cm×45cm。屋架与柱体的连接采用较密螺钉, 屋架构件在屋脊处的连接采用了螺栓与销钉, 同时为了仓库采光需要, 在屋脊南侧坡顶设置了窗户, 屋架以小间距的方式既作为结构构件又作为装饰构件。刚架式双坡屋顶为建筑提供了较大跨度, 而木质板材则为建筑提供了温馨质感, 从屋顶泻下的天光温暖着整个仓库。

虽然刚架内构件均为抗弯构件, 但在构件内部存在反弯点 (弯矩为0) , 如图21刚架式屋架B所示, 该点将刚架分为三个部分, 在确保每部分均为刚片的前提下, 整个结构仍旧为刚架。大舍建筑事务所的新办公室是他们自己设计的临时建筑作品 (图23) , 该建筑是在现存建筑上加建一层轻型钢结构形成的, 通过在反弯点上部拉结钢索、反弯点下部增加斜撑的方式, 获得刚架结构, 同时通过推敲结构与人体尺度和行为的关系, 以低廉造价创造出怡人的空间体验。

本文论述的悬臂式屋架是指屋架的荷载通过外墙或外柱的悬挑作用传递到地面, 因此这类屋架的底部弯矩很大, 需要锚固于地面 (图24) 。

如图24悬臂式屋架A所示, 两片式悬臂屋架为双坡顶建筑的天光采光提供可能性。为了在冥想之屋内部呈现天空与大地的直接关系, 约翰·帕森 (John Pawson) 在设计意大利一座石材建筑时 (图25) , 特意通过两片钢结构悬臂式屋架干挂石材的做法, 将屋脊打开。这座从外部看是密闭之室的建筑, 在室内为冥想者提供了与室外万物无限关联的时空体验。

如图24悬臂式屋架B所示, 全屋顶悬臂式屋架的实现难度较大。隈研吾将瑞士联邦洛桑理工大学的艺术实验室设计成一条长235m顶着双坡屋顶的廊屋 (图26) , 实验室的各个部门都被庇护于同一个屋檐之下。建筑端部作为入口广场需要开阔场地, 为了创造连续的屋顶形式和半室外的空间, 采用了悬挑整个屋顶的悬臂方式, 其他部分的屋顶采用刚架式屋架。虽然是同一屋檐, 但人们在沿屋脊方向行径时能体验到层次丰富的空间经验, 如同街巷。

对于结构理论而言, 逻辑清晰是可控的科学标准, 然而在实践中, 建筑师为了追求打动人心的感性空间体验, 也常常将同结构概念类型糅合在一起, 实现设计需求。

在无需恪守严格官式形制的情况下, 中国南方大量使用将穿斗与抬梁糅合在一起的民居 (图27) 。相对于柱式屋架, 梁式屋架能够为使用者提供更大的空间, 随之要求木构件截面尺寸更大、树龄更长, 也导致价格更贵, 而柱式屋架则相反。将二者糅合在一起, 以柱式屋架为基础, 为使用更多空间进行抽柱抬梁, 展现出权衡于日常使用与经济建造之间的民间智慧。

传统的空间意向往往累积了深厚的文化底蕴, 用现代技术追求传统空间意向是不少当代建筑师的做法。日本和小屋组是典型的梁式屋架, 层叠梁架形成的空间体验特色鲜明, 但用材较大, 造价较高, 在设计日本工学院大学弓道馆时 (图28) , 为了追求和小屋组的空间意向同时解决低造价的设计要求, FTA建筑事务所和多田脩二结构事务所采用小断面木材, 将梁式屋架与桁架式屋架糅合为一体, 创造出晶格结构, 新结构中杆件虽然不是纯粹的拉压构件, 弯矩却很小, 由此实现了符合箭道精神的精准、轻盈的空间体验。

同样是梁式屋架与桁架式屋架的组合, 但是不同的设计追求将获得不同的空间效果。为追求柔和的空间体验, 在设计弗林多功能厅时, 建筑师吉贡·卡米纳达 (Gion Caminada) 和结构师于尔格·康策特 (Jurg Conzett) 将桁架下弦拉杆的柔性特征表现得淋漓尽致 (图29) 。通常桁架的下弦杆是水平拉伸的, 但就受拉材料而言, 柔性是其区别于受压材料的重要特性, 悬索式拉杆使桁架中原本所需的斜撑失去意义。层叠的木条借用减震装置的原理被设计成抵抗震动的下弦, 显示出瑞士建筑无比精致的个性。

双坡屋顶为一座建筑带来了庇护或聚集的象征意义。虽然它外观简单, 却因空间体验、建造材料和构造方式的不同, 导致所选结构概念的巨大差异。针对双坡屋顶屋架系统, 本文总结了六种基本的结构概念类型, 根据设计条件和意向的差别, 这些基本概念又不断演化出多种次级类型, 以更好地辅助建筑设计构想的实现。建筑设计的综合特性决定了建筑创作的非线性逻辑, 当面对结构因素之外的众多因素时, 如功能或者文化, 糅合不同基本结构概念类型的设计策略为建筑设计提供了更灵活、多样的可能性。

图片来源:图1~4分别来源于文献1~4, 图9、20来源于文献5, 图10来源于文献6, 图19来源于文献7, 图25来源于文献8, 图5、6、11、13、15~17、22、23、26、27、29来源于网络, 其余为作者自绘。