桁架，这一源自约1200年前古法文“trousse”的构造形式，意为“众多相互连接的元素之集合”。历经漫长岁月，桁架结构已演变出诸多形态，其应用领域亦愈发广泛，不仅在屋架中占据一席之地，更延伸至大跨度结构、高层建筑以及桥梁等多个领域。这种由直杆构成的平面或空间结构，以其独特的三角形单元设计，使得杆件主要承受轴向拉力或压力，从而最大化地利用了材料的强度。在跨度较大的情况下，桁架相较于实腹梁更为节材，同时还能减轻自身重量并提高刚度。
01桁架的历史演变与形式
桁架的起源与发展
古代，桁架已在桥梁等建筑中崭露头角。桁架最初在古代桥梁中使用，经过文艺复兴和工业革命的发展，演变为多种形式，成为现代建筑的重要组成部分。例如，古罗马时期的特雷江桥，其上部结构便采用了桁架设计，这一事实在罗马的浮雕中得到了印证。至文艺复兴时期，意大利建筑师Palladio将木桁架应用于桥梁建造，从而诞生了朗式桁架、汤式桁架以及豪式桁架等多种经典形式。1845年，英国首次出现了与汤式木桁架相似的金属格构桁架，而次年，三角形华伦式桁架也相继问世。
不同类型的桁架设计
从经典的三角形、平面和空间桁架到单柱式和双柱式设计，不同形式的桁架满足多样的建筑需求。三角形结构因其稳定性而受到重视，由此发展出稳定性好的三角桁架。自古以来，人类就深知三角形结构的稳定性，因此发明了实用性强、稳定性好的三角桁架。它由两根斜向的椽架和一根水平的托梁组成。平面桁架因其所有杆件均位于同一平面内而得名，常被工程师们采用以构建屋顶和桥梁。空间桁架则作为一种三维框架，各杆件末端通过旋转接点相连结，形成一种灵活且稳固的结构。
02现代桁架应用与创新
空间与平面桁架的工程应用
现代桁架在桥梁和建筑中广泛应用，提供高效、经济和耐用的结构解决方案。例如，空间桁架结构在福斯海湾桥中得到了应用，通过“纺锤形”桁架，桥梁实现了重量的平衡。而在埃菲尔铁塔的结构体系设计中，创新性地将复合拱与空间桁架结合，有效抵御了竖向力和侧向力荷载。北京大兴国际机场的航站楼，其屋面采用了大跨度的不规则曲面节点桁架设计，展现了结构的精巧与稳固。
创新设计与技术结合
近年来，随着技术的进步，桁架结构与3D打印、BIM技术相结合，推动了建筑创新，提升了设计和施工效率。德国博士研究员Robert Kovacs及其人机交互实验室团队，利用塑料瓶和3D打印技术，成功制造出大型且坚固的结构。他们将塑料瓶作为横梁，通过构建合理的闭合三角形，从而将这些三角形有机地组合在一起，形成了稳固的桁架结构。在设计与施工过程中，BIM技术的广泛应用，使得构建模拟实体到三维呈现变得更加高效和精确。
