玻璃結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的應(yīng)用

【中玻網(wǎng)】隨著制造工藝的不斷改進，玻璃已經(jīng)成為一種主承載結(jié)構(gòu)材料，玻璃結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等一樣，作為一種建筑結(jié)構(gòu)，成為現(xiàn)代公共建筑中的一個新亮點。經(jīng)過多年的研發(fā)和嘗試，國外玻璃建筑已在公共領(lǐng)域中嶄露頭角。而在國內(nèi)，由于對玻璃的結(jié)構(gòu)安全性的了解還不夠充分，因此業(yè)主和開發(fā)商還處于觀望的態(tài)度，設(shè)計研發(fā)者也因此缺少設(shè)計研發(fā)的機會。本文試圖通過對國外玻璃結(jié)構(gòu)的歸納介紹，增加公眾對玻璃結(jié)構(gòu)的關(guān)注，為國內(nèi)從業(yè)人員提供設(shè)計思路和參考，促進國內(nèi)玻璃結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

　　玻璃是沒有屈服階段的脆性材料，因此玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和方法有別于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)。全玻璃結(jié)構(gòu)的應(yīng)用經(jīng)歷了一個試驗階段。在20世紀(jì)晚期，荷蘭首先工程師在一個短租地塊上建造玻璃住宅，該建筑物三面為通透的承重全玻璃幕墻，輕型屋面的張弦梁(詞條“張弦梁”由行業(yè)大百科提供)通過螺栓(詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供)支承在玻璃肋上。此結(jié)構(gòu)證明了玻璃能成為承重建筑材料，但還未能解決玻璃結(jié)構(gòu)的安生性、防火等問題。隨后英國、法國的工程師也做了不同的嘗試，如榫鍥方式膠接的玻璃結(jié)構(gòu)、十字型玻璃柱等承重結(jié)構(gòu)。國內(nèi)對此階段的玻璃結(jié)構(gòu)項目有較詳細(xì)的介紹，代表作有荷蘭玻璃屋(House De Fantasie，Almere)，荷蘭Sonsbeek雕塑亭，英國Kingswinford玻璃博物館，荷蘭鹿特丹的玻璃連橋，玻璃柱應(yīng)用(Saint–Germain–en–Laye辦公室)，東京樂町線出口雨篷。

　　到了21世紀(jì)初期，全玻璃結(jié)構(gòu)開始在國外廣泛應(yīng)用到公共領(lǐng)域、商業(yè)建筑和私人住宅。其中荷蘭的benthemcrouwel，英國的Dewhurst Macfariane，英國的EckersleyO’Callaghan和意大利的建筑/玻璃設(shè)計師組合的Santambrogio等幾個有名的結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所的作品舉世矚目，也一定程度反映了玻璃結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。

　　作為美國蘋果公司旗艦店的結(jié)構(gòu)設(shè)計單位——英國EckersleyO’Callaghan，該事務(wù)所擁有大量有一個設(shè)計延續(xù)性的玻璃結(jié)構(gòu)的機會。因此，英國EckersleyO’Callaghan對玻璃結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展，作出了重大的貢獻。同時，美國蘋果公司在各地的旗艦店也展示了玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)展。

　　在中國，玻璃作為承重材料的應(yīng)用并不多，主要用作玻璃樓板或樓梯踏板。較令人注目的玻璃結(jié)構(gòu)為蘋果公司在北京、上海和香港等地開的旗艦店里，這些玻璃結(jié)構(gòu)有力的證明了我國玻璃制造和裝配業(yè)已經(jīng)走到了世界的前列。但玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計在我國還基本處于空白。

　　1本世紀(jì)初全玻璃結(jié)構(gòu)在國外的應(yīng)用

　　由英國BrianEckersley與JamesO’Callaghan于2004年建立的EckersleyO’Callaghan工作室是目前建筑玻璃結(jié)構(gòu)的帶領(lǐng)者。經(jīng)過多年探索，該工作室已經(jīng)擁有較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟ＡЫY(jié)構(gòu)設(shè)計理論和分析方法，也是多個國家玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)委員會成員，因此，了解EckersleyO’Callaghan的玻璃項目，便是了解玻璃結(jié)構(gòu)的簡史，下面將介紹幾個代表性的項目。

　　2014年開業(yè)的美國國家紀(jì)念館門前的2.5m懸臂的玻璃墻，此玻璃墻由4層夾膠浮法玻璃組成。玻璃表層的浮雕是通過深酸蝕刻，深雕刻和印刷等工藝制造而成。

　　2014年完工的美國費城迪爾沃思公園地下交通樞紐的兩個玻璃亭出口，可能是目前世界非常大較高的膠接式全玻璃結(jié)構(gòu)。每個玻璃亭是一個全玻璃結(jié)構(gòu)，由18ft(5.486m)高的玻璃墻和跨度為17ft(5.182m)的玻璃屋頂組成。玻璃墻面板(詞條“面板”由行業(yè)大百科提供)為5片3/8”(9.525mm)厚SGP夾膠半鋼化玻璃，玻璃屋頂為7片SGP夾膠半鋼華玻璃。整個玻璃亭由鋼梁與混凝土反梁支撐，玻璃墻固接于不銹鋼槽中，從地面向上懸挑。玻璃屋面通過硅酮結(jié)構(gòu)密封膠直接支撐在玻璃墻面上。整個玻璃亭從地面上看，沒有任何的金屬配件。這個項目的成功取決于玻璃結(jié)構(gòu)的地基為全磚石結(jié)構(gòu)。

　　此玻璃亭可視為斜的排架結(jié)構(gòu)，入口處三片大尺寸玻璃組成一個的斜排架，斜排架的一部分重力作用在旁側(cè)的尺寸較小排架上，一個非常大的排架壓在一個較小排架上，直到玻璃亭的根部，形成一個結(jié)構(gòu)整體。當(dāng)風(fēng)荷載(詞條“風(fēng)荷載”由行業(yè)大百科提供)作用下，整個玻璃屋頂對排架結(jié)構(gòu)起到一定的側(cè)向支撐作用。大尺寸的屋頂玻璃通過結(jié)構(gòu)膠及玻璃墊片將水平風(fēng)荷載傳到小尺寸的屋頂玻璃，直到底部基礎(chǔ)。其中，結(jié)構(gòu)膠應(yīng)為小變形的，才能起到水平荷載傳遞作用。在玻璃重力作用下，玻璃與墊片之間通過摩擦力將一部分水平荷載傳遞到屋頂根部。

　　另外，意大利米蘭的建筑/玻璃設(shè)計師組合Santambrogio(Carlo Santambrogio & Ennio Arosic)也是世界上有名的玻璃結(jié)構(gòu)相關(guān)人士。他們設(shè)計并建造了兩套完全由藍色玻璃組成的玻璃屋子。兩間屋子均為框架體系的全玻璃結(jié)構(gòu)，一間為三層玻璃屋，另一間為建于水面長方形吊腳式玻璃屋。

　　三層玻璃屋的中柱為置于室外的玻璃肋與玻璃墻面板組成的T型截面柱，其中玻璃肋由兩片玻璃組成。角柱為轉(zhuǎn)角玻璃墻面板和與之延伸的玻璃肋結(jié)成的十字型截面柱。玻璃梁系為縱橫兩方向玻璃梁，通過螺栓連接而成的網(wǎng)格梁系。網(wǎng)格的每個末端通過螺栓與玻璃柱連接，構(gòu)成了主體框架。室內(nèi)的玻璃書架和玻璃廚子與玻璃梁柱連接，成為玻璃屋的次結(jié)構(gòu)，為玻璃屋提供支撐作用。玻璃樓梯安裝在玻璃墻面和室內(nèi)玻璃廚子之間，由兩邊的玻璃面板支承。

　　建于水面上的長方形吊腳式玻璃屋，由兩片玻璃組成的玻璃Ⅱ型柱子穿過水面，與地基連接，離水面一定高度處，建立一層梁網(wǎng)格，交接處通過玻璃耳板用螺栓進行連接。玻璃地面鋪在梁網(wǎng)格上面，玻璃屋頂做法與樓板相似。入口樓梯道由兩塊到地基的玻璃面板做為主梁，樓梯踏板與玻璃面板連接，頂部由從屋內(nèi)延伸出來的玻璃梁作為主支撐架，玻璃墻面板與屋面板與之連接。

　　2蘋果公司的全玻璃結(jié)構(gòu)產(chǎn)品

　　2001年蘋果公司與建筑師Bohlin Cywinski Jackson、工程結(jié)構(gòu)師EckersleyO''Callaghan等合作，建造出一系列用于共公建筑的玻璃結(jié)構(gòu)作品。他們的作品幾乎都具有繼承和發(fā)展特點，使得玻璃結(jié)構(gòu)的發(fā)展得到非常大的打破。

　　2004年開業(yè)的位于英國倫敦攝政王街的蘋果旗艦店的玻璃樓梯和玻璃橋，是當(dāng)時非常大跨度的玻璃作品。玻璃樓梯是由起承重作用的夾膠鋼化玻璃墻和玻璃踏板組成，玻璃踏板的跨度為2.4m，由多層夾膠浮法玻璃組成，通過定制的鈦合金連接件與玻璃墻連接。其中，鈦合金連接件是在玻璃踏板進行夾層粘結(jié)的過程中一同預(yù)埋粘結(jié)的。

　　2005年開業(yè)的日本東京蘋果專賣店的全玻璃樓梯，將玻璃欄河視為樓梯的主承重單跨梁，橫跨在一樓與地面之間。由于受玻璃制造業(yè)的限制，玻璃承重欄河需要由三塊等長的玻璃，通過鋼件鉸接起來。玻璃踏板通過金屬件與玻璃欄河連接起來，共同抵抗當(dāng)?shù)馗吡叶鹊牡卣鹱饔谩?/p>

　　2011年開業(yè)的德國漢堡蘋果專賣店的玻璃樓梯，12m跨度的承重玻璃欄河為一塊5×12mm厚夾膠半鋼化玻璃，重量超過4噸。另外，玻璃踏板與欄河之間的連接件為背栓式，與欄河玻璃的夾膠層粘結(jié)，不再需要穿透欄河玻璃的外層，保持了玻璃外表面的完整性。

　　2012年倫敦王子街103號的蘋果旗艦店重新裝修，玻璃樓梯重新設(shè)計成跨度13m的新一代玻璃樓梯，跨度13m的玻璃欄河為一塊5層夾膠半鋼化玻璃，重量超過2噸。

　　2004年在日本大阪蘋果專賣店建成的螺旋形玻璃樓梯，由高承受力的夾層化學(xué)鋼化圓弧玻璃通過鋼件連接成螺旋形的承載欄河(即樓梯的主梁)，通過鋼索吊掛在上部梁上。玻璃踏面選用浮法玻璃，兩端使用鋼件與玻璃欄河連接，形成一個整體共同抵抗當(dāng)?shù)囟喟l(fā)的高烈度地震作用。

　　2006年5月開業(yè)的位于紐約第五大道的蘋果專賣店里的玻璃圓柱電梯及與之環(huán)繞的螺旋形的玻璃樓梯。整個圓柱形玻璃電梯井和玻璃樓梯由地下室底板支承，地面樓板提供側(cè)向支撐。電梯井的圓形平面為6塊弧形玻璃，一共3層，其中較底層和較高層開有電梯門，共16塊有玻璃組成。平面間玻璃通過金屬件連接，層間玻璃通過不銹鋼圈連接，形成抗拉環(huán)梁。電梯井作為整個玻璃結(jié)構(gòu)的核心承重柱，玻璃樓梯的外圍欄河是樓梯外螺旋形梁承重梁。外螺旋欄河其投影平面為6塊弧形玻璃，底部玻璃與地下室樓板連接，頂部玻璃與一層樓板連接，中間弧形玻璃由倒L型玻璃柱支承。倒L型玻璃柱的另一邊與中心電梯井連接，將荷載傳會中心電梯井。樓梯踏板連接電梯井和外螺旋欄河，起側(cè)向連接作用，保證樓梯的穩(wěn)定性。

　　2007年于紐約第十四大道的蘋果專賣店里完成的螺旋玻璃樓梯，初次將螺旋玻璃樓梯技術(shù)由單層上升到兩層。

　　樓梯中心處為圓形核心承重柱，核心承重柱平面為6塊弧形玻璃，豎向有4.5層，共30塊玻璃組成。核心承重柱玻璃間的連接方式，與他其螺旋玻璃樓梯項目一樣，平面間玻璃通過金屬件連接，層間玻璃通過不銹鋼圈連接。核心承重柱由預(yù)埋在地面層下面的鋼網(wǎng)格支承，二層、三層的樓板提供側(cè)向連接。外圍的玻璃欄河由三層化學(xué)鋼化夾膠玻璃組成，作為樓梯外螺旋形梁承重梁，支承于從核心承重柱懸挑的玻璃梁上。

　　對樓梯穩(wěn)定性非常大的挑戰(zhàn)是，建筑物本身的剛性不大，有一定的側(cè)向位移。因此，樓梯與建筑物之間的連接必須有足夠的相對滑動的能力，從而樓梯不會對建筑物起側(cè)向加固作用。

　　2006年5月開業(yè)的位于紐約第五大道的蘋果專賣店玻璃門廳，這個玻璃屋是長寬高均為32.5ft(約10m)的立方體。這是個玻璃框架結(jié)構(gòu)，屋頂為雙向薄壁玻璃平面網(wǎng)格，通過拼接的玻璃柱進行支撐，其橫向穩(wěn)定性由玻璃墻面板提供。中玻網(wǎng)格與玻璃柱均由多層的夾膠玻璃(詞條“夾膠玻璃”由行業(yè)大百科提供)組成，所以玻璃構(gòu)件之間通過金屬件連接。整個玻璃結(jié)構(gòu)包括106件玻璃面板，和250件玻璃肋(即中玻網(wǎng)格與玻璃柱)。在屋頂?shù)闹胁繏熘粋�8ft(約2.4m)的會發(fā)光的蘋果商標(biāo)。

　　此玻璃門廳處于EckersleyO’Callaghan建造玻璃結(jié)構(gòu)的初期，受限于當(dāng)時的玻璃結(jié)構(gòu)分析水平和玻璃制造能力。所以玻璃構(gòu)件尺寸相對較小，連接件也相當(dāng)多。在此后經(jīng)過多方的努力，玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法得到非常大的發(fā)展，玻璃制造安裝也得打破。此時，夾膠鋼化玻璃面板的尺寸能做到18m×3.6m。

　　為此，蘋果公司總裁史蒂夫·喬布斯決定重建紐約第五大道的蘋果專賣店玻璃門廳，使得2011年完成的新方案更為通透和簡潔，較新的玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計概念得已展示。改建后的玻璃門廳外觀尺寸不變，玻璃面板減至15塊，玻璃肋減至40塊。新方案中屋頂僅為7塊玻璃肋組成的中玻網(wǎng)格，其端部與玻璃柱鉸接，玻璃柱由一塊玻璃組成，不再需要拼接。

　　2010年開業(yè)的上海浦東資金全部中心的蘋果專賣店的門廳，為高12.6m，直徑10m的玻璃圓筒。其立面由12塊超大彎鋼化玻璃組成。面板背后的玻璃柱也是一塊12m高、70mm厚的夾膠鋼化玻璃，通過嵌入式的金屬件與玻璃面板連接。屋面由四塊玻璃組成，支承在徑向的玻璃梁上。玻璃梁的外端與玻璃柱連接，內(nèi)端與中心玻璃環(huán)梁連接，形成主承重玻璃框架，其側(cè)向穩(wěn)定由玻璃面板提供。

　　值得一提，我國的北京北玻安全玻璃有限公司與東金晶科技股份有限公司經(jīng)過共同研發(fā)，將初步方案的三塊4.2m長的彎鋼化玻璃改為一塊12.6m長×2.6m弧長的彎鋼化玻璃。打破了世界紀(jì)錄，獲得“中國創(chuàng)造”的美譽。為我國的玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　2014年完成的位于土耳其的伊斯坦布爾佐魯中心的蘋果專賣店屋頂玻璃盒子，是較良好的透明度。四面墻均僅為一塊10m長×3m高、3×12mm厚SGP夾膠鋼化玻璃。屋面為一塊帶反拱碳纖維增強塑料(CRFP)，其中心處比四邊高出210mm，以便排水。屋面板的四邊均為60mm寬的邊緣與玻璃墻面板連接。所有的連接部分都使用硅酮結(jié)構(gòu)膠，沒有任何連接件影響建筑物的完整性和透明度。

　　3全玻璃結(jié)構(gòu)在我國的概況

　　在中國玻璃作為承重材料的應(yīng)用還處于一個相當(dāng)?shù)图壍碾A段，目前主要的應(yīng)用是全玻幕墻，玻璃樓板，玻璃樓梯等。但全玻幕墻的設(shè)計技術(shù)水平與全部相比，也是相對落后的。在杭州的中國美術(shù)學(xué)院里的一座玻璃橋，盡管其跨度較小，但也是玻璃結(jié)構(gòu)應(yīng)用的一個嘗試。

　　盡管北京、上海和香港的蘋果旗艦店已將玻璃結(jié)構(gòu)帶到中國來，并大大促進了中國玻璃制造的發(fā)展，使國內(nèi)完全有能力生產(chǎn)和安裝全玻璃結(jié)構(gòu)。但是玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計還處于啟步階段，有待嘗試和開發(fā)。

　　4玻璃承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

　　對于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)，如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可依據(jù)相應(yīng)的國家規(guī)范進行驗算。如果是超規(guī)范的設(shè)計，就需要進行相關(guān)人士論證，有必要時需要對其中關(guān)鍵部位進行實驗。同時，項目的實際應(yīng)用，也是一個反復(fù)調(diào)整嘗試和調(diào)整的過程。

　　目前對于玻璃結(jié)構(gòu)，大部分國家還沒有一個國家提出指導(dǎo)性的設(shè)計方法或參考標(biāo)準(zhǔn)。由于玻璃材料脆性的特點，結(jié)構(gòu)師們對玻璃結(jié)構(gòu)既充滿期待又心有疑惑。在國外，玻璃結(jié)構(gòu)有近30年的發(fā)展史，國外結(jié)構(gòu)師走過了玻璃結(jié)構(gòu)的探索階段基本進入工程應(yīng)用實踐階段，因為沒有行業(yè)性的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，所以對于玻璃結(jié)構(gòu)的研究一直是一個熱門的研究課題，為工程師提供大量的設(shè)計參考。但在我國，無論是研究機構(gòu)還是一線的工程師都較少對玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計進行探索或試驗性研發(fā)，因此我國的玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計基本處于空白。但相信，以玻璃材料夢幻般的通透性，一旦我國結(jié)構(gòu)師撐握玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，玻璃結(jié)構(gòu)建筑會瞬間在全國蔓延起來。

　　筆者大膽對玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計提出一個簡單的思路：力學(xué)理論分析——某一構(gòu)件破壞時，結(jié)構(gòu)的剩余強度設(shè)計——對所有玻璃構(gòu)件進行1:1的模仿實驗——根據(jù)實驗、概率論對設(shè)計方案進行調(diào)整——對玻璃構(gòu)件添加保護層(防撞擊、防火設(shè)計)——玻璃結(jié)構(gòu)實際工程應(yīng)用。

　　玻璃結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論分析是對玻璃結(jié)構(gòu)的初始設(shè)想按彈性力學(xué)理論進行數(shù)值分析，了解玻璃理論上應(yīng)力或應(yīng)變分布，為玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計提供初始的結(jié)構(gòu)方案。但由于玻璃實際情況受生產(chǎn)和加工的限制，可能出現(xiàn)多種數(shù)據(jù)分析無法預(yù)見的問題，因此力學(xué)理論分析得到的結(jié)構(gòu)方案不能作為玻璃結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用的設(shè)計依據(jù)。

　　由于玻璃的破碎無法完全避免，必需了解一旦某一玻璃構(gòu)件損壞失效后，損壞的玻璃構(gòu)件原承載的荷載能否通過另外路徑分配到其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，增加受荷的構(gòu)件是否因此受損而使建筑結(jié)構(gòu)更加危險。換句話說，就是需要對建筑進行剩余強度設(shè)計，當(dāng)某一玻璃構(gòu)件破壞后，整體結(jié)構(gòu)不會在采取應(yīng)急措施前出現(xiàn)進一步的損壞或倒塌。此時沒破壞的玻璃構(gòu)件所承受的荷載才是玻璃構(gòu)件的荷載設(shè)計值。

　　1：1的防真實驗是對玻璃構(gòu)件實際受力情況進行觀察，文獻[26]中，實驗中實際破壞情況與數(shù)據(jù)分析預(yù)期相差較遠(yuǎn)，因此，必須對全部玻璃構(gòu)件進行實驗，以得到真實的構(gòu)件受力情況。

　　由于每一個玻璃構(gòu)件成品都有其獨特性和性，實驗也只能對工程實際情況進行模仿，玻璃構(gòu)件并不能完全反映玻璃構(gòu)件在實際應(yīng)用中的實際情況，所以必須運用統(tǒng)計學(xué)概率論對實驗結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而得到一個被認(rèn)為較為可靠的玻璃構(gòu)件承載力數(shù)據(jù)。

　　較后，還需要考慮玻璃構(gòu)件的防火和防沖擊問題。當(dāng)遇到意外事件，在玻璃結(jié)構(gòu)中的所以有人能夠全部安全撤離的時間內(nèi)，玻璃結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生倒塌，那么說明玻璃結(jié)構(gòu)是安全的。這個時間取決于玻璃結(jié)構(gòu)的防火(防沖擊)能力、玻璃結(jié)構(gòu)的面積、能容納的人數(shù)、玻璃結(jié)構(gòu)所處的位置、及人員撤離的容易程度等。對于提高玻璃結(jié)構(gòu)的防火(防沖擊)能力，目前較常用的方法就是在玻璃構(gòu)件的外表面增加夾膠玻璃層或在玻璃構(gòu)件的外圍增加防護套。使玻璃保護層與玻璃受力構(gòu)件組成完整的玻璃構(gòu)件系統(tǒng)。

　　在工程實際應(yīng)用時，一定要保證玻璃構(gòu)件的公差在設(shè)計的允許范圍內(nèi)。定期對玻璃構(gòu)件進行觀察檢驗，了解玻璃構(gòu)件在應(yīng)用過程中的應(yīng)力和變形情況。并做好防護措施，一旦玻璃出現(xiàn)可見裂痕或破損，馬上提供臨時的支護，為整體結(jié)構(gòu)提供安全保證。