結構材料-玻璃
作者：楊笑天
玻璃，科學定義泛指出現玻璃轉化的無定形固體。我們常說的玻璃主要成分是二氧化硅（石英），經過熔解後迅速冷卻成形，分子由於沒有足夠的時間形成晶體，仍凍結在液態分子的狀態，形成無定形固體。
人類最早使用的玻璃是天然火山玻璃。公元前200年，巴比倫人發明了吹管制玻璃的方法。玻璃作為建築材料使用至今，已有近兩千年的歷史。
普通玻璃的軟化溫度為600-750℃，凝固溫度為500-550℃。11世紀，德國發明了製造平面玻璃的技術。先把玻璃吹成球狀，再造成圓筒型，最後切開、攤平、冷卻。但是吹制或卷壓法生產的玻璃不是完全平整，打磨的造價和難度比較大。一塊4米x2米的玻璃板的造價大概是今天的30倍。
1952年皮爾金頓Pilkingdon玻璃公司發明了浮法玻璃。方法是將玻璃熔液倒進裝有熔融態金屬錫的缸內，玻璃浮上錫面後自然形成兩邊平滑的表面。之後經冷卻、退火、打磨便成為接近完全平的玻璃。浮法玻璃大大降低了生產成本，提高了平整度，目前世界上絕大部分平面玻璃採用浮法生產。
今天，製造廠已經能量產最大25毫米厚、3.6米寬、12米長甚至更長的透明玻璃。考慮到製作和運送成本，最大尺寸為6mx3m，常用的尺寸一般小於4mx2m。
玻璃的特點
最常見的鈉鈣玻璃，包括75%的二氧化硅、以及氧化鈉、氧化鈣和其他添加物。通過添加不同的成分，可以改變玻璃的顏色、反射係數、透光係數、隔熱、力學性能等，於是在實際應用中便有了許多可能性。
玻璃最大的特點是透光性。普通玻璃呈淡淡的綠色，3mm、5mm厚的凈片玻璃光透射比分別為87%和84%。超白玻璃，即低鐵玻璃，通過減少了原料中的氧化鐵成份，進一步提高了透明性，常用於博物館或商店櫥窗。一些大型的公共建築也使用了超白玻璃，提高幕牆系統的通透視覺效果。
玻璃本體的導熱係數並不大，但對紅外線透射率大於可見光，導致了暖房效應。現代建築中應用的玻璃多採用高反射、鍍膜、中空等技術提高它的熱工性能和節能指標。
高反射玻璃 加入了鐵鈷鎳等元素，可能造成炫光，影響人視線。現在改善熱工性能時常用的是鍍膜玻璃和中空玻璃。若在稍寬的中空層裝入不透明材料或可控制的百葉片，則可調整光線角度。
力學性能
玻璃的密度與成分有關，普通鈉鈣硅玻璃的密度為2.5g/cm3左右，約為鋼材的1/3。彈性模量介於60000~72000Mpa，也是鋼材的1/3。線膨脹係數約為鋼材的0.8倍，相差不大。
玻璃是理想的彈性體，硬度高。其強度與組成、環境溫度、幾何形狀、熱處理條件等因素有關。普通玻璃抗壓極限強度可達60-100MPa，抗拉強度也可達到50MPa。它最大的缺點是脆性，沒有明顯的屈服階段，局部應力集中或者衝擊會導致破碎。
為了改善玻璃的脆能，採用退火、淬火、表面處理、塗層、微晶化、材料複合等方法，發明了多種安全玻璃，例如鋼化玻璃、夾絲玻璃、夾膠玻璃和鈦化玻璃等。
鋼化玻璃 又稱強化玻璃，表面有一層壓縮應力層，內部則有拉應力層與之平衡，強度和抗衝擊性均有大幅提高。但是不能切割、開孔，且使用過程中容易自爆。碎片可能呈碎粒飛散或仍附著在一起。因此在採光天窗、大樓外牆等處，常採用強化膠合玻璃或夾絲玻璃。
夾膠玻璃 為了提高玻璃的承載能力，可將單片玻璃以樹脂膠合為多層板。膠合玻璃中單片破碎後不會散落。即使全部玻璃破碎，在膠結作用下仍能夠保有一定的結構承載力。
夾絲玻璃 在玻璃熔融狀態下，將經預熱處理的鋼絲或鋼絲網壓入玻璃中間，經退火、切割而成，表面可以壓花的或磨光。當玻璃受到衝擊或溫度驟變而破壞時，碎片不會飛散。火災情況下玻璃受熱炸裂，但金屬絲網使玻璃保持固定，隔絕火焰，故又稱為防火玻璃。
玻璃結構案例
早期的玻璃多用於建築圍護中，但隨著產品性能不斷改進，玻璃用作結構材料成為現代建築中的一個新亮點。這些玻璃結構可能是整體的建築，也可能僅僅是幕牆、樓梯、雨篷等局部。
國際上最頂尖的玻璃設計事務所，有荷蘭的Benthemcrouwel，英國的Dewhurst Macfariane、Eckersley O』Callaghan，以及義大利的Santambrogio等，他們的玻璃作品舉世矚目，也一定程度反映了現代玻璃結構的發展過程。
玻璃建築
蘋果旗艦店 是最為大家熟知的玻璃建築，是蘋果公司向外延伸空間和展示創新的重要部分。2006年建成的第五大道蘋果旗艦店是邊長約10米的立方體，結構使用了90塊玻璃拼接而成。而2011年重建的立方體只用了15塊玻璃。
立方體採用玻璃面板圍合出完全通透的空間，用玻璃肋作為支承結構，取消了原來的DPG點式金屬固件。今年5月10日，蘋果公司再次把玻璃結構拆除並計劃重建，不知道它將給大家帶來怎樣的驚喜。
2014年建成的伊斯坦布爾蘋果店玻璃盒子，有著更極致的透明度。四面牆均僅為一塊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)，中心處高出210mm以便排水。使用硅酮結構膠連接，沒有任何連接件影響建築的透明度。
杭州蘋果店，建築體高15米，外立面由11塊大幅雙層玻璃板構成。建造工程由福斯特建築事務所與Eckersley O』Callaghan工程公司共同完成。此外，店內的玻璃樓梯和懸在半空二層平台也是精彩(驚嚇)的結構設計。
上海陸家嘴蘋果店 是一個高12.6m，直徑10m的玻璃圓筒。立面由12塊超大彎曲鋼化玻璃組成。支承肋是70mm厚的夾膠鋼化玻璃，通過嵌入式的金屬件與面板連接。玻璃梁、玻璃肋柱和筒形面板組成了穩定的結構整體。
位於阿姆斯特丹的香奈兒旗艦店原址是一座古老的保護建築，項目改造由荷蘭MVRDV事務所設計。保留了建築物的頂層，將建築立面底部的陶土磚替換為實心玻璃磚，中間以玻璃元素和原始的紅色磚塊過渡、融合，製造一種建築物正在消融的視覺效果。
據 MVRDV介紹，「玻璃磚結構在許多方面，比混凝土材質還要堅固」。威尼斯玻璃製造商 Poesia 負責製造玻璃磚塊，荷蘭 Delft 大學的研究人員和 ABT 工程公司合作，嘗試結構解決方案，採用高強度膠水粘結磚塊。安裝過程中有瑕疵的玻璃磚塊可以重新溶掉鑄造。
Glass Tree House是由A.Masow設計的概念方案，計劃建造於哈薩克的山林中，房子的正中保留了一棵大樹。建築由玻璃圍合呈圓柱狀，幕牆和屋面均採用玻璃，並參與了整體結構受力，但它不是一座完全意義的玻璃結構設計。儘管Glass Tree House的從使用角度講不一定合陷，但不得不感嘆設計的想像力和帶給人們的震撼。
玻璃結構幕牆
由玻璃自身作為承受豎向和水平荷載主要受力構件，即玻璃結構幕牆。當高度或跨度較大時，採用玻璃肋支承，玻璃之間的連接常採用膠接或點式金屬固件。
梵高博物館 於2015年改造的入口大廳是一個巨大的玻璃結構。幕牆和屋頂的主要結構構件均是玻璃。屋頂共30條玻璃肋，最大跨度達12米，玻璃肋高度經過優化塑造出彎曲的屋面。
彎曲的幕牆玻璃由雙層中空玻璃組成，支承結構是20條玻璃肋，最大高度9.4米。
雨篷和採光頂
日本東京有樂町地鐵站出口，有一個10米長的玻璃建造的懸臂雨篷，由建築師Rafael Vinoly設計，於1996年完成。
結構為四列平行相扣的膠合強化玻璃片組成懸臂樑。設計風載重為每平方米5kN與最高標準的地震作用。厚度19mm的玻璃平板開72mm直徑之孔洞，玻璃板之間搭接、粘合。每個玻璃桿件節點可承載12kN剪力。
玻璃樓梯
用玻璃建造樓梯是玻璃結構應用的一個重要方面。透明的玻璃欄杆是主要承重構件，膠合玻璃板做踏步板，玻璃板之間填充了減震作用的材料，以減輕人行的振動。
越來越多的自然風景點建造了驚險的玻璃平台
玻璃材料在防火、抗震和材料穩定性等方面存著一定的局限，將它用作主體結構材料尚處於起步、探索階段。一些新研發的優秀產品，往往受限於製造成本，僅在一些小規試驗性的建築上嘗試使用。目前對於玻璃結構，全球還沒有一個國家提出指導性的設計方法或參考標準。
由於玻璃材料脆性的特點，結構師們既充滿期待又心有疑惑。目前，可以用於玻璃設計的軟體有RFEM等，集成了豐富的材料資料庫，可以進行整體結構和局部結構的受力分析。
越來越多的設計師嘗試使用玻璃製作結構構件，同時作為建築表現的一種方式。這為結構工程師提供了一個嶄新的平台，也是一個新的挑戰。
小i 對玻璃結構的理解不深，文中如有紕漏之處，歡迎批評指正。
參考資料：
1．玻璃結構設計之發展，Tim Macfariane
2．http://www.glasslimited.com
3．玻璃結構在國內外的應用
4．玻璃結構的炫技表演 梵高博物館新入口，ArchDaily.
5．本文圖片均來源於網路，版權屬於原作者或網站
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