结构材料-玻璃

　　玻璃，科学定义泛指出现玻璃转化的无定形固体。我们常说的玻璃主要成分是二氧化硅（石英），经过熔解后迅速冷却成形，分子由于没有足够的时间形成晶体，仍冻结在液态分子的状态，形成无定形固体。

　　人类最早使用的玻璃是天然火山玻璃。公元前200年，巴比伦人发明了吹管制玻璃的方法。玻璃作为建筑材料使用至今，已有近两千年的历史。

　　普通玻璃的软化温度为600-750℃，凝固温度为500-550℃。11世纪，德国发明了制造平面玻璃的技术。先把玻璃吹成球状，再造成圆筒型，最后切开、摊平、冷却。但是吹制或卷压法生产的玻璃不是完全平整，打磨的造价和难度比较大。一块4米x2米的玻璃板的造价大概是今天的30倍。

　　1952年皮尔金顿Pilkingdon玻璃公司发明了浮法玻璃。方法是将玻璃熔液倒进装有熔融态金属锡的缸内，玻璃浮上锡面后自然形成两边平滑的表面。之后经冷却、退火、打磨便成为接近完全平的玻璃。浮法玻璃大大降低了生产成本，提高了平整度，目前世界上绝大部分平面玻璃采用浮法生产。

　　今天，制造厂已经能量产最大25毫米厚、3.6米宽、12米长甚至更长的透明玻璃。考虑到制作和运送成本，最大尺寸为6mx3m，常用的尺寸一般小于4mx2m。

　　最常见的钠钙玻璃，包括75%的二氧化硅、以及氧化钠、氧化钙和其他添加物。通过添加不同的成分，可以改变玻璃的颜色、反射系数、透光系数、隔热、力学性能等，于是在实际应用中便有了许多可能性。

　　玻璃最大的特点是透光性。普通玻璃呈淡淡的绿色，3mm、5mm厚的净片玻璃光透射比分别为87%和84%。超白玻璃，即低铁玻璃，通过减少了原料中的氧化铁成份，进一步提高了透明性，常用于博物馆或商店橱窗。一些大型的公共建筑也使用了超白玻璃，提高幕墙系统的通透视觉效果。

　　玻璃本体的导热系数并不大，但对红外线透射率大于可见光，导致了暖房效应。现代建筑中应用的玻璃多采用高反射、镀膜、中空等技术提高它的热工性能和节能指标。

　　高反射玻璃 加入了铁钴镍等元素，可能造成炫光，影响人视线。现在改善热工性能时常用的是镀膜玻璃和中空玻璃。若在稍宽的中空层装入不透明材料或可控制的百叶片，则可调整光线角度。

　　玻璃的密度与成分有关，普通钠钙硅玻璃的密度为2.5g/cm3左右，约为钢材的1/3。弹性模量介于60000~72000Mpa，也是钢材的1/3。线倍，相差不大。

　　玻璃是理想的弹性体，硬度高。其强度与组成、环境温度、几何形状、热处理条件等因素有关。普通玻璃抗压极限强度可达60-100MPa，抗拉强度也可达到50MPa。它最大的缺点是脆性，没有明显的屈服阶段，局部应力集中或者冲击会导致破碎。

　　为了改善玻璃的脆能，采用退火、淬火、表面处理、涂层、微晶化、材料复合等方法，发明了多种安全玻璃，例如钢化玻璃、夹丝玻璃、夹胶玻璃和钛化玻璃等。

　　钢化玻璃 又称强化玻璃，表面有一层压缩应力层，内部则有拉应力层与之平衡，强度和抗冲击性均有大幅提高。但是不能切割、开孔，且使用过程中容易自爆。碎片可能呈碎粒飞散或仍附着在一起。因此在采光天窗、大楼外墙等处，常采用强化胶合玻璃或夹丝玻璃。

　　夹胶玻璃 为了提高玻璃的承载能力，可将单片玻璃以树脂胶合为多层板。胶合玻璃中单片破碎后不会散落。即使全部玻璃破碎，在胶结作用下仍能够保有一定的结构承载力。

　　夹丝玻璃 在玻璃熔融状态下，将经预热处理的钢丝或钢丝网压入玻璃中间，经退火、切割而成，表面可以压花的或磨光。当玻璃受到冲击或温度骤变而破坏时，碎片不会飞散。火灾情况下玻璃受热炸裂，但金属丝网使玻璃保持固定，隔绝火焰，故又称为防火玻璃。

　　早期的玻璃多用于建筑围护中，但随着产品性能不断改进，玻璃用作结构材料成为现代建筑中的一个新亮点。这些玻璃结构可能是整体的建筑，也可能仅仅是幕墙、楼梯、雨篷等局部。

　　国际上最顶尖的玻璃设计事务所，有荷兰的Benthemcrouwel，英国的Dewhurst Macfariane、Eckersley O’Callaghan，以及意大利的Santambrogio等，他们的玻璃作品举世瞩目，也一定程度反映了现代玻璃结构的发展过程。

　　苹果旗舰店是最为大家熟知的玻璃建筑，是苹果公司向外延伸空间和展示创新的重要部分。2006年建成的第五大道苹果旗舰店是边长约10米的立方体，结构使用了90块玻璃拼接而成。而2011年重建的立方体只用了15块玻璃。

　　立方体采用玻璃面板围合出完全通透的空间，用玻璃肋作为支承结构，取消了原来的DPG点式金属固件。今年5月10日，苹果公司再次把玻璃结构拆除并计划重建，不知道它将给大家带来怎样的惊喜。

　　2014年建成的伊斯坦布尔苹果店玻璃盒子，有着更极致的透明度。四面墙均仅为一块10m 长×3m高、3×12mm厚SGP夹胶钢化玻璃。屋面为一块带反拱碳纤维增强塑料(CRFP)，中心处高出210mm以便排水。使用硅酮结构胶连接，没有任何连接件影响建筑的透明度。

　　杭州苹果店，建筑体高15米，外立面由11块大幅双层玻璃板构成。建造工程由福斯特建筑事务所与Eckersley O’Callaghan工程公司共同完成。此外，店内的玻璃楼梯和悬在半空二层平台也是精彩(惊吓)的结构设计。

　　上海陆家嘴苹果店 是一个高12.6m，直径10m的玻璃圆筒。立面由12块超大弯曲钢化玻璃组成。支承肋是70mm厚的夹胶钢化玻璃，通过嵌入式的金属件与面板连接。玻璃梁、玻璃肋柱和筒形面板组成了稳定的结构整体。

　　位于阿姆斯特丹的香奈儿旗舰店原址是一座古老的保护建筑，项目改造由荷兰MVRDV事务所设计。保留了建筑物的顶层，将建筑立面底部的陶土砖替换为实心玻璃砖，中间以玻璃元素和原始的红色砖块过渡、融合，制造一种建筑物正在消融的视觉效果。

　　据 MVRDV介绍，“玻璃砖结构在许多方面，比混凝土材质还要坚固”。威尼斯玻璃制造商 Poesia 负责制造玻璃砖块，荷兰 Delft 大学的研究人员和 ABT 工程公司合作，尝试结构解决方案，采用高强度胶水粘结砖块。安装过程中有瑕疵的玻璃砖块可以重新溶掉铸造。

　　Glass Tree House是由A.Masow设计的概念方案，计划建造于哈萨克斯坦的山林中，房子的正中保留了一棵大树。建筑由玻璃围合呈圆柱状，幕墙和屋面均采用玻璃，并参与了整体结构受力，但它不是一座完全意义的玻璃结构设计。尽管Glass Tree House的从使用角度讲不一定合陷，但不得不感叹设计的想像力和带给人们的震撼。

　　由玻璃自身作为承受竖向和水平荷载主要受力构件，即玻璃结构幕墙。当高度或跨度较大时，采用玻璃肋支承，玻璃之间的连接常采用胶接或点式金属固件。

　　梵高博物馆于2015年改造的入口大厅是一个巨大的玻璃结构。幕墙和屋顶的主要结构构件均是玻璃。屋顶共30条玻璃肋，最大跨度达12米，玻璃肋高度经过优化塑造出弯曲的屋面。

　　弯曲的幕墙玻璃由双层中空玻璃组成，支承结构是20条玻璃肋，最大高度9.4米。

　　日本东京有乐町地铁站出口，有一个10米长的玻璃建造的悬臂雨篷，由建筑师Rafael Vinoly设计，于1996年完成。

　　结构为四列平行相扣的胶合强化玻璃片组成悬臂梁。设计风载重为每平方米5kN与最高标准的地震作用。厚度19mm的玻璃平板开72mm直径之孔洞，玻璃板之间搭接、粘合。每个玻璃杆件节点可承载12kN剪力。

　　用玻璃建造楼梯是玻璃结构应用的一个重要方面。透明的玻璃栏杆是主要承重构件，胶合玻璃板做踏步板，玻璃板之间填充了减震作用的材料，以减轻人行的振动。

　　玻璃材料在防火、抗震和材料稳定性等方面存着一定的局限，将它用作主体结构材料尚处于起步、探索阶段。一些新研发的优秀产品，往往受限于制造成本，仅在一些小规试验性的建筑上尝试使用。目前对于玻璃结构，全球还没有一个国家提出指导性的设计方法或参考标准。

　　由于玻璃材料脆性的特点，结构师们既充满期待又心有疑惑。目前，可以用于玻璃设计的软件有RFEM等，集成了丰富的材料数据库，可以进行整体结构和局部结构的受力分析。

　　越来越多的设计师尝试使用玻璃制作结构构件，同时作为建筑表现的一种方式。这为结构工程师提供了一个崭新的平台，也是一个新的挑战。

　　我们很高兴与结构同行探讨，也很愿意为建筑师提供结构方案、咨询建议、找形分析等。如有需求，请联系小i 微信号，或者在公众号首页留言。欢迎交流讨论！欢迎投稿！

　　iStructure的初衷是分享建筑结构领域的见闻、优秀的设计和自己一些的思考，向更多人呈现结构设计有趣的一面。