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建筑玻璃结构设计之发展-深圳龙辉玻璃

发布时间:2015/8/13 20:10:29 浏览次数:
生产的创新
      玻璃作为主要建筑材料已有五千多年的历史,在这段漫长的时间中,玻璃的基本组成与性质仅有过去一百年,人类的生产工具有了巨大的变化。两百多年前,一片4米x2米的玻璃板需由手工加工,过程中为避免破裂,必须在平面金属底床上小心地退火。经过退火的过程,还需以手工磨拭才能去除表面的瑕疵以生产出透明平板玻璃。这种形式与尺寸的玻璃今天仍可生产。不过,当时的造价超过15,000元美金。

     今天,大型浮式玻璃的制造厂已能大量生产25厘米厚、3.6米宽、12米长甚至更长的透明玻璃。一片4米长,2米宽的玻璃板现只需500元美金。

     由浮式法所制造的平板玻璃可再经热处理或强化的程序已增加其强度。一般16米长,3.3米宽,厚度25厘米的玻璃板可以这种方式强化。另一种玻璃强化的方式是透过化学强化处理。这种方式的花费虽较高,但适用于以热处理方式会破裂的奇特形状玻璃,这种方式不会造成热变形。

     平板玻璃与钢化玻璃可胶合为多层板,以树脂夹层将玻璃胶合,厚度可达100厘米,这种做法可使玻璃一旦发生破裂仍可维持完整不致脱落。夹胶玻璃可保持抗张强度至摄氏70度,其所增强的特性可作为复何材料之玻璃板,具有破裂时仍能维持其结构强度的特质。

    平板玻璃以加力或自重弯曲可作成热弯玻璃,也可在处理成化学强化玻璃后再胶合。在光线与隔热控制方面,玻璃可藉由金属镀膜如低辐射玻璃,可隔绝热幅射。高反射通常用在热带地区,然其常造成反射影响驾驶人或行人视线。隔热的手法还有漆板玻璃,将陶瓷漆以网板印载玻璃上,再以高温将其熔入表层,图样可配合设计之需。 


     有色玻璃也可运用于隔热与防炫光,炫光通常会影响电脑萤幕的视觉环境。穿透性需求较高的空间如博物馆或商店橱窗,则经常采用低铁玻璃。由于制造过程中所需要的熔点较高,这种玻璃较一般钠钙玻璃的造价为高。

     双层玻璃由8到16厘米宽的中空层以节约能源。中空层填以氩气或氪气可提升节能效果。若在稍宽的中空层装入不透明材料或可控制的百叶片,则可调整光线与节能。日本一家厂商与澳洲大学合作开发了一种高效能双层玻璃,在玻璃板间设置不到一厘米的真空层,由极小的格状铝片区隔。这种双层玻璃所能达到的绝缘值相当高,一旦在价格上具有竞争力,则将成为节能材料市场上极具潜力的新产品。

      玻璃尺寸的宽度限制为3.6米,长度则受限于搬运与切割的机器,事实上,大部份的玻璃为配合制作与运送过程,一般最大尺寸为6米x3米。经过必须之处理程序,一般玻璃板能使用的尺寸为4米x2米。当然,为配合特殊的尺寸,还是有特殊的制造程序能生产突破这些尺寸限制的玻璃板,新的制造机具也不断地研发以增大使用尺寸。


      设计之创新
玻璃结构的特性早已是私人公司致力于研发的对象, 如Pilkington、Corning与Asahi。直到目前仍无国家标准可供参考(现今只有欧洲有标准草案),关于这门设计技术的研究发展与资讯整合相当重要。一般顾问工程师所能获得的技术性资料不多,一般校园也无针对玻璃工程师的养成,因此工程顾问公司对玻璃结构设计的资讯并不充足。虽然一些生产制造单位会出现创新设计,也有钗h优秀的工程设计师开发出优良的产品,然其创新的程度往往受限于厂商现实或财务利益的考量。为了创造最大的利润,与其每一种产品都得因为建筑师或顾问工程师有新的想法而更改生产技术,不如以一种技术生产各种产品。若是能建立一种模式,使顾问工程师与建筑师均愿意用来发展设计,若是小规模的实验性构想一开始能被小型承包商实践,以发展一些特殊的设计,一旦成市h更大的厂商也会采用此一模式。
Dewhurst Macfariane公司首件玻璃结构设计作品为伦敦Sloane街商店The Joseph Shop的楼梯间(图1)。由建筑师Eva Jiricna设计,于1990年完工。这座楼梯的梯阶由19厘米厚的平板玻璃,表面以喷砂处理作为止滑与缓和视觉。玻璃板下方设置15厘米厚之压克力板作为预防玻璃碎裂之安全设计。此系统适用于小跨度,较长跨度时则需二道多组19厘米或25厘米厚之玻璃板,可将两片或多片的平板玻璃胶合,且需确保玻璃板的四边支撑。

     伦敦St Martins巷的Now and Zen曙U(图2)设置3.6米x1米之玻璃地板,由炳烯酸树脂胶合两片19厘米厚的平板玻璃,以每平方米5KN均布载重设计,只要四边支撑稳固,一旦两片玻璃均破裂,依然确保结构安全。本案于1990年完成,由伦敦建筑师Rick Mather设计。经过测验,将两片厚19厘米之玻璃板以树脂与热可塑性树脂(PVB)胶合,若支撑部位仅剩两端,两片玻璃在中央或靠近中央的部位一旦破裂,结构随之破坏。

     90年代晚期,Du Pont公司发展一种名为Sentry Glass Plus之胶合材料,强度比PVB树脂高,且能维持物理性能至摄氏70度。以这种材料进行前述两端支撑之试验,发现在四片玻璃胶合的状态下,四片玻璃均破裂时,结构不会破坏。依据这个实验的结果,运用于2.4米宽的梯阶,以四片平板玻璃胶合为50厘米厚之玻璃,顶板以酸浸蚀刻纹作止滑用且容易清洗。进来钗h楼梯采用这种技术,如最近在日本大阪的苹果电脑专卖店,将这种玻璃梯阶运用于店内一座螺旋梯。

     玻璃梯阶与楼板的设计所累积的技术后来运用在发展以胶合玻璃梁柱所组成之单坡桥门构架。此胶合玻璃构件之结构由三组玻璃梁达成,且设计为各玻璃构件破裂时仍可维持整体结构稳定。梁柱接点采用如木构架般之简单榫接。整体构造之侧向稳定度由玻璃墙板与玻璃间之结构矽胶所提供。英国 Kingswinford 之 Broadfield House  玻璃博物馆为本技术之最大型实例运用。本案完成于1994年,建筑师为Le Plan。屋顶梁间隙1米,跨距6米,柱高3.5米。


     玻璃结构设计最具挑战性的案例

     为日本东京剧院的有乐町遮篷。由建筑师Rafael Vinoly所设计,欲创造一个十米长的玻璃悬臂构造。本案以四列平行相扣的胶合强化玻璃片组成悬臂梁,各接点可传递杆件间之剪力与弯矩,每个玻璃杆件接点可乘载12KN之最大剪力。藉由一系列的测试以找出可承受之最大载重,我们很惊讶的发现,厚度19厘米之玻璃平板挖凿72厘米直径之孔洞,能够承受120KN之载重。这座遮篷于1996年完成,其设计风载重为每平方米5KN与最高标准之地震载重。

      沙乌地阿拉伯利雅德之AUDI Cube为我们与建筑师Nabil Fanous合作之作品,于1997年完工。此座8米之立方体为图书馆的奋?C各梁构件以四向之摩擦来夹紧螺栓连接。梁构件由两片PVB胶合强化玻璃组成。玻璃层板间连接点的位置以铝板固定避免摩擦夹紧螺栓内部的蠕变与拉伸变形。15厘米厚的强化玻璃板在立面上一块叠一块,背面再以矽胶附着于梁柱构件上。(图6、7)

      近年,垂直玻璃结构墙逐渐受到重视。新墨西哥的Sate Fe,建筑师Mark du Bois所设计的住宅,采用一种高3.6米的玻璃墙板系统支撑一座钢构架屋顶。本案墙板采用以19厘米强化玻璃为中间板,两侧各加10厘米热增强玻璃之胶合玻璃。胶合材料采用PVB树脂,经六次工作荷重测试完成。

      装置艺术作品也对玻璃结构作了一些有趣的尝试与挑战。Vong Phaophanit作品The Ash and silk wall,为一座将火山灰与橘色丝线胶合至玻璃板的全玻璃结构(图9)。这座雕塑品竖立于伦敦格林威治(图10),由Gerry Judah所设计位于英国伯明罕的车展结构,运用强化胶合玻璃构成垂直悬臂墙,展示车以螺栓固定于玻璃板上悬臂而出。


总结

        就各方面而言,由于建筑规范与可运用法规的缺乏,使我们得以在不受既有原则的束缚下,彻底的运用并发挥工程规则。也因此,在众人的惊叹声中,很多时候连我们自己也感到惊讶,我们总是能一再地证明我们运用的原理在结构分析上所展现的有效性。

        我认为我们还在开发玻璃这个相当特殊的材料之初始阶段,我们也非常荣幸能与钗h具有远见与勇气的建筑师与业主合作,共同探索这个未知的领域。我个人对于这个结构性材料的发展相当有兴趣,过去这些努力也提供我一个崭新的视野,思索工程顾问在设计过程中能够扮演且应该扮演的角色。