【技术】玻璃结构在国内外的应用

本文摘自：《建筑幕墙创新与发展》未经许可不得转载

　　随着制造工艺的不断改进，玻璃已经成为一种主承载结构材料，玻璃结构与木结构、砖结构、钢混结构、钢结构等一样，作为一种建筑结构，成为现代公共建筑中的一个新亮点。经过多年的研发和尝试，国外玻璃建筑已在公共领域中崭露头角。而在国内，由于对玻璃的结构安全性的了解还不够充分，因此业主和开发商还处于观望的态度，设计研发者也因此缺少设计研发的机会。本文试图通过对国外玻璃结构的归纳介绍，增加公众对玻璃结构的关注，为国内从业人员提供设计思路和参考，促进国内玻璃结构的发展。

　　玻璃是没有屈服阶段的脆性材料，因此玻璃结构的设计理论和方法有别于钢筋混凝土结构、钢结构等传统建筑结构。全玻璃结构的应用经历了一个试验阶段。在20世纪晚期，荷兰首先工程师在一个短租地块上建造玻璃住宅，该建筑物三面为通透的承重全玻璃幕墙，轻型屋面的张弦梁通过螺栓支承在玻璃肋上。此结构证明了玻璃能成为承重建筑材料，但还未能解决玻璃结构的安生性、防火等问题。随后英国、法国的工程师也做了不同的尝试，如榫锲方式胶接的玻璃结构、十字型玻璃柱等承重结构。国内对此阶段的玻璃结构项目有较详细的介绍，代表作有荷兰玻璃屋 (House De Fantasie, Almere)，荷兰Sonsbeek 雕塑亭 ，英国Kingswinford玻璃博物馆，荷兰鹿特丹的玻璃连桥，玻璃柱应用(Saint – Germain – en – Laye办公室)，东京乐町线出口雨篷 。

　　到了21世纪初期，全玻璃结构开始在国外广泛应用到公共领域、商业建筑和私人住宅。其中荷兰的benthemcrouwel，英国的Dewhurst Macfariane，英国的Eckersley O’Callaghan和意大利的建筑/玻璃设计师组合的Santambrogio等几个著名的结构设计事务所的作品举世瞩目，也一定程度反映了玻璃结构的发展过程。

　　作为美国苹果公司旗舰店的结构设计单位——英国Eckersley O’Callaghan，该事务所拥有大量有一个设计延续性的玻璃结构的机会。因此，英国Eckersley O’Callaghan对玻璃结构技术发展，作出了重大的贡献。同时，美国苹果公司在各地的旗舰店也展示了玻璃结构发展。

　　在中国，玻璃作为承重材料的应用并不多，主要用作玻璃楼板或楼梯踏板。最令人注目的玻璃结构为苹果公司在北京、上海和香港等地开的旗舰店里，这些玻璃结构有力的证明了我国玻璃制造和装配业已经走到了世界的前列。但玻璃结构的设计在我国还基本处于空白。

　　1 本世纪初全玻璃结构在国外的应用

　　由英国Brian Eckersley与James O’Callaghan于2004年建立的Eckersley O’Callaghan工作室是目前建筑玻璃结构的领导者。经过多年探索，该工作室已经拥有最严谨的玻璃结构设计理论和分析方法，也是多个国家玻璃结构设计标准委员会成员，因此，了解 Eckersley O’Callaghan的玻璃项目，便是了解玻璃结构的简史，下面将介绍几个代表性的项目。

　　2014年开业的美国国家纪念馆门前的2.5m悬臂的玻璃墙，此玻璃墙由4层夹胶浮法玻璃组成。玻璃表层的浮雕是通过深酸蚀刻，深雕刻和印刷等工艺制造而成。

图1 美国国家纪念馆的2.5m高玻璃墙

　　2014年完工的美国费城迪尔沃思公园地下交通枢纽的两个玻璃亭出口，可能是目前世界最大最高的胶接式全玻璃结构。每个玻璃亭是一个全玻璃结构，由18ft (5.486m)高的玻璃墙和跨度为17 ft(5.182m)的玻璃屋顶组成。玻璃墙面板为5片3/8”(9.525mm)厚SGP夹胶半钢化玻璃，玻璃屋顶为7片SGP夹胶半钢华玻璃。整个玻璃亭由钢梁与混凝土反梁支撑，玻璃墙固接于不锈钢槽中，从地面向上悬挑。玻璃屋面通过硅酮结构密封胶直接支撑在玻璃墙面上。整个玻璃亭从地面上看，没有任何的金属配件。这个项目的成功取决于玻璃结构的地基为全砖石结构。

图2 迪尔沃思公园的交通枢纽出口

　　此玻璃亭可视为斜的排架结构，入口处三片大尺寸玻璃组成一个的斜排架，斜排架的一部分重力作用在旁侧的尺寸较小排架上，一个较大的排架压在一个较小排架上，直到玻璃亭的根部，形成一个结构整体。当风荷载作用下，整个玻璃屋顶对排架结构起到一定的侧向支撑作用。大尺寸的屋顶玻璃通过结构胶及玻璃垫片将水平风荷载传到小尺寸的屋顶玻璃，直到底部基础。其中，结构胶应为小变形的，才能起到水平荷载传递作用。在玻璃重力作用下，玻璃与垫片之间通过摩擦力将一部分水平荷载传递到屋顶根部。

　　另外，意大利米兰的建筑/玻璃设计师组合Santambrogio ( Carlo Santambrogio & Ennio Arosic)也是世界上有名的玻璃结构专家。他们设计并建造了两套完全由蓝色玻璃组成的玻璃屋子[7]。两间屋子均为框架体系的全玻璃结构，一间为三层玻璃屋，另一间为建于水面长方形吊脚式玻璃屋。

　　三层玻璃屋的中柱为置于室外的玻璃肋与玻璃墙面板组成的T型截面柱，其中玻璃肋由两片玻璃组成。角柱为转角玻璃墙面板和与之延伸的玻璃肋结成的十字型截面柱。玻璃梁系为纵横两方向玻璃梁，通过螺栓连接而成的网格梁系。网格的每个末端通过螺栓与玻璃柱连接，构成了主体框架。室内的玻璃书架和玻璃厨子与玻璃梁柱连接，成为玻璃屋的次结构，为玻璃屋提供支撑作用。玻璃楼梯安装在玻璃墙面和室内玻璃厨子之间，由两边的玻璃面板支承。

　　建于水面上的长方形吊脚式玻璃屋，由两片玻璃组成的玻璃Ⅱ型柱子穿过水面，与地基连接，离水面一定高度处，建立一层梁网格，交接处通过玻璃耳板用螺栓进行连接。玻璃地面铺在梁网格上面，玻璃屋顶做法与楼板相似。入口楼梯道由两块到地基的玻璃面板做为主梁，楼梯踏板与玻璃面板连接，顶部由从屋内延伸出来的玻璃梁作为主支撑架，玻璃墙面板与屋面板与之连接。

　　图3 意大利Santambrogio设计的玻璃屋(一)

　　图4 意大利Santambrogio设计的玻璃屋(二)

　　2 苹果公司的全玻璃结构产品

　　2001年苹果公司与建筑师Bohlin Cywinski Jackson、工程结构师Eckersley O'Callaghan等合作，建造出一系列用于共公建筑的玻璃结构作品。他们的作品几乎都具有继承和发展特点，使得玻璃结构的发展得到非常大的突破。

　　2004年开业的位于英国伦敦摄政王街的苹果旗舰店的玻璃楼梯和玻璃桥，是当时较大跨度的玻璃作品。玻璃楼梯是由起承重作用的夹胶钢化玻璃墙和玻璃踏板组成，玻璃踏板的跨度为2.4m，由多层夹胶浮法玻璃组成，通过定制的钛合金连接件与玻璃墙连接。其中，钛合金连接件是在玻璃踏板进行夹层粘结的过程中一同预埋粘结的。

图5 摄政王街店的玻璃楼梯

图6 摄政王街店的玻璃楼梯和玻璃桥

　　2005年开业的日本东京苹果专卖店的全玻璃楼梯，将玻璃栏河视为楼梯的主承重单跨梁，横跨在一楼与地面之间。由于受玻璃制造业的限制，玻璃承重栏河需要由三块等长的玻璃，通过钢件铰接起来。玻璃踏板通过金属件与玻璃栏河连接起来，共同抵抗当地高烈度的地震作用。

　　图7 东京店的玻璃楼梯与玻璃桥

　　2011年开业的德国汉堡苹果专卖店的玻璃楼梯，12m跨度的承重玻璃栏河为一块5×12mm厚夹胶半钢化玻璃，重量超过4吨。另外，玻璃踏板与栏河之间的连接件为背栓式，与栏河玻璃的夹胶层粘结，不再需要穿透栏河玻璃的外层，保持了玻璃外表面的完整性。

图8 汉堡店玻璃楼梯

　　2012年伦敦王子街103号的苹果旗舰店重新装修，玻璃楼梯重新设计成跨度13m的新一代玻璃楼梯，跨度13m的玻璃栏河为一块5层夹胶半钢化玻璃，重量超过2吨。

图9 伦敦苹果店13m跨度玻璃楼梯

　　2004年在日本大阪苹果专卖店建成的螺旋形玻璃楼梯，由高承受力的夹层化学钢化圆弧玻璃通过钢件连接成螺旋形的承载栏河(即楼梯的主梁)，通过钢索吊挂在上部梁上。玻璃踏面选用浮法玻璃，两端使用钢件与玻璃栏河连接，形成一个整体共同抵抗当地多发的高烈度地震作用。

图10 大阪苹果店的螺旋形玻璃楼梯

　　2006年5月开业的位于纽约第五大道的苹果专卖店里的玻璃圆柱电梯及与之环绕的螺旋形的玻璃楼梯。整个圆柱形玻璃电梯井和玻璃楼梯由地下室底板支承，地面楼板提供侧向支撑。电梯井的圆形平面为6块弧形玻璃，一共3层，其中最底层和最高层开有电梯门，共16块有玻璃组成。平面间玻璃通过金属件连接，层间玻璃通过不锈钢圈连接，形成抗拉环梁。电梯井作为整个玻璃结构的核心承重柱，玻璃楼梯的外围栏河是楼梯外螺旋形梁承重梁。外螺旋栏河其投影平面为6块弧形玻璃，底部玻璃与地下室楼板连接，顶部玻璃与一层楼板连接，中间弧形玻璃由倒L型玻璃柱支承。倒L型玻璃柱的另一边与中心电梯井连接，将荷载传会中心电梯井。楼梯踏板连接电梯井和外螺旋栏河，起侧向连接作用，保证楼梯的稳定性。