温嘉励
广州斯意达幕墙设计咨询有限公司 广州 510620
【门窗幕墙展】摘要 文章通过介绍国内外玻璃结构的研究成果、发展历程和目前的发展水平，为业内人士提供创作和研发思路，同时尝试对玻璃结构设计提出设计方法。
关键词 结构玻璃；玻璃结构；玻璃建筑；玻璃承重结构
Application on Glass Structure in China and Abroad
Jiali wen
C.E.D. Fa?ade Design & Consultant Ltd. Guangzhou 510620
Abstract The progress and current status of glass structure and its research achievements in China and abroad were addressed in detail. and design method of glass structure were attempted to raise.
Keywords Structural glass；Glass structure；Glass Architecture；Load Bearing Glass Structure
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[1-5]，代表作有荷兰玻璃屋(House De Fantasie, Almere)[2]，荷兰Sonsbeek雕塑亭[2] ，英国Kingswinford玻璃博物馆[1]，荷兰鹿特丹的玻璃连桥[2]，玻璃柱应用（Saint – Germain – en – Laye办公室）[2]，东京乐町线出口雨篷 [5]。
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[6]
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[6]
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）[7]
图4 意大利Santambrogio设计的玻璃屋（二）[7]
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[6]
图6 摄政王街店的玻璃楼梯和玻璃桥[6]
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[6]
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[6]
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[6]
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[6]
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。
图11 玻璃楼梯[6]
2007年于纽约第十四大道的苹果专卖店里完成的螺旋玻璃楼梯，首次将螺旋玻璃楼梯技术由单层上升到两层。
楼梯中心处为圆形核心承重柱，核心承重柱平面为6块弧形玻璃，竖向有4.5层，共30块玻璃组成。核心承重柱玻璃间的连接方式，与他其螺旋玻璃楼梯项目一样，平面间玻璃通过金属件连接，层间玻璃通过不锈钢圈连接。核心承重柱由预埋在地面层下面的钢网格支承，二层、三层的楼板提供侧向连接。外围的玻璃栏河由三层化学钢化夹胶玻璃组成，作为楼梯外螺旋形梁承重梁，支承于从核心承重柱悬挑的玻璃梁上。
对楼梯稳定性最大的挑战是，建筑物本身的刚性不大，有一定的侧向位移。因此，楼梯与建筑物之间的连接必须有足够的相对滑动的能力，从而楼梯不会对建筑物起侧向加固作用。
图12 纽约苹果专卖店的两层螺旋玻璃楼梯[6]
图13 2008年波士顿苹果店的两层螺旋玻璃楼梯[6]
2006年5月开业的位于纽约第五大道的苹果专卖店玻璃门厅，这个玻璃屋是长宽高均为32.5ft (约10m)的立方体。这是个玻璃框架结构，屋顶为双向薄壁玻璃平面网格，通过拼接的玻璃柱进行支撑，其横向稳定性由玻璃墙面板提供。玻璃网格与玻璃柱均由多层的夹胶玻璃组成，所以玻璃构件之间通过金属件连接。整个玻璃结构包括106件玻璃面板，和250件玻璃肋（即玻璃网格与玻璃柱）。在屋顶的中部挂着一个8ft (约2.4m)的会发光的苹果商标。
图14 纽约苹果店门厅[6]
此玻璃门厅处于Eckersley O’Callaghan建造玻璃结构的初期，受限于当时的玻璃结构分析水平和玻璃制造能力。所以玻璃构件尺寸相对较小，连接件也相当多。在此后经过多方的努力，玻璃结构的设计方法得到非常大的发展，玻璃制造安装也得突破。此时，夹胶钢化玻璃面板的尺寸能做到18m×3.6m。
图15 改建后的纽约苹果店门厅[6]
为此，苹果公司总裁史蒂夫·乔布斯决定重建纽约第五大道的苹果专卖店玻璃门厅，使得2011年完成的新方案更为通透和简洁，最新的玻璃结构的设计概念得已展示。改建后的玻璃门厅外观尺寸不变，玻璃面板减至15块，玻璃肋减至40块。新方案中屋顶仅为7块玻璃肋组成的玻璃网格，其端部与玻璃柱铰接，玻璃柱由一块玻璃组成，不再需要拼接。
2010年开业的上海浦东金融国际中心的苹果专卖店的门厅，为高12.6m，直径10m的玻璃圆筒。其立面由12块超大弯钢化玻璃组成。面板背后的玻璃柱也是一块12m高、70mm厚的夹胶钢化玻璃，通过嵌入式的金属件与玻璃面板连接。屋面由四块玻璃组成，支承在径向的玻璃梁上。玻璃梁的外端与玻璃柱连接，内端与中心玻璃环梁连接，形成主承重玻璃框架，其侧向稳定由玻璃面板提供。
值得一提，我国的北京北玻安全玻璃有限公司与东金晶科技股份有限公司经过共同研发，将初步方案的三块4.2m长的弯钢化玻璃改为一块12.6m长×2.6m弧长的弯钢化玻璃。突破了世界纪录，获得“中国创造”的美誉。为我国的玻璃结构发展提供了物质基础。
图16 上海店门厅[6]
2014年完成的位于土耳其的伊斯坦布尔佐鲁中心的苹果专卖店屋顶玻璃盒子，是最极致的透明度。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），其中心处比四边高出210mm，以便排水。屋面板的四边均为60mm宽的边缘与玻璃墙面板连接。所有的连接部分都使用硅酮结构胶，没有任何连接件影响建筑物的完整性和透明度。[6]。
图17 伊斯坦布尔的苹果专卖店屋顶玻璃盒子[6]
图18 伊斯坦布尔的苹果专卖店屋顶玻璃盒子[6]
3 全玻璃结构在我国的概况
在中国玻璃作为承重材料的应用还处于一个相当低级的阶段，目前主要的应用是全玻幕墙，玻璃楼板，玻璃楼梯等。但全玻幕墙的设计技术水平与国际相比，也是相对落后的。在杭州的中国美术学院里的一座玻璃桥，尽管其跨度较小，但也是玻璃结构应用的一个尝试。
图19 杭州的中国美术学院的玻璃桥[2]
尽管北京、上海和香港的苹果旗舰店已将玻璃结构带到中国来，并大大促进了中国玻璃制造的发展，使国内完全有能力生产和安装全玻璃结构。但是玻璃结构的设计玻璃结构的设计还处于启步阶段，有待尝试和开发。
4 玻璃承重结构的设计方法
对于传统的建筑结构，如钢筋混凝土结构和钢结构等，其结构设计可依据相应的国家规范进行验算。如果是超规范的设计，就需要进行专家论证，有必要时需要对其中关键部位进行实验。同时，项目的实际应用，也是一个反复调整尝试和调整的过程。
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，结构师们对玻璃结构既充满期待又心有疑惑。在国外，玻璃结构有近30年的发展史，国外结构师走过了玻璃结构的探索阶段基本进入工程应用实践阶段，因为没有行业性的设计标准，所以对于玻璃结构的研究一直是一个热门的研究课题，为工程师提供大量的设计参考。但在我国，无论是研究机构还是一线的工程师都极少对玻璃结构设计进行探索或试验性研发，因此我国的玻璃结构设计基本处于空白。但相信，以玻璃材料梦幻般的通透性，一旦我国结构师撑握玻璃结构的设计方法，玻璃结构建筑会瞬间在全国蔓延起来。
笔者大胆对玻璃结构设计提出一个简单的思路：力学理论分析——某一构件破坏时，结构的剩余强度设计——对所有玻璃构件进行1：1的仿真实验——根据实验、概率论对设计方案进行调整——对玻璃构件添加保护层（防撞击、防火设计）——玻璃结构实际工程应用。
玻璃结构的力学理论分析是对玻璃结构的初始设想按弹性力学理论进行数值分析，了解玻璃理论上应力或应变分布，为玻璃结构设计提供初始的结构方案。但由于玻璃实际情况受生产和加工的限制，可能出现多种数据分析无法预见的问题，因此力学理论分析得到的结构方案绝对不能作为玻璃结构实际应用的设计依据。
由于玻璃的破碎无法完全避免，必需了解一旦某一玻璃构件损坏失效后，损坏的玻璃构件原承载的荷载能否通过另外路径分配到其他结构构件中，增加受荷的构件是否因此受损而使建筑结构更加危险。换句话说，就是需要对建筑进行剩余强度设计，当某一玻璃构件破坏后，整体结构不会在采取应急措施前出现进一步的损坏或倒塌。此时没破坏的玻璃构件所承受的荷载才是玻璃构件的荷载设计值。
1：1的防真实验是对玻璃构件实际受力情况进行观察，文献[26]中，实验中实际破坏情况与数据分析预期相差较远，因此，必须对全部玻璃构件进行实验，以得到真实的构件受力情况。
由于每一个玻璃构件成品都有其独特性和唯一性，实验也只能对工程实际情况进行仿真，玻璃构件并不能完全反映玻璃构件在实际应用中的实际情况，所以必须运用统计学概率论对实验结构进行调整，从而得到一个被认为较为可靠的玻璃构件承载力数据。
最后，还需要考虑玻璃构件的防火和防冲击问题。当遇到意外事件，在玻璃结构中的所以有人能够全部安全撤离的时间内，玻璃结构没有发生倒塌，那么说明玻璃结构是安全的。这个时间取决于玻璃结构的防火（防冲击）能力、玻璃结构的面积、能容纳的人数、玻璃结构所处的位置、及人员撤离的容易程度等。对于提高玻璃结构的防火（防冲击）能力，目前最常用的方法就是在玻璃构件的外表面增加夹胶玻璃层或在玻璃构件的外围增加防护套。使玻璃保护层与玻璃受力构件组成完整的玻璃构件系统。
图20 玻璃柱防护套[8]
图21 杜邦公司进行的“牺牲层”验证试验[9]
在工程实际应用时，一定要保证玻璃构件的公差在设计的允许范围内。定期对玻璃构件进行观察检测，了解玻璃构件在应用过程中的应力和变形情况。并做好防护措施，一旦玻璃出现可见裂痕或破损，马上提供临时的支护，为整体结构提供安全保证。
参考文献
[1]史蒂西, 施塔伊贝,巴尔库等. 玻璃结构手册[M]. 白宝鲲, 厉敏, 赵波. 大连: 大连理工大学出版社, 2004: 53, 274-278.
[2] 傅岚. 玻璃建筑表现初探[D]. 南京: 东南大学, 2005
[3] 马晓曦. 玻璃材料在建筑设计中的应用研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2011
[4] 陈神周. 点式玻璃技术在当代国外建筑中的应用[D]. 北京: 清华大学, 2004.
[5] 渡边邦夫, 王健. 东京国际会议中心: 建筑家和结构设计者的共同合作[J]. 建筑创作, 2012 (02): 124-146.
[6] Eckersley O’Callaghan [EB / OL ]. http://www.eocengineers.com/#projects
[7] Glass Homes / Santambrogio [EB / OL ]. http://www.gooood.hk/_d274987782.htm
[8] Ouwerkerk E. Glass columns: a fundamental study to slender glass columns assembled from rectangular monolithic ?at glass plates under compression as a basis to design a structural glass column for a pavilion[D]. Netherlands : Master of Science program of Civil Engineering at the Delft University of Technology. Faculty of Civil Engineering and Geosciences; 2011.
[9] 邱岩. 玻璃及其层合材料表面与界面性能评价技术研究 [D]. 北京: 中国建筑材料科学研究总院, 2008.
作者简介
温嘉励（Wen Jiali），女，1983年11月生，工程硕士，建筑工程结构设计工程师，研究方向：玻璃承重结构；工作单位：广州斯意达幕墙设计咨询有限公司；地址：广州市天河区广州大道中900号金穗大厦裙楼五楼529房；邮编：510620；联系电话：13527713774；Ｅ-mail：wenjiali001@163.com。
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