玻璃的主要成分(结构材料系列—玻璃)

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玻璃的主要成分

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。
 
玻璃中二氧化硅的非晶形体结构
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。
 
覆盖着玻璃的水晶宫
代表着英国先进工业技术,1851年
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。
 
古法生产的玻璃很难做到完全平整
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。
玻璃的特点
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。
 
装饰教堂的彩色玻璃
透光性
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。

热工性
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。
 
不锈钢丝加强的Low-E玻璃
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。
力学性能
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。线膨胀系数约为钢材的0.8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。

玻璃结构案例
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。
玻璃建筑
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。 

 2006年,第五大道苹果店玻璃立方体
每个面18块,共90块玻璃,DPG点支撑

2011年,第五大道苹果店玻璃立方体
每个面3块,共15块玻璃,取消点支撑
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。

伊斯坦布尔店,由Foster&Partners主导设计
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。

苹果店-杭州西湖,玻璃面板+玻璃肋支承
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。
苹果店-上海陆家嘴和重庆解放碑,曲面玻璃+玻璃肋
香奈儿水晶屋
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。

全玻璃结构的门窗楣梁
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。

Glass Tree House方案,A.Masow设计
 意大利Santambrogio设计的玻璃屋
Enjoy the view, just don't throw any stones.
玻璃结构幕墙
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。

玻璃肋、玻璃面板连接节点

玻璃肋高度过大时,搭接构造和受力
玻璃肋、面板的连接方式
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。
梵高博物馆改造的玻璃入口大厅
玻璃屋顶,最大跨度12米
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。
玻璃幕墙,最大高度9.4米

玻璃材料用作幕墙的主要受力构件
玻璃肋与主结构铰节点
雨篷和采光顶
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。

东京有乐町地铁站悬臂雨篷
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。

玻璃肋与张弦结合的采光顶结构
玻璃肋结构采光顶
玻璃楼梯
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。

杭州西湖苹果店玻璃楼梯

上海陆家嘴苹果店的螺旋玻璃楼梯

玻璃楼梯与古老建筑的结合

胶合玻璃踏步板和减震填充  
张家界景观桥-采用三层夹胶钢化玻璃
越来越多的自然风景点建造了惊险的玻璃平台
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。

小i 对玻璃结构的理解不深,文中如有纰漏之处,欢迎批评指正。
延伸阅读:
结构材料系列—铝合金
结构材料系列—木材
参考资料:
1.玻璃結構設計之發展,Tim Macfariane
2.www.glasslimited.com
3.玻璃结构在国内外的应用
4.玻璃结构的炫技表演 梵高博物馆新入口,ArchDaily.
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